你的雙耳是如何辨識聲源方位的？

 原創(chuàng) 譚祥軍 模態(tài)空間2022年12月04日 21:00    2人 星標 

     人置于聲場中時，雙耳可以判斷聲源的方位，即使我們閉上雙眼，也能做到這一點，但如果僅使用一只耳朵，很難判斷出聲源的方位。這說明，聽力系統(tǒng)可以處理傳播到每只耳朵的聲波，并把它們關(guān)聯(lián)起來，從而判斷出聲源的方位。聲源的位置可能位于頭部的正前方、正后方、左側(cè)或右側(cè)等位置，據(jù)此，我們可以把聲源的位置分兩種情況，一種情況是位于人體對稱的中垂面，這個位置的聲源距左右耳的距離相同。另一種情況是中垂面之外的位置，在這稱為水平面，如圖1所示。因此，接下面將討論雙耳對這兩個平面處的聲源的方位識別機理。

    為18cm(雙耳的間距)，則按上式可以計算出最大的雙耳時間差ITD為0.673ms(聲速c=344m/s)。假設聲源位于右側(cè)的入射角為正值，那么，入射角取值為[-π/2, π/2],雙耳時間差取值為[-0.673, 0.673]ms。這個延遲時間雖然非常短，但它的變化卻能決定低頻聲源的方位。但是如果聲源以相同的角度在前、后方入射產(chǎn)生的雙耳時間差是一樣的，這時，僅使用雙耳時間差是不足以判斷聲源方位的。換句話說，在這種情況下，聽力系統(tǒng)還需要運用其他機理和方法來判斷聲源的方位。 利用雙耳時間差來判斷聲源方位，還有一個最小可察覺的時間差。依據(jù)文獻1的理論，聲源定位的剛剛可察覺差異，即聲源方向剛剛可察覺的變化，是產(chǎn)生一個剛剛可察覺的方向感知所必需的，這個變化大概是與正面入射差5°，相應的時間延遲約為50μs。這個值可以被假定為頻率低于1.5kHz時剛剛可察覺的雙耳時間延遲。 另一方面，聽力系統(tǒng)利用雙耳時間差判斷聲源的方位時，對聲源的頻率是有限的，這是因為聽力系統(tǒng)是通過雙耳時間差來判斷聲波的相位移動  （相位差）從而定位聲源方位的。由于相位差Φ=2πft，而t=ITD，因此，將之前的雙耳時間差計算公式代入即可得到相應的相位差。雙耳位于頭部的兩側(cè)，當聲源分別位于頭部兩側(cè)的直徑時（如一個在左側(cè)，一個在右側(cè)），兩種位置的聲波相位移動是相同的，這時對應的相位差為180°或π。因此，相位移動不能超過180°或π。當聲源位于一個確定的入射角位置時，其雙耳時間差也是確定的，此時，可以確定這個入射角位置的聲源頻率上限。入射角越小（越靠近中垂面位置），聲源的頻率上限越高；入射角越大，聲源的頻率上限越低。如最大90°入射角，對應的頻率上限為743Hz。 另一種聲源定位方法是利用雙耳強度差，它是由距聲源遠近及頭部遮蔽效應產(chǎn)生的，遮蔽效應如圖3所示。當聲源位于頭部中垂面時，到達雙耳的聲音強度是相同的，但是當聲源偏離中垂面時，一只耳朵的聲音強度變小，另一只耳朵的聲音強度變大。頭部的遮蔽效應難以計算得到，實驗表明，雙耳的強度比隨聲源的入射角以正弦方式在0~20dB之間變化，變化的范圍與頻率相關(guān)，如圖4所示。  

 圖3 頭部的遮蔽效應因頻率而異  圖4 雙耳強度差隨入射角和頻率變化的特性 根據(jù)聲波的散射理論  ，通常以障礙物的尺寸為波長的2/3作為衡量散射的基準。當尺寸小于這個基準時，散射是全方位的；當尺寸大于這個基準時，散射的方向性變強。據(jù)此理論，可以確定物體尺寸為波長的某一倍數(shù)時，才開始發(fā)生散射，如為波長的1/3時。那么，存在一個最小頻率，當?shù)陀谶@個最小頻率時，聲級差（強度差）對聲源的定位作用不大。按這個假設，仍為頭部直徑為18cm，據(jù)此，可以得到最小的頻率為637Hz。 因此，對于來自水平面的聲波，雙耳時間差主要對低頻聲音的定位起作用；雙耳強度差主要對高頻聲音起定位作用。 02 — 聲源位于中垂面上     中垂面是人體的對稱平面，位于中垂面上的聲源的聲波到達左、右耳的時間和強度均相同，不存在差異，因此，無法通過雙耳時間差和強度差來判斷聲源來自中垂面的前方還是后方，以及聲源的高度問題。 事實上，有兩種機制可解決這個問題。第一種是利用外耳對聲波的作用來定位聲源的角度和方向。這是由于輻射到耳廓的聲波經(jīng)過反射傳輸?shù)酵舛溃姆瓷浯嬖谝欢ǖ难訒r，雖然延時量很小，但卻非常有效，與直接進入外耳道聲波產(chǎn)生干涉。由于聲音到達的方向不同，反射聲與直達聲的時間差會發(fā)生變化，因此形成一種與聲源方向相關(guān)的頻譜特性，聽覺系統(tǒng)據(jù)此判斷聲音的空間方位。由于反射聲與直達聲的時間差非常小，因此，這種定位方法主要適用于高頻信號，即高于5kHz的頻率范圍。 第二種方法是轉(zhuǎn)動頭部，頭部轉(zhuǎn)動會形成雙耳時間差和強度差，從而可以判斷聲源的方位。 對于位于中垂面的窄帶聲源，有一個非常有趣的現(xiàn)象：特定頻率的聲音只會被定位于特定位置，不受聲源位置的影響，這個效果可以用圖5來說明。我們會認為聲音來自一個特定的方向，而不受聲源位置的影響。如果聲源是中心頻率為300Hz或3kHz的窄帶聲音，則聲源總是被認為在聽音主體正前方。以8kHz為中心的窄帶聲音被感知為來自聽音主體頭頂上方位置，即使聲源位于聽音主體正前方。以1kHz或10kHz為中心的窄帶聲音被感知為來自聽音主體頭部后方，同樣，不管聲源的實際位置在哪。這是一個令人詫異的效應，Blauert將其歸因于聽力系統(tǒng)的頻率特性，并稱之為“確定頻帶”。  圖5 不論聲源位置在哪，被定位為在中垂面特定位置的窄帶聲音

03 — 多聲源定位    

       以上情況只考慮了一個聲源的定位。然而，在實際應用中，如通過立體聲音響系統(tǒng)播放音樂，多聲音源的定位也經(jīng)常出現(xiàn)。在對傳統(tǒng)的立體聲音響布置中，聽音主體面對兩個放在前面的揚聲器，每個揚聲器與正前方的夾角約為30°。如果兩個揚聲器同時輻射相同的聲壓級，就會發(fā)生疊加定位，聲音被認為來自兩個揚聲器中間的某個位置。如果右邊揚聲器的聲壓級比左邊揚聲器的聲壓級高30dB，則認為聲音是從右邊揚聲器傳來的。同樣，感知到的聲源定位是由揚聲器發(fā)出的聲音之間的時間差決定的。如果一個揚聲器發(fā)出的低頻聲音比另一個揚聲器發(fā)出的低頻聲音早1ms，則感知該聲音的定位對應于第一個揚聲器位置。 在多聲源定位方面，一種稱為“第一波前定律”的效應值得關(guān)注。如果帶滴答聲地開啟左側(cè)揚聲器，那么聲源將被認為是那個位置，即使左邊的揚聲器音量后來逐漸變小至聲音只從右側(cè)揚聲器發(fā)出！即使第二個揚聲器增加的量級比第一個揚聲器高出一些分貝，“第一個波前”效應也會起作用。“第一波前定律”在室內(nèi)聲學中具有重要意義。樂器聲的定位是在舞臺方向，即使從陽臺反射的聲音量級高于聲源發(fā)出來的直達聲波量級。然而，如果直達聲和反射聲之間的時間差超過了一個臨界值(對于語音和音樂來說，接近50ms)，那么回聲可能會被感知到，這對于時間差大于100ms來說是非常惱人的。 

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