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(biāo) 

     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(jī)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I(lǐng)TD為0.673ms(聲速c=344m/s)。假設(shè)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(yùn)用其他機(jī)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)的相位差。雙耳位于頭部的兩側(cè)，當(dāng)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(yīng)的相位差為180°或π。因此，相位移動不能超過180°或π。當(dāng)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(yīng)的頻率上限為743Hz。 另一種聲源定位方法是利用雙耳強(qiáng)度差，它是由距聲源遠(yuǎn)近及頭部遮蔽效應(yīng)產(chǎn)生的，遮蔽效應(yīng)如圖3所示。當(dāng)聲源位于頭部中垂面時，到達(dá)雙耳的聲音強(qiáng)度是相同的，但是當(dāng)聲源偏離中垂面時，一只耳朵的聲音強(qiáng)度變小，另一只耳朵的聲音強(qiáng)度變大。頭部的遮蔽效應(yīng)難以計算得到，實驗表明，雙耳的強(qiáng)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(yīng)因頻率而異  圖4 雙耳強(qiáng)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(zhǔn)。當(dāng)尺寸小于這個基準(zhǔn)時，散射是全方位的；當(dāng)尺寸大于這個基準(zhǔn)時，散射的方向性變強(qiáng)。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(dāng)?shù)陀谶@個最小頻率時，聲級差（強(qiáng)度差）對聲源的定位作用不大。按這個假設(shè)，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(qiáng)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(dá)左、右耳的時間和強(qiáng)度均相同，不存在差異，因此，無法通過雙耳時間差和強(qiáng)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(jī)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?，耳廓的反射存在一定的延時，雖然延時量很小，但卻非常有效，與直接進(jìn)入外耳道聲波產(chǎn)生干涉。由于聲音到達(dá)的方向不同，反射聲與直達(dá)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(dá)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(qiáng)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(rèn)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(rèn)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(yīng)，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(yīng)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(yáng)聲器，每個揚(yáng)聲器與正前方的夾角約為30°。如果兩個揚(yáng)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(rèn)為來自兩個揚(yáng)聲器中間的某個位置。如果右邊揚(yáng)聲器的聲壓級比左邊揚(yáng)聲器的聲壓級高30dB，則認(rèn)為聲音是從右邊揚(yáng)聲器傳來的。同樣，感知到的聲源定位是由揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音之間的時間差決定的。如果一個揚(yáng)聲器發(fā)出的低頻聲音比另一個揚(yáng)聲器發(fā)出的低頻聲音早1ms，則感知該聲音的定位對應(yīng)于第一個揚(yáng)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(yīng)值得關(guān)注。如果帶滴答聲地開啟左側(cè)揚(yáng)聲器，那么聲源將被認(rèn)為是那個位置，即使左邊的揚(yáng)聲器音量后來逐漸變小至聲音只從右側(cè)揚(yáng)聲器發(fā)出！即使第二個揚(yáng)聲器增加的量級比第一個揚(yáng)聲器高出一些分貝，“第一個波前”效應(yīng)也會起作用?！暗谝徊ㄇ岸伞痹谑覂?nèi)聲學(xué)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(dá)聲波量級。然而，如果直達(dá)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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