你的双耳是如何辨识声源方位的？

2022-12-05 08:42:12来源：模态空间

人置于声场中时，双耳可以判断声源的方位，即使我们闭上双眼，也能做到这一点，但如果仅使用一只耳朵，很难判断出声源的方位。这说明，听力系统可以处理传播到每只耳朵的声波，并把它们关联起来，从而判断出声源的方位。声源的位置可能位于头部的正前方、正后方、左侧或右侧等位置，据此，我们可以把声源的位置分两种情况，一种情况是位于人体对称的中垂面，这个位置的声源距左右耳的距离相同。另一种情况是中垂面之外的位置，在这称为水平面，如图1所示。因此，接下面将讨论双耳对这两个平面处的声源的方位识别机理。

(资料图片仅供参考)

图1 中垂面和水平面的划分示意

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声源位于水平面上

双耳位于头部的两侧，这样位于水平面上的声源发出的声波到达双耳时，必将产生两种不同的现象：第一，声波到达双耳的时间不同而产生双耳时间差（Interaural Time Difference ，ITD）；第二，声波到达双耳的强度不同而产生双耳强度差（Interaural Intensity Difference ，IID）。

位于水平面上的声源距双耳的距离必然一个较近，一个较远，因此，声波到达左右耳时将形成一定的时间差，这个双耳时间差的大小取决于声波分别到达双耳的距离差。声波可以以直达声到达一只耳朵，但必然绕过头部才能到达另一只耳朵，如图2所示，声波围绕头部的绕射必将增大延迟时间。假设头部为圆球形，则ITD的计算公式为

图2 双耳时间差的计算模型

从图2可以看出，声源的最大入射角θ为π/2，假设头部直径为18cm(双耳的间距)，则按上式可以计算出最大的双耳时间差ITD为0.673ms(声速c=344m/s)。假设声源位于右侧的入射角为正值，那么，入射角取值为[-π/2, π/2],双耳时间差取值为[-0.673, 0.673]ms。这个延迟时间虽然非常短，但它的变化却能决定低频声源的方位。但是如果声源以相同的角度在前、后方入射产生的双耳时间差是一样的，这时，仅使用双耳时间差是不足以判断声源方位的。换句话说，在这种情况下，听力系统还需要运用其他机理和方法来判断声源的方位。

利用双耳时间差来判断声源方位，还有一个最小可察觉的时间差。依据文献1的理论，声源定位的刚刚可察觉差异，即声源方向刚刚可察觉的变化，是产生一个刚刚可察觉的方向感知所必需的，这个变化大概是与正面入射差5°，相应的时间延迟约为50µs。这个值可以被假定为频率低于1.5kHz时刚刚可察觉的双耳时间延迟。

另一方面，听力系统利用双耳时间差判断声源的方位时，对声源的频率是有限的，这是因为听力系统是通过双耳时间差来判断声波的相位移动（相位差）从而定位声源方位的。由于相位差Φ=2πft，而t=ITD，因此，将之前的双耳时间差计算公式代入即可得到相应的相位差。双耳位于头部的两侧，当声源分别位于头部两侧的直径时（如一个在左侧，一个在右侧），两种位置的声波相位移动是相同的，这时对应的相位差为180°或π。因此，相位移动不能超过180°或π。当声源位于一个确定的入射角位置时，其双耳时间差也是确定的，此时，可以确定这个入射角位置的声源频率上限。入射角越小（越靠近中垂面位置），声源的频率上限越高；入射角越大，声源的频率上限越低。如最大90°入射角，对应的频率上限为743Hz。

另一种声源定位方法是利用双耳强度差，它是由距声源远近及头部遮蔽效应产生的，遮蔽效应如图3所示。当声源位于头部中垂面时，到达双耳的声音强度是相同的，但是当声源偏离中垂面时，一只耳朵的声音强度变小，另一只耳朵的声音强度变大。头部的遮蔽效应难以计算得到，实验表明，双耳的强度比随声源的入射角以正弦方式在0~20dB之间变化，变化的范围与频率相关，如图4所示。

图3 头部的遮蔽效应因频率而异

图4 双耳强度差随入射角和频率变化的特性

根据声波的散射理论，通常以障碍物的尺寸为波长的2/3作为衡量散射的基准。当尺寸小于这个基准时，散射是全方位的；当尺寸大于这个基准时，散射的方向性变强。据此理论，可以确定物体尺寸为波长的某一倍数时，才开始发生散射，如为波长的1/3时。那么，存在一个最小频率，当低于这个最小频率时，声级差（强度差）对声源的定位作用不大。按这个假设，仍为头部直径为18cm，据此，可以得到最小的频率为637Hz。

因此，对于来自水平面的声波，双耳时间差主要对低频声音的定位起作用；双耳强度差主要对高频声音起定位作用。

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声源位于中垂面上

中垂面是人体的对称平面，位于中垂面上的声源的声波到达左、右耳的时间和强度均相同，不存在差异，因此，无法通过双耳时间差和强度差来判断声源来自中垂面的前方还是后方，以及声源的高度问题。

事实上，有两种机制可解决这个问题。第一种是利用外耳对声波的作用来定位声源的角度和方向。这是由于辐射到耳廓的声波经过反射传输到外耳道，耳廓的反射存在一定的延时，虽然延时量很小，但却非常有效，与直接进入外耳道声波产生干涉。由于声音到达的方向不同，反射声与直达声的时间差会发生变化，因此形成一种与声源方向相关的频谱特性，听觉系统据此判断声音的空间方位。由于反射声与直达声的时间差非常小，因此，这种定位方法主要适用于高频信号，即高于5kHz的频率范围。

第二种方法是转动头部，头部转动会形成双耳时间差和强度差，从而可以判断声源的方位。

对于位于中垂面的窄带声源，有一个非常有趣的现象：特定频率的声音只会被定位于特定位置，不受声源位置的影响，这个效果可以用图5来说明。我们会认为声音来自一个特定的方向，而不受声源位置的影响。如果声源是中心频率为300Hz或3kHz的窄带声音，则声源总是被认为在听音主体正前方。以8kHz为中心的窄带声音被感知为来自听音主体头顶上方位置，即使声源位于听音主体正前方。以1kHz或10kHz为中心的窄带声音被感知为来自听音主体头部后方，同样，不管声源的实际位置在哪。这是一个令人诧异的效应，Blauert将其归因于听力系统的频率特性，并称之为“确定频带”。

图5 不论声源位置在哪，被定位为在中垂面特定位置的窄带声音

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多声源定位

以上情况只考虑了一个声源的定位。然而，在实际应用中，如通过立体声音响系统播放音乐，多声音源的定位也经常出现。在对传统的立体声音响布置中，听音主体面对两个放在前面的扬声器，每个扬声器与正前方的夹角约为30°。如果两个扬声器同时辐射相同的声压级，就会发生叠加定位，声音被认为来自两个扬声器中间的某个位置。如果右边扬声器的声压级比左边扬声器的声压级高30dB，则认为声音是从右边扬声器传来的。同样，感知到的声源定位是由扬声器发出的声音之间的时间差决定的。如果一个扬声器发出的低频声音比另一个扬声器发出的低频声音早1ms，则感知该声音的定位对应于第一个扬声器位置。

在多声源定位方面，一种称为“第一波前定律”的效应值得关注。如果带滴答声地开启左侧扬声器，那么声源将被认为是那个位置，即使左边的扬声器音量后来逐渐变小至声音只从右侧扬声器发出！即使第二个扬声器增加的量级比第一个扬声器高出一些分贝，“第一个波前”效应也会起作用。“第一波前定律”在室内声学中具有重要意义。乐器声的定位是在舞台方向，即使从阳台反射的声音量级高于声源发出来的直达声波量级。然而，如果直达声和反射声之间的时间差超过了一个临界值(对于语音和音乐来说，接近50ms)，那么回声可能会被感知到，这对于时间差大于100ms来说是非常恼人的。

参考：

[1]Hugo Fastl，Eberhard Zwicker，Psychoacoustics：Facts and Models，Springer，2006

[2]David M. Howard，Jamie A. S. Angus.Acoustics and Psychoacoustics (Fifth Edition), Routledge Press, 2017

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