耳機(jī)里的聲音，為啥會(huì)有方向感？

戴上耳機(jī)的時(shí)候，我們經(jīng)常能感受到聲音有明顯區(qū)別地從前后左右傳進(jìn)我們的耳朵里，從而給我們帶來更好的聽覺體驗(yàn)。你知道是怎么做到的嗎？

大家都知道，我們可以憑借一只耳朵來感受聲音的響度、音調(diào)和音色。但是，如果想辨別出聲音的方向，就要依靠兩只耳朵了。原因在于兩只耳朵才可以聽出時(shí)間差和聲級(jí)差。時(shí)間差是指聲音抵達(dá)兩只耳朵時(shí)間的前后差別，聲級(jí)差則是兩只耳朵聽到聲音能量的大小差別。例如，聲源在我們的右邊時(shí)，我們的右耳會(huì)先聽到聲音，之后聲音才會(huì)到達(dá)左耳。

圖片來源：Google I/O

從正前方和正后方過來的聲音，同時(shí)到達(dá)雙耳，聲能量一樣，所以僅僅靠時(shí)間差和聲級(jí)差兩個(gè)信息，我們無法判斷聲音來自正前方還是正后方。

那么，問題又來了，雙耳怎么辨別聲音的前后方向？事實(shí)上，聲音從發(fā)出到被我們的耳朵聽到，經(jīng)歷了三個(gè)過程——傳播過程、生理過程和心理過程。由于生理過程和心理過程幾乎不可操控，在這里我們僅僅關(guān)注傳播過程。

傳播過程也稱為物理過程，是指聲源發(fā)出的聲波經(jīng)由介質(zhì)到達(dá)耳廓，再通過耳道傳遞到鼓膜并引起其振動(dòng)的過程。這是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，人耳廓構(gòu)造的不同會(huì)使聲波經(jīng)由耳廓影響后形成的波形不盡相同。

顯然，正前方聲源的傳播過程和正后方聲源的傳播過程是不一樣的！因?yàn)槲覀兊亩洳⒉皇乔昂髮?duì)稱的。來自正前方的聲音經(jīng)過耳廓反射，可以直接進(jìn)入耳道；而正后方的聲音則需要繞過耳廓才能進(jìn)入耳道。也正是由于這種不同，我們才可以分辨出聲音來源的前后。

圖片來源：Google I/O

耳廓相當(dāng)于一個(gè)給聲音進(jìn)行“加密”的設(shè)備，而我們的大腦經(jīng)過長時(shí)間的學(xué)習(xí)，已經(jīng)完全掌握了這門“解密技術(shù)”，因此，可以輕而易舉地聽出聲源的前后方位。

更加科學(xué)地講，加密聲音的不僅僅是耳廓，還有頭部輪廓和肩膀等身體部位。由于這一系列的影響都與頭部有關(guān)，因此這種加密方法也被研究人員稱為：頭相關(guān)函數(shù)。

頭相關(guān)函數(shù)可以理解成我們頭部對(duì)于聲音的加密方法，這種加密是針對(duì)不同方位的。也正因?yàn)轭^部對(duì)于各個(gè)方向上的聲音加密方式不一樣，我們的大腦才可以解密出聲音的方向。

為了解密不同聲源方位的加密方式，研究人員可以通過測量或者計(jì)算得到不同方向的頭相關(guān)函數(shù)，然后組成一個(gè)數(shù)據(jù)庫。

圖片來源：Veer圖庫

我們戴上耳機(jī)之后，聲音便直接經(jīng)由耳道，被鼓膜接收了。失去了頭部加密的過程，耳機(jī)內(nèi)的聲音聽起來也就沒有了方向感。

但是，隨著聲信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，我們可以通過在耳機(jī)內(nèi)部置入電子設(shè)備，來模擬頭部的加密過程。如果我們的電子設(shè)備與頭相關(guān)函數(shù)的加密方法一致，那么經(jīng)過電子設(shè)備加密之后的聲音就可以被大腦解密出方位信息，成功地“欺騙”大腦。

正是基于這樣的思路，工程師們開發(fā)了基于頭相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)庫的空間音頻方法。他們用數(shù)字電路來模擬整個(gè)的頭相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)庫，然后對(duì)耳機(jī)內(nèi)的聲音進(jìn)行特定方向上的加密，這樣，就能夠讓耳機(jī)內(nèi)的聲音聽起來具有特定的方向感。

出品：中國科普博覽

作者：王泰輝 中科院聲學(xué)所中科院噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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