耳機裡的聲音爲什麼會有方向感？

模擬真實環境中的聲音定位，這就是虛擬環繞聲技術。

撰文 | Dargon

我們每天生活在充滿聲音的世界裡，不論是城市的喧囂還是大自然的寧靜，聲音都是我們感知世界的重要方式之一。在現代生活中，耳機成爲了我們享受音樂、進行通話甚至是玩遊戲的重要工具。使用耳機時，我們常常會感覺到聲音似乎來自不同的方向，你是否想過這種“方向感”是如何產生的呢？

聲音的傳播過程

首先，我們需要了解聲音的傳播過程。聲音是一種機械波，它通過空氣、水等介質的振動傳遞。聲音的傳播過程包括以下幾個階段：

聲音的產生：

任何能夠引起空氣振動的物體都可以成爲聲音的源頭。當物體振動時，它會產生一系列的壓縮和稀疏區域，這些區域以波的形式向外傳播。

聲音的傳播：

聲波通過介質（如空氣、水或固體）傳播，速度取決於介質的性質。在空氣中，聲音傳播的速度大約是343米每秒。

聲音的接收：

當聲波到達我們耳朵時，它會引起耳膜的振動。這種振動通過一系列的骨骼和液體傳遞到內耳的耳蝸，最終被轉換成神經信號傳遞到大腦。

人類雙耳是如何判斷聲音方向的？

人類能夠判斷聲音方向，主要依賴於兩個耳朵之間接收到的聲音信號的微小差異。具體來說，這包括以下幾個方面：首先是時間差，當聲音從某個方向傳來時，靠近聲源的一側耳朵會先接收到聲音，另一側耳朵則會稍後接收到。這種時間上的微小差異可以幫助我們判斷聲音的水平方向。對於頻率較低的聲音，時間差是判斷方向的主要依據。其次是聲級差，聲級差是指兩隻耳朵聽到聲音能量的大小差別。聲音到達耳朵時，由於頭部的遮擋效應，靠近聲源的一側耳朵接收到的聲音會比另一側耳朵更強。這種強度差異在高頻聲音的定位中尤爲重要，因爲高頻聲音更容易被頭部阻擋。

兩耳接收聲音信號的差異

那麼，當聲音從我們的正前方和正後方發出的時候，到達雙耳的時間差和能量差都是零。也就是說，當聲音到達兩耳的時間差和能量差都是零時，我們無法區分聲音是從正前方來的，還是正後方來的。這時，雙耳是怎麼辨別聲音的前後方向的呢？

聲音到達雙耳的時間差和能量差都是零的情況

這歸因於我們的耳朵並非完全對稱。前面我們瞭解了聲音的傳播過程，由於人耳廓結構的差異，導致正前方和正後方聲源的聲音傳播路徑存在顯著差異：來自正前方的聲音在耳廓的反射作用下，能夠直接進入耳道；而來自正後方的聲音則需繞過耳廓才能進入耳道。這種差異使我們能夠區分聲音的前後來源。耳廓的作用類似於聲音的“加密器”，而我們的大腦通過長期的學習，已經熟練掌握了這種“解密”技巧，從而能夠輕鬆地判斷聲源的前後位置。

耳機的虛擬環繞聲技術

更加科學地講，加密聲音的不僅僅是耳廓，還有身體的其他部位。研究人員用頭部相關傳遞函數（Head-Related Transfer Function, HRTF）來描述聲音從外部空間傳到耳道口的傳遞函數，它包括了頭部、耳廓、肩膀等對聲音的影響。每個人的HRTF都是獨特的，大腦通過學習和記憶這些特徵來判斷聲音的空間位置。

研究HRTF的示意圖

耳機的虛擬環繞聲技術旨在模擬真實環境中的聲音定位，讓用戶在使用耳機時也能感受到聲音的空間感。那麼，它是怎麼實現的呢？

爲了解析不同聲源方向的加密模式，科學家們通過測量或計算得出頭相關函數，並將這些函數彙集成一個數據庫。當我們使用耳機時，聲音繞過了頭部的這一加密過程，直接傳入耳道並被鼓膜接收，導致聲音失去了其原有的方向性。然而，隨着聲音信號處理技術的進步，我們能夠在耳機內集成電子設備來模擬頭部的這一加密過程。如果這些電子設備能夠精確地複製頭相關函數的加密機制，那麼它們處理後的聲音就能被大腦識別出方向，從而“誤導”大腦，讓耳機中的聲音彷彿具有空間定位。

基於這種原理，工程師們研發了一種利用頭相關函數數據庫來實現空間音效的技術。他們使用數字電路來模擬整個頭相關函數數據庫，並對耳機中的聲音進行方向性的加密，使得聲音能夠呈現出特定的空間感。由於這種聲音並非來自真實的物理空間，而是通過信號處理技術虛擬地“加密”生成的，因此被稱爲虛擬環繞聲技術。

耳機中的方向感不僅僅是技術的奇蹟，更是對人類聽覺系統複雜性的致敬。通過深入瞭解聲音的傳播過程和人類雙耳如何判斷聲音方向，我們可以更好地理解虛擬環繞聲技術的原理和應用。在未來，隨着技術的不斷創新和發展，耳機將爲我們帶來更加豐富和沉浸的音頻體驗。無論是音樂、遊戲還是電影，虛擬環繞聲技術都將不斷提升我們的聽覺享受，使聲音的世界更加精彩。

參考文獻

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本文經授權轉載自微信公衆號“力學科普”。

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