耳机里的声音，为啥会有方向感？
戴上耳机的时候，我们经常能感受到声音有明显区别地从前后左右传进我们的耳朵里，从而给我们带来更好的听觉体验。你知道是怎么做到的吗？ 大家都知道，我们可以凭借一只耳朵来感受声音的响度、音调和音色。但是，如果想辨别出声音的方向，就要依靠两只耳朵了。原因在于两只耳朵才可以听出时间差和声级差。时间差是指声音抵达两只耳朵时间的前后差别，声级差则是两只耳朵听到声音能量的大小差别。例如，声源在我们的右边时，我们的右耳会先听到声音，之后声音才会到达左耳。https://www.tfkjy.cn/scskx/image/20230620/5e49d9202741b754c178ac862791ae5b.png 图片来源：Google I/O 从正前方和正后方过来的声音，同时到达双耳，声能量一样，所以仅仅靠时间差和声级差两个信息，我们无法判断声音来自正前方还是正后方。 那么，问题又来了，双耳怎么辨别声音的前后方向？事实上，声音从发出到被我们的耳朵听到，经历了三个过程——传播过程、生理过程和心理过程。由于生理过程和心理过程几乎不可操控，在这里我们仅仅关注传播过程。 传播过程也称为物理过程，是指声源发出的声波经由介质到达耳廓，再通过耳道传递到鼓膜并引起其振动的过程。这是一个极其复杂的过程，人耳廓构造的不同会使声波经由耳廓影响后形成的波形不尽相同。 显然，正前方声源的传播过程和正后方声源的传播过程是不一样的！因为我们的耳朵并不是前后对称的。来自正前方的声音经过耳廓反射，可以直接进入耳道；而正后方的声音则需要绕过耳廓才能进入耳道。也正是由于这种不同，我们才可以分辨出声音来源的前后。 耳廓相当于一个给声音进行“加密”的设备，而我们的大脑经过长时间的学习，已经完全掌握了这门“解密技术”，因此，可以轻而易举地听出声源的前后方位。 更加科学地讲，加密声音的不仅仅是耳廓，还有头部轮廓和肩膀等身体部位。由于这一系列的影响都与头部有关，因此这种加密方法也被研究人员称为：头相关函数。 头相关函数可以理解成我们头部对于声音的加密方法，这种加密是针对不同方位的。也正因为头部对于各个方向上的声音加密方式不一样，我们的大脑才可以解密出声音的方向。 为了解密不同声源方位的加密方式，研究人员可以通过测量或者计算得到不同方向的头相关函数，然后组成一个数据库。 我们戴上耳机之后，声音便直接经由耳道，被鼓膜接收了。失去了头部加密的过程，耳机内的声音听起来也就没有了方向感。 但是，随着声信号处理技术的发展，我们可以通过在耳机内部置入电子设备，来模拟头部的加密过程。如果我们的电子设备与头相关函数的加密方法一致，那么经过电子设备加密之后的声音就可以被大脑解密出方位信息，成功地“欺骗”大脑。 正是基于这样的思路，工程师们开发了基于头相关函数数据库的空间音频方法。他们用数字电路来模拟整个的头相关函数数据库，然后对耳机内的声音进行特定方向上的加密，这样，就能够让耳机内的声音听起来具有特定的方向感。 出品：中国科普博览 作者：王泰辉 中科院声学所中科院噪声与振动重点实验室平台科普内容仅限用于科普公益传播，版权归原作者所有。如有侵权请联系我们，我们将在24小时内下架处理。来源：科普中国
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