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如何定位聲音？如何重現(xiàn)真實(shí)的聲學(xué)體驗(yàn)？
2024-09-10
我們的聽覺系統(tǒng)的顯著能力之一是可以確定聲源的位置。
這在生活中的許多情況下都是至關(guān)重要的，例如交通的安全導(dǎo)航。但聲音的空間屬性對于在游戲和家庭影院配置中實(shí)現(xiàn)真實(shí)的聲學(xué)環(huán)境也很重要。
一、我們?nèi)绾味ㄎ宦曇簦?/strong>
我們的聽力使用的第一個(gè)線索是雙耳時(shí)間差（圖1a）。來自我們正前方或正后方的聲音會(huì)同時(shí)到達(dá)雙耳。如果信號源向左或向右移動(dòng)，我們的聽覺系統(tǒng)會(huì)識別出來自同一信號源的聲音分別到達(dá)雙耳，但是會(huì)有一定的延遲，或者從另一個(gè)角度看，兩只耳朵接收到同一個(gè)信號的不同相位。
兩耳時(shí)差 圖1a：當(dāng)聲音來自前方，雙耳時(shí)間差為零（左）。當(dāng)聲音來自側(cè)面，頭的尺寸約為20厘米，聲速為340米/秒，最大時(shí)差為0.58毫秒（右）
在低頻下可以最佳地破譯相位差。在較高的頻率下，與頭部的尺寸相比，波長可能太短，以至于信號模式自身重復(fù)，兩只耳朵可能碰巧接收到相同的相位（圖1b）。
兩耳相位差 圖1b：通常耳朵會(huì)感測到相位差（左），根據(jù)頻率和入射角度，它們可以檢測到虛假相位匹配（右）。
幸運(yùn)的是，聽覺系統(tǒng)可以借助另一個(gè)線索：當(dāng)聲音從側(cè)面到達(dá)時(shí)，我們的頭部會(huì)產(chǎn)生聲影區(qū)，并隨頻率上升而擴(kuò)大。
在非常低的頻率下，我們頭部的尺寸與空氣中的聲音的波長相比是小的。因此，無論聲音從哪個(gè)方向到達(dá)，左耳和右耳的聲壓基本相同。
然而，隨著頻率的增加，波長減小，此時(shí)我們的頭部尺寸不能再被忽略了。它成為屏蔽和反射聲音的障礙物，使得與面向聲源的耳朵相比，當(dāng)其到達(dá)頭部另一側(cè)的耳朵時(shí)，較高頻率的成分將被衰減。
我們的耳廓的形狀還可提供豐富的頻譜（依賴于頻率）線索。像頭部的聲影區(qū)一樣，耳廓起到一個(gè)屏蔽層的作用，使不是從前面直接進(jìn)入的較高頻率的聲音衰減。你可以通過轉(zhuǎn)離再轉(zhuǎn)向一個(gè)聲源來體驗(yàn)這一點(diǎn)。這樣做的時(shí)候，你應(yīng)該能感受到高頻率的微小變化，而這種變化你通常是不會(huì)注意到的。
另外，根據(jù)頻率和入射方向，聲音在耳廓內(nèi)反射到耳道時(shí)，耳廓的形狀會(huì)影響聲音，從而增強(qiáng)某些頻率并衰減其他頻率。
二、雙耳聲記錄和重放
一般來說，要獲得正確的空間聲學(xué)體驗(yàn)，我們需要兩只耳朵（雙耳），因?yàn)樽蠖陀叶g的對比給出了關(guān)于聲源位置的最有力線索。中正面上的聲源是最難定位，因?yàn)樵谥姓嫔蠋缀鯖]有耳間差異。
然而，我們的方向感多數(shù)是建立在經(jīng)驗(yàn)之上的，這與我們自己的生理（我們的頭、耳廓和耳道的大小和形狀）有關(guān)。隨著時(shí)間的推移，我們的聽覺系統(tǒng)建立了一個(gè)參考數(shù)據(jù)庫，例如注意到來自后面的聲音聽起來稍顯沉悶。因此，為了創(chuàng)造令人信服的空間體驗(yàn)，并感知聲源的確切位置，聲音的再現(xiàn)必須提供我們的聽覺系統(tǒng)所習(xí)慣的所有信息。
目前主流的雙耳聲記錄與重放是采用人頭與軀干模擬器（Head and Torso Simulator, HATS）采集聲音，再用耳機(jī)播放出來，這種方式能夠真實(shí)地模擬人與聲場環(huán)境的相互影響，廣泛應(yīng)用于聲品質(zhì)主觀評價(jià)，這屬于靜態(tài)的雙耳聲重放。
隨著“元宇宙”時(shí)代的到來，我們在AR/VR場景中希望更加身臨其境的感受雙耳聲音，比如，頭部可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)，聽到不同方向的聲音。或者同樣的音頻信號，在不同的虛擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境中會(huì)有怎樣的表現(xiàn)，等等，這屬于動(dòng)態(tài)的雙耳聲重放。
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