兩耳時(shí)差

圖1a：聲音來自前方，雙耳時(shí)差為零（左）。聲音來自側(cè)面，頭的尺寸約為20厘米，聲速為340米/秒，最大時(shí)差為0.58毫秒（右）

人耳在低頻情況下可以很好地解密相位差，但在較高的頻率下，與頭部的尺寸相比，波長(zhǎng)可能太短，以至于信號(hào)制式自身重復(fù)，兩只耳朵可能碰巧接收到相同的相位（圖1b）。

兩耳相位差

圖1b：通常耳朵會(huì)感測(cè)到相位差（左），根據(jù)頻率和入射角度，它們可以檢測(cè)到虛假相位匹配（右）。

幸運(yùn)的是，聽覺系統(tǒng)可以借助另一個(gè)線索：當(dāng)聲音從側(cè)面到達(dá)時(shí)，我們的頭部會(huì)產(chǎn)生聲影區(qū)，并隨頻率上升而擴(kuò)大。在非常低的頻率下，我們頭部的尺寸與空氣中的聲音的波長(zhǎng)相比是小的。因此，無論聲音從哪個(gè)方向到達(dá)，左耳和右耳的聲壓基本相同。然而，隨著頻率的增加，波長(zhǎng)減小，此時(shí)我們的頭部尺寸不能再被忽略了。它成為屏蔽和反射聲音的障礙物，使得與面向聲源的耳朵相比，當(dāng)其到達(dá)頭部另一側(cè)的耳朵時(shí)，較高頻率的成分將被衰減。

我們的耳廓的形狀還可提供豐富的頻譜（頻率依賴）線索。像頭部的聲影區(qū)一樣，耳廓起到一個(gè)屏蔽層的作用，使不是從前面直接進(jìn)入的較高頻率的聲音衰減。你可以通過轉(zhuǎn)離再轉(zhuǎn)向一個(gè)聲源來體驗(yàn)這一點(diǎn)。這樣做的時(shí)候，你應(yīng)該能感受到高頻率的微小變化，而這種變化你通常是不會(huì)注意到的。

另外，根據(jù)頻率和入射方向，聲音在耳廓內(nèi)反射到耳道時(shí)，耳廓的形狀會(huì)影響聲音，從而增強(qiáng)某些頻率并衰減其他頻率。

雙耳聽力和聲音再現(xiàn)
一般來說，要獲得正確的空間聲學(xué)體驗(yàn)，我們需要兩只耳朵（雙耳），因?yàn)樽蠖陀叶g的對(duì)比給出了關(guān)于聲源位置的最有力線索。中正面上的聲源是最難定位，因?yàn)樵谥姓嫔蠋缀鯖]有耳間差異。

然而，我們的方向感多數(shù)是建立在經(jīng)驗(yàn)之上的，這與我們自己的生理特征有關(guān)，比如我們的頭、耳廓和耳道的大小和形狀。隨著時(shí)間的推移，我們的聽覺系統(tǒng)建立了一個(gè)參考數(shù)據(jù)庫，例如注意到來自后面的聲音聽起來稍顯沉悶。

因此，為了創(chuàng)造令人信服的空間體驗(yàn)，并感知聲源的確切位置，聲音的再現(xiàn)必須提供我們的聽覺系統(tǒng)所習(xí)慣的所有信息。基本上有以下兩種方法：

1：雙耳錄音
可以用靠近耳朵的一對(duì)傳聲器進(jìn)行雙耳錄音，或者像通常做法一樣，使用人工頭并將傳聲器放在耳道入口處。這樣的錄音可通過高品質(zhì)耳機(jī)直接播放；也就是說，聲音再現(xiàn)為盡可能接近被捕獲的同一點(diǎn)上的特性。無需進(jìn)一步的信號(hào)處理（例如串音消除）就通過揚(yáng)聲器播放是不可行的，因?yàn)樾盘?hào)將通過房間和聽眾的頭部發(fā)送，從而創(chuàng)建完全不同的體驗(yàn)。

圖2：使用揚(yáng)聲器對(duì)三維音景的精確再現(xiàn)需要高度吸聲的房間，以避免反射

2：傳聲器陣列
這種方法需用到緊密排列的傳聲器三維陣列。它記錄了一個(gè)點(diǎn)的聲音，但也包括了關(guān)于入射方向的空間信息。借助復(fù)雜的算法，可以在收聽者四周布置揚(yáng)聲器，再現(xiàn)與其相似的聲場(chǎng)。如果聽音室吸音能力很好，傳到聽眾的聲音未被反射，那效果是最好的。否則，再現(xiàn)的聲音力會(huì)受房間特性影響（圖2）。該技術(shù)要求聽眾留在固定的位置上，或至少待在有限的區(qū)域內(nèi)。然而，體驗(yàn)會(huì)感覺很真實(shí)；轉(zhuǎn)向不同的揚(yáng)聲器會(huì)讓你覺得你正面對(duì)著實(shí)際的聲源。

圖3：按特定的角度測(cè)量聲源的HRTF

頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)
我們可以將這兩種技術(shù)結(jié)合在一起，并通過耳機(jī)播放聲音。這也需要一些處理，以將陣列記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙耳信號(hào)。為了做到這一點(diǎn)，我們需要考慮到聽眾的頭，以及它如何影響從各個(gè)方向傳來的聲音。

該關(guān)系可以用頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)（HRTF）說明。單個(gè)HRTF描述在某特定點(diǎn)創(chuàng)建的聲音將如何被右耳或左耳感知。你可以認(rèn)為這是你的頭和軀干的聲學(xué)指紋。

為了測(cè)量HRTF，可以將揚(yáng)聲器放置在聲源位置，并將傳聲器放在耳朵上（圖3）。雖然單個(gè)聲源或幾個(gè)聲源的HRTF測(cè)量較為簡(jiǎn)單，覆蓋所有可能的角度需要大量的HRTF，每個(gè)耳朵一組（圖4），但這樣做的效果還是不錯(cuò)的。

與聽直接的雙耳錄音相比，使用通過陣列記錄并通過HRTF進(jìn)行處理的信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是播放裝置可以利用傳感器來拾取頭部的方向并相應(yīng)地修正處理過程。例如，當(dāng)你把頭轉(zhuǎn)向左邊時(shí)，原來在你前方的一個(gè)聲源會(huì)出現(xiàn)在你的右邊，反之亦然。這樣就可以像揚(yáng)聲器的設(shè)置那樣具有類似的“存在”感，但并不限制必須在特殊的房間內(nèi)，因?yàn)槁曇糁苯訌亩鷻C(jī)進(jìn)入耳朵。 

圖 4 ：要處理來自任何方向的聲音，必須對(duì)頭部周圍的許多聲源重復(fù)進(jìn)行 HRTF 測(cè)量

了解更多關(guān)于“聲音和振動(dòng)物理學(xué)”： 聲音的波長(zhǎng)、頻率和速度

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