3D收听 | 听觉系统的特殊能力——确定声源的位置

BK声学与振动 · 发表于 2018-7-19 16:50

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作者：Matthias Scholz
用户界面设计师
应用声学博士
Brüel & Kjær

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。那么它是如何工作的，要重新创造一个真实的体验需要做什么？

我们如何定位声音？

我们的听力定位声音使用的第一个线索是双耳时差（图1a）。来自我们正前方或正后方的声音会同时到达双耳。但如果信号源向左或向右移动，我们的听觉系统会识别出分别到达双耳的是来自同一信号源的声音，但是左右耳会有一定的延迟，或者从另一个角度看，两只耳朵接收到了同一个信号的不同相位。

两耳时差

图1a：声音来自前方，双耳时差为零（左）。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）

人耳在低频情况下可以很好地解密相位差，但在较高的频率下，与头部的尺寸相比，波长可能太短，以至于信号制式自身重复，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（频率依赖）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。

双耳听力和声音再现

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特征有关，比如我们的头、耳廓和耳道的大小和形状。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。基本上有以下两种方法：

1：双耳录音
可以用靠近耳朵的一对传声器进行双耳录音，或者像通常做法一样，使用人工头并将传声器放在耳道入口处。这样的录音可通过高品质耳机直接播放；也就是说，声音再现为尽可能接近被捕获的同一点上的特性。无需进一步的信号处理（例如串音消除）就通过扬声器播放是不可行的，因为信号将通过房间和听众的头部发送，从而创建完全不同的体验。

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图2：使用扬声器对三维音景的精确再现需要高度吸声的房间，以避免反射

2：传声器阵列
这种方法需用到紧密排列的传声器三维阵列。它记录了一个点的声音，但也包括了关于入射方向的空间信息。借助复杂的算法，可以在收听者四周布置扬声器，再现与其相似的声场。如果听音室吸音能力很好，传到听众的声音未被反射，那效果是最好的。否则，再现的声音力会受房间特性影响（图2）。该技术要求听众留在固定的位置上，或至少待在有限的区域内。然而，体验会感觉很真实；转向不同的扬声器会让你觉得你正面对着实际的声源。

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图3：按特定的角度测量声源的HRTF

头部相关的传递函数
我们可以将这两种技术结合在一起，并通过耳机播放声音。这也需要一些处理，以将阵列记录的数据转换为双耳信号。为了做到这一点，我们需要考虑到听众的头，以及它如何影响从各个方向传来的声音。

该关系可以用头部相关的传递函数（HRTF）说明。单个HRTF描述在某特定点创建的声音将如何被右耳或左耳感知。你可以认为这是你的头和躯干的声学指纹。

为了测量HRTF，可以将扬声器放置在声源位置，并将传声器放在耳朵上（图3）。虽然单个声源或几个声源的HRTF测量较为简单，覆盖所有可能的角度需要大量的HRTF，每个耳朵一组（图4），但这样做的效果还是不错的。

与听直接的双耳录音相比，使用通过阵列记录并通过HRTF进行处理的信号的优点是播放装置可以利用传感器来拾取头部的方向并相应地修正处理过程。例如，当你把头转向左边时，原来在你前方的一个声源会出现在你的右边，反之亦然。这样就可以像扬声器的设置那样具有类似的“存在”感，但并不限制必须在特殊的房间内，因为声音直接从耳机进入耳朵。