耳机里的声音,为啥会有方向感?

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戴上耳机的时候,我们经常能感受到声音有明显区别地从前后左右传进我们的耳朵里,从而给我们带来更好的听觉体验。你知道是怎么做到的吗?

大家都知道,我们可以凭借一只耳朵来感受声音的响度、音调和音色。但是,如果想辨别出声音的方向,就要依靠两只耳朵了,因为两只耳朵才可以听出时间差和声级差。

耳机里的声音,为啥会有方向感?

时间差是指声音抵达两只耳朵时间的前后差别,声级差则是两只耳朵听到声音能量的大小差别。例如,声源在我们的右边时,我们的右耳会先听到声音,之后声音才会到达左耳。

从正前方和正后方过来的声音,同时到达双耳,声能量一样,所以仅仅靠时间差和声级差两个信息,我们无法判断声音来自正前方还是正后方。

那么,问题又来了,双耳怎么辨别声音的前后方向?

事实上,声音从发出到被我们的耳朵听到,经历了三个过程——传播过程、生理过程和心理过程。由于生理过程和心理过程几乎不可操控,在这里我们仅仅关注传播过程。

传播过程也称为物理过程,是指声源发出的声波经由介质到达耳廓,再通过耳道传递到鼓膜并引起其振动的过程。

这是一个极其复杂的过程,人耳廓构造的不同会使声波经由耳廓影响后形成的波形不尽相同。显然,正前方声源的传播过程和正后方声源的传播过程是不一样的,因为我们的耳朵并不是前后对称的。

来自正前方的声音经过耳廓反射,可以直接进入耳道;而正后方的声音则需要绕过耳廓才能进入耳道。也正是由于这种不同,我们才可以分辨出声音来源的前后。

耳机里的声音,为啥会有方向感?

耳廓相当于一个给声音进行“加密”的设备,而我们的大脑经过长时间的学习,已经完全掌握了这门“解密技术”,可以轻而易举地听出声源的前后方位。

更加科学地讲,加密声音的不仅仅是耳廓,还有头部轮廓和肩膀等身体部位。由于这一系列的影响都与头部有关,因此这种加密方法也被研究人员称为:头相关函数。

头相关函数可以理解成我们头部对于声音的加密方法,这种加密是针对不同方位的。也正因为头部对于各个方向上的声音加密方式不一样,我们的大脑才可以解密出声音的方向。

为了解密不同声源方位的加密方式,研究人员可以通过测量或者计算得到不同方向的头相关函数,然后组成一个数据库。

我们戴上耳机之后,声音便直接经由耳道,被鼓膜接收了。失去了头部加密的过程,耳机内的声音听起来也就没有了方向感。

但是,随着声信号处理技术的发展,我们可以通过在耳机内部置入电子设备,来模拟头部的加密过程。

如果我们的电子设备与头相关函数的加密方法一致,那么经过电子设备加密之后的声音就可以被大脑解密出方位信息,成功地“欺骗”大脑。

正是基于这样的思路,电声工程师们开发了基于头相关函数数据库的空间音频方法。

他们用数字电路来模拟整个的头相关函数数据库,然后对耳机内的声音进行特定方向上的加密,这样,就能够让耳机内的声音听起来具有特定的方向感。

出品:科普中国

作者:王泰辉(中国科学院声学所 中国科学院噪声与振动重点实验室)

监制:中国科普博览

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