我们如何定位声音？如何重现真实的声学体验？

B&K声学与振动 2023年6月14日浏览：2634 收藏：1

作者：Matthias Scholz

用户界面设计师、应用声学博士

我们的听觉系统的显著能力之一是可以 确定声源的位置 。

这在生活中的许多情况下都是至关重要的，例如交通的安全导航。但 声音的空间属性 对于在游戏和家庭影院配置中实现真实的声学环境也很重要。

我们如何定位声音？

我们的听力使用的第一个线索是 双耳时间差 （图1a）。来自我们正前方或正后方的声音会同时到达双耳。如果信号源向左或向右移动，我们的听觉系统会识别出来自同一信号源的声音分别到达双耳，但是会有一定的延迟，或者从另一个角度看，两只耳朵接收到同一个信号的不同相位。

两耳时差图1a：当声音来自前方，双耳时间差为零（左）。当声音来自侧面，头的尺寸约为20厘米，声速为340米/秒，最大时差为0.58毫秒（右）

在低频下可以最佳地破译相位差。在较高的频率下，与头部的尺寸相比，波长可能太短，以至于信号模式自身重复，两只耳朵可能碰巧接收到相同的相位（图1b）。

两耳相位差图1b：通常耳朵会感测到相位差（左），根据频率和入射角度，它们可以检测到虚假相位匹配（右）。

幸运的是，听觉系统可以借助另一个线索：当声音从侧面到达时，我们的 头部会产生声影区 ，并随频率上升而扩大。

在非常低的频率下，我们头部的尺寸与空气中的声音的波长相比是小的。因此，无论声音从哪个方向到达，左耳和右耳的声压基本相同。

然而，随着频率的增加，波长减小，此时我们的头部尺寸不能再被忽略了。它成为屏蔽和反射声音的障碍物，使得与面向声源的耳朵相比，当其到达头部另一侧的耳朵时，较高频率的成分将被衰减。

我们的耳廓的形状还可提供丰富的频谱（依赖于频率）线索。像头部的声影区一样，耳廓起到一个屏蔽层的作用，使不是从前面直接进入的较高频率的声音衰减。你可以通过转离再转向一个声源来体验这一点。这样做的时候，你应该能感受到高频率的微小变化，而这种变化你通常是不会注意到的。

另外，根据频率和入射方向，声音在耳廓内反射到耳道时， 耳廓的形状 会影响声音，从而增强某些频率并衰减其他频率。

双耳声记录和重放

一般来说，要获得正确的空间声学体验，我们需要两只耳朵（双耳），因为左耳和右耳之间的对比给出了关于声源位置的最有力线索。中正面上的声源是最难定位，因为在中正面上几乎没有耳间差异。

然而，我们的方向感多数是建立在经验之上的，这与我们自己的生理（我们的头、耳廓和耳道的大小和形状）有关。随着时间的推移，我们的听觉系统建立了一个 参考数据库 ，例如注意到来自后面的声音听起来稍显沉闷。因此，为了创造令人信服的空间体验，并感知声源的确切位置，声音的再现必须提供我们的听觉系统所习惯的所有信息。

目前主流的 双耳声记录与重放 是采用人头与躯干模拟器（Head and Torso Simulator, HATS）采集声音，再用耳机播放出来，这种方式能够真实地模拟人与声场环境的相互影响，广泛应用于声品质主观评价，这属于 静态的双耳声重放 。

随着 “元宇宙” 时代的到来，我们在AR/VR场景中希望更加身临其境的感受双耳声音，比如，头部可以任意转动，听到不同方向的声音。或者同样的音频信号，在不同的虚拟或现实环境中会有怎样的表现，等等，这属于 动态的双耳声重放 。

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