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人耳對聲音方向感的作用
更新時間:2021-6-10 14:19:34 編輯:溫情 音響網 調整文字大小:【

人們常說的聽聲辨位就是人們在聽到聲音以后,能辨別出聲音是從哪個方向傳播過來的,而聲音在不同環境下傳播的又不一樣,這就是人耳對聲音方向感的作用。

聲源方位感,是聽覺器官對聲音的音高、音強、音色、音長感覺之外的又一個感覺要素,它涉及到復雜的生理學心理學方面的問題。同時,聲源方位感也是立體聲技術的理論依據。

一、時間差、相位差與聲級差、音色差

雙耳效應借以定位的原理是時間差、相位差、聲級差、聲色差。

1. 時間差和相位差

時間差主要是指聲音剛到雙耳瞬間的先后差異。聲波在常溫下傳播的速度為344m/s,當聲源偏離聽音人正前方中軸線時,耳A與耳B同聲源之間的距離有差別,從而出現聲音到達耳A與耳B之間的時間差。

時間差作為聲源定位機理,對正面和兩側的聲源定位準確性較高,對來自后面的聲源定位則誤差較大,其原因尚不十分清楚。可能因為聲音來自背側,會因為左耳或右耳產生耳殼遮蔽效應,使得聲音因衍射而時差有變化。

因為人耳對聲音有適應性,當聲音到達基底膜的剎那間,毛細胞表現興奮而靈敏。當聲音持續刺激,毛細胞的反應相對地遲鈍。因此,突發聲和瞬態聲的聲源定位準確性較高。

一個迅速流動的聲源,會吸引聽覺的注意。因此,方位不斷變化的聲音,人耳對其方位辨認的誤差較小,這就是近代立體聲節目出現聲移位的原因。一個連續的聲音,雖然到達雙耳也存在時間差,但是因為達到同一只耳朵的后續聲掩蓋了前面的聲音,使時間差變得不明顯。

高頻聲與低頻聲傳播速度是一致的,所以時間差同聲源的頻率無關,但相位差同聲源的頻率有關。當一個聲音到達雙耳,在兩耳之間出現時間差的同時,亦必然出現相位差。在一定的頻率范圍內,相位差是聲源方位感的信息之一。

相位差定位機理在頻率較低時效果較明顯。例如,在常溫中20Hz聲音的波長是17m,200Hz為1.7m,時間差所形成的相位差人耳能夠感覺出。而在聲源處于高頻區時,例如10kHz的波長85px,20kHz是42.5px,時間差所造成的相位差甚至超過360°,等于開始另一個波長。這時的相位差作為定位信息已無任何作用,因為已無法分辨出相位屬于滯后或超前。因而,高頻聲屬于“混亂的相位差”信息。

2. 聲級差和音色差

聲級差指聲波到達兩耳出現不同的聲強,形成聲級差的主要原因是遮蔽效應。前進中的聲波如遇到幾何尺寸等于或大于聲波長的障礙物,會發生遮蔽效應。其原理是:高頻聲在傳播遇到障礙物時,因無法越過障礙物,在障礙物后面形成聲陰影區;低頻聲波長大于障礙物而在障礙物后面形成聲衍射區。對聲級差起重要作用的是高頻聲,因為高頻聲波不能繞過聽者頭部,所以處于聲陰影區的那只耳朵比能夠聽到直達聲的那只耳朵,聲強級產生差異。頻率愈高,聲源偏離正面中軸線愈大,聲級差就愈明顯。

從衍射效應的角度看,低頻聲當然也會形成聲級差。但是由于頭部直徑為500px左右,低頻聲發生衍射時,多走的路程有限,因衍射而損失的能量很小,因而偏離中軸線的低頻聲,到達兩耳的聲級差幾近于零,對聲源定位作用不明顯。

遮蔽效應對音級差產生作用的同時,亦必然對音色差發生作用。我們知道,構成音色的主要成分是基礎音及其上方各次諧波的分量。舉例說,一個基頻為200Hz,入射角為45°的復合波點聲源,那么,它的基礎音和低次諧波遇到頭部障礙后產生衍射效應,其高次諧波則被頭部遮蔽而出現高頻聲陰影區。這時,到達一側耳朵的聲音為直達聲(原音色),到達另一側耳朵的聲音因為高頻損失而使音色發生變化,大腦皮質根據兩耳的音色差來辨認聲源方位。由此可見,音色差是高頻信號聲級差的另一種反映。

應該指出,音色差的形成主要是那些基頻在60Hz以上的復合音聲源。因為60Hz以下的聲音高次諧波波長較大,遇到頭部尺寸(直徑約500px)的障礙并不產生遮蔽效應。例如基頻為30Hz的聲音,其16次諧波為480Hz,波長為0.716m,波長比頭部直徑大許多,雙耳之間不會形成明顯的音色差,其17、18、19次諧波,強度很弱,對音色構成意義不大。因此,60Hz以下的聲音比中頻、高頻聲的聲源方位感準確率要低。

從強度差和音色差對雙耳效應作用中,可以推想,純音比復合音難以定位,原因在于純音是正弦波(單個波),不能構造音色差。

3. 聲源深度感

聲源深度感是聽音人與聲源之間的距離,所以聲源深度感又稱聲源距離定位。

聲源深度感常常同某個數字模式相聯系。當我們聽到一個聲音時,我們除了感覺到這個聲音發生的大致方位外,還會感覺到這個聲音發生的大致距離。若要精確地感覺到聲源的深度,則要熟悉聲場環境,熟悉聲源音色或者直接借助視覺去測量聲源與自己的距離。由此說明,聲源深度感是后天形成的,可訓練的。

深度定位主要通過聲波衰減的程度來判定。聲波在輻射過程中,能量隨傳播的距離而損耗,首先是高次諧波中振幅較小的先衰減,形成音色變化。人耳聽到聲信號后,同大腦儲存的聲信號作比較,從而判斷這個聲信號聲源的深度。

深度感的另一途徑是聲源比較法。當有數個不同距離的聲源(陣聲源)存在時,人耳可通過靠近的點聲源來推測出其它聲源的深度。多個不同距離和入射角的點聲源所形成的陣聲源,使聽覺產生聲音的寬度感和包圍感。再重復一句話:聲源深度感通常同視覺并聯,靠視覺形成經驗,靠視覺幫助精確定位。

4. 時間差和聲級差的組合

雙耳效應所產生的各種差別,對聲源方位感都可以單獨發生作用。在它們相互結合時,則產生綜合作用。如果它們的作用相反(正常情況下極少發生),就相互抵消。近代立體聲技術的實踐證明,時間差和聲級差的組合,對聲源方位感效果十分明顯。實驗證明,在一定條件下,1ms時間差相當于512dB的聲級差,其關系可互換。

在一個混響時間超過正常聲學要求的大廳里,聲源的反射聲、混響聲級大大超過其直達聲。這時,人耳對聲源的第一波陣面的刺激最為敏感,如果反射聲和混響對于直達聲延時40-60ms,人耳尚可能把握聲源方位。如果延時超過這個范圍,人耳無法分辨原發聲到達雙耳的時間差和聲級差,就會產生分離的方向感,或混亂的方向感。這就是為什么一個回聲很重的大廳里,人們常常不容易把握聲源方位,需要用眼睛定位的緣故。

高頻陰影區示意圖

二、聲源方位感機理

古典心理聲學認為,人對聲源感覺主要依靠雙耳聽音差別,稱為雙耳效應。如同雙眼觀察景物產生透視感、立體感一樣,通過雙耳對聲音強弱差別的感覺,可以判斷聲音來向、產生立體聲感。直到現代,雙耳效應仍是聲源方位感的主要理論根據。但近年來,專家發現單耳喪失聽力的人,仍有聲源方位判斷能力,于是提出了耳殼效應這個新理論,使聲源方位感理論更趨完善。

聲源方位感的機理十分復雜。雙耳效應的原理認為:由于雙耳位置在頭部兩側,假如聲源處于人的正前方的中軸線,則聲音到達雙耳的時間、聲強級和相位是一樣的;假如聲源偏離聽音人正前方的中軸線,則聲音到達兩耳的距離不等。因此,聲音到達兩耳會出現時間差和相位差。同時,因為一側耳朵出現遮蔽效應因而兩耳之間出現聲級差、音色差。

聲源方位感是先天就具備的生理功能,然而聲源方位的寬度、深度及一切與數字相關的感覺,則與一個人后天的經驗有關。

時域掩蔽示意圖

三、耳殼效應

早在一百多年前,就有人發現單耳失聰者,仍有辨認聲源方位的能力,并提出過耳殼效應的設想,但不為人們所重視。直到本世紀六十年代,當立體聲技術得到長足發展之后,人們認識到雙耳效應對某些聲源方位感覺難以解釋,于是耳殼效應才得以被人重新認識。

我們可能都曾做過一些有趣的試驗,比如把耳朵往外拉成兜風耳,這時我們感覺到外界的聲音突然變大變清楚了。如果把耳朵向后按到貼住頭骨,又會發現聲音減弱了。如前所述,耳殼有反射并聚集聲音的功能,同時由于耳殼凹凸不平,因此耳殼不同的部位所產生的反射聲比直達聲稍遲進入耳鼓,形成比直達聲極短延時量的重復聲,重復聲比直達聲的延時量因入射角不同而異。

耳殼效應對判斷來自聽音人背后的聲音也有效。當一個聲音來自背后時,耳殼將阻擋了這個聲音的高頻泛音,這樣,同前方的聲源相比,出現了明顯的音色差。同時,由于耳殼的遮蔽作用,來自背后的聲音將不產生重復音。大腦聽覺區將這些信息同以往掌握的信號相比較,從而得出聲源出自背后定論。

四、單耳效應

單耳效應是指,雙耳效應原理范圍內的單耳聆聽定位功能。毫無疑義,一個雙耳聽力正常的人主要以雙耳聆聽來辨認聲源方位。而一個有趣的事實告訴我們,人們不是平均使用雙耳去聆聽音響,而側重地使用一邊耳朵。

例如,當一個點聲源,出現在聽音人左側偏離中軸線35°的近處時,聽音人聽到聲音并同時測出聲源的大致方向;倘若聽音人被該聲源的音響所吸引,那么便會將頭轉向左方35°使自己的中軸線對準聲源,以便用雙耳(同時使用雙眼)來辨認聲源的準確位置;假如聲源仍未準確測出而吸引力進一步加強時,聽者會將頭部向右轉動用左耳向著聲源方向,并向聲源靠攏,直至找到聲源準確位置為止。這個過程,亦即判斷→校正→尋的三步曲,反映出聽覺定位全身協調機制,同時說明單耳聆聽在定位中的重要意義。

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