聽音的立體感是如何形成的?
2018-04-23
一、立體聲的概念
立體是一種幾何概念，是指在三維空間中占有位置的事物。那么聲音也是立體的嗎？從類比上來說，回答可以是肯定的。因為聲源有確鑿的空間位置，聲音有確鑿的方位來源，人們的聽覺有辨別聲源方位的能力，尤其是當有多個聲源同時發(fā)聲時，人們可以憑聽覺感知聲群在空間的分布狀況，因此可以說聲音是“立體”的。不過，更妥當?shù)恼f法應該是：“原發(fā)聲是立體的?！币驗楫斅曇艚?jīng)過記錄、放大等處理過程而后重放時，所有的聲音都可能從一個揚聲器中放出來，這種重放聲就不是立體的了。這時由于各種聲音都從同一個揚聲器中發(fā)出，原來的空間感——特別是聲群的空間分布感，也就消失了。這種重放聲叫做“單聲 (Mono)，如果重放系統(tǒng)能夠在一定程度上恢復原發(fā)聲的空間感，那么這種重放聲就叫“立體聲”(Stereo)。由于原發(fā)聲不言而喻是“立體”的，所以，立體聲一詞特指那種有某種空間感（或方位感）的重放聲。
二、雙耳效應
為了在重放聲中恢復空間感，首先要了解人類的聽覺系統(tǒng)為什么有辨別聲源方位的能力。研究發(fā)現(xiàn)，這主要是因為人們有兩只耳朵而不僅僅是一只耳朵的緣故。
耳朵生長在頭顱的兩側，它們不僅在空間上有距離，而且受頭顱阻隔，因此兩耳接收到的聲音可能會有種種差異。正是主要根據(jù)這些差異，使人們得以區(qū)分聲源在空間的位置。這些差異主要有如下幾種：
1. 聲音到達兩耳的時間差
由于左右兩耳之間有一定距離，因此除了正前方和正后方來的聲音之外，由其他方向來的聲音到達兩耳的時間就有先后，從而造成時差。如果聲源偏右，則聲音必先到達右耳而后左耳；反之，則必先到達左耳而后右耳。聲源越是偏向一側，則時差也越大。
實驗證明，如果人為地造成兩耳聽音的時差，就可以產(chǎn)生聲源偏向的幻覺。當時差到達0.6ms左右時，就感到聲音完全來自某一側了。
2. 聲音到達兩耳的聲級差
兩耳相距雖然不遠，但由于頭顱對聲音的阻隔作用，聲音到達兩耳的聲級就可能不同?？拷曉匆粋鹊穆暭壿^大，而另外一側較小。實驗證明，最大聲級差可達25dB左右。
3. 聲音到達兩耳的相位差
大家知道聲音以波的形式傳播，而聲波在空間不同位置上的相位是不同的（除非剛好相距一個波長）。由于兩耳在空間上有距離，所以聲波到達兩耳時的相位就可能有差別。耳朵內(nèi)的鼓膜是隨聲波而振動的，這個振動的相位差也就成為我們判斷聲源方位的一個因素。
相位差引起瞬時聲壓差
實驗證明，即使聲音到達兩耳時的聲級、時間都相同，只改變其相位，我們也會感到聲源方位有很大差異。
4. 聲音到達兩耳時的音色差
聲波如果從右側的某個方向上來，則要繞過頭部的某些部分才能到達左耳。已知波的繞射能力同波長與障礙物尺度之間的比例有關，人頭的直徑約為20cm，相當于1700Hz聲波在空氣中的波長，所以人頭對千余赫茲以上的聲音分量有掩蔽作用。也就是說，同一個聲音中的各個分量繞過頭部的能力各不相同，頻率越高的分量衰減越大。于是左耳聽到的音色同右耳聽到的音色就有差異。只要聲音不是從正方向上來，兩耳聽到的音色就會不同，從而成為人們判別聲源方位的一種依據(jù)。
5. 直達聲和反射聲群所產(chǎn)生的差別
由聲源發(fā)出來的聲音，除直接到達我們雙耳的直達聲之外，還會經(jīng)周圍障礙物一次或多次反射而形成反射聲群，陸續(xù)到達人們的雙耳。因此直達聲和反射聲群的差別，也就會提供聲源在空間分布的信息。
6. 由耳廓造成的差別
耳廓是向前的，顯然能使人們區(qū)分前后。另一方面，耳廓的形狀十分微妙，不同方位上來的聲音會在其中發(fā)生復雜的效應，肯定也會提供一定的方位信息。
實踐證明，以上種種差別，以聲級差、時間差、相位差三種對聽覺定位的影響最大。但是，在不同條件下它們的作用也不相同。一般地說，在聲頻的低、中頻段，相位差的作用較大；中、高頻段以聲級差的作用為主。對于猝發(fā)聲，則時間差的作用特別顯著。而在垂直定位方面，耳廓的作用更為重要。實際上雙耳效應是綜合性的，人們的聽覺系統(tǒng)理應是根據(jù)綜合的效應來判決聲源的方位。
順便指出，人們的聽覺系統(tǒng)除了有響度、音色、方位等感覺之外，還有其他許多效應。其中有一個叫做“優(yōu)先效應”（又稱“哈斯效應”）。由實驗得知，當兩個相同的聲音，其中一個經(jīng)過延時，先后到達人們的雙耳時，如果延時時間在30ms之內(nèi)，則人們將感覺不到延時聲的存在，僅能覺察到音色和響度的變化。但如果延時太長，情況將有所不同。大家已經(jīng)知道，當兩個先后到達的聲音時差超過50ms-60ms時（相當于聲程差大于17m），聽音者就能感到。
立體是一種幾何概念，是指在三維空間中占有位置的事物。那么聲音也是立體的嗎？從類比上來說，回答可以是肯定的。因為聲源有確鑿的空間位置，聲音有確鑿的方位來源，人們的聽覺有辨別聲源方位的能力，尤其是當有多個聲源同時發(fā)聲時，人們可以憑聽覺感知聲群在空間的分布狀況，因此可以說聲音是“立體”的。不過，更妥當?shù)恼f法應該是：“原發(fā)聲是立體的?！币驗楫斅曇艚?jīng)過記錄、放大等處理過程而后重放時，所有的聲音都可能從一個揚聲器中放出來，這種重放聲就不是立體的了。這時由于各種聲音都從同一個揚聲器中發(fā)出，原來的空間感——特別是聲群的空間分布感，也就消失了。這種重放聲叫做“單聲 (Mono)，如果重放系統(tǒng)能夠在一定程度上恢復原發(fā)聲的空間感，那么這種重放聲就叫“立體聲”(Stereo)。由于原發(fā)聲不言而喻是“立體”的，所以，立體聲一詞特指那種有某種空間感（或方位感）的重放聲。
為了在重放聲中恢復空間感，首先要了解人類的聽覺系統(tǒng)為什么有辨別聲源方位的能力。研究發(fā)現(xiàn)，這主要是因為人們有兩只耳朵而不僅僅是一只耳朵的緣故。
耳朵生長在頭顱的兩側，它們不僅在空間上有距離，而且受頭顱阻隔，因此兩耳接收到的聲音可能會有種種差異。正是主要根據(jù)這些差異，使人們得以區(qū)分聲源在空間的位置。這些差異主要有如下幾種：
1. 聲音到達兩耳的時間差
由于左右兩耳之間有一定距離，因此除了正前方和正后方來的聲音之外，由其他方向來的聲音到達兩耳的時間就有先后，從而造成時差。如果聲源偏右，則聲音必先到達右耳而后左耳；反之，則必先到達左耳而后右耳。聲源越是偏向一側，則時差也越大。
實驗證明，如果人為地造成兩耳聽音的時差，就可以產(chǎn)生聲源偏向的幻覺。當時差到達0.6ms左右時，就感到聲音完全來自某一側了。
2. 聲音到達兩耳的聲級差
兩耳相距雖然不遠，但由于頭顱對聲音的阻隔作用，聲音到達兩耳的聲級就可能不同?？拷曉匆粋鹊穆暭壿^大，而另外一側較小。實驗證明，最大聲級差可達25dB左右。
3. 聲音到達兩耳的相位差
大家知道聲音以波的形式傳播，而聲波在空間不同位置上的相位是不同的（除非剛好相距一個波長）。由于兩耳在空間上有距離，所以聲波到達兩耳時的相位就可能有差別。耳朵內(nèi)的鼓膜是隨聲波而振動的，這個振動的相位差也就成為我們判斷聲源方位的一個因素。
相位差引起瞬時聲壓差
實驗證明，即使聲音到達兩耳時的聲級、時間都相同，只改變其相位，我們也會感到聲源方位有很大差異。
4. 聲音到達兩耳時的音色差
聲波如果從右側的某個方向上來，則要繞過頭部的某些部分才能到達左耳。已知波的繞射能力同波長與障礙物尺度之間的比例有關，人頭的直徑約為20cm，相當于1700Hz聲波在空氣中的波長，所以人頭對千余赫茲以上的聲音分量有掩蔽作用。也就是說，同一個聲音中的各個分量繞過頭部的能力各不相同，頻率越高的分量衰減越大。于是左耳聽到的音色同右耳聽到的音色就有差異。只要聲音不是從正方向上來，兩耳聽到的音色就會不同，從而成為人們判別聲源方位的一種依據(jù)。
由聲源發(fā)出來的聲音，除直接到達我們雙耳的直達聲之外，還會經(jīng)周圍障礙物一次或多次反射而形成反射聲群，陸續(xù)到達人們的雙耳。因此直達聲和反射聲群的差別，也就會提供聲源在空間分布的信息。
6. 由耳廓造成的差別
耳廓是向前的，顯然能使人們區(qū)分前后。另一方面，耳廓的形狀十分微妙，不同方位上來的聲音會在其中發(fā)生復雜的效應，肯定也會提供一定的方位信息。
實踐證明，以上種種差別，以聲級差、時間差、相位差三種對聽覺定位的影響最大。但是，在不同條件下它們的作用也不相同。一般地說，在聲頻的低、中頻段，相位差的作用較大；中、高頻段以聲級差的作用為主。對于猝發(fā)聲，則時間差的作用特別顯著。而在垂直定位方面，耳廓的作用更為重要。實際上雙耳效應是綜合性的，人們的聽覺系統(tǒng)理應是根據(jù)綜合的效應來判決聲源的方位。
順便指出，人們的聽覺系統(tǒng)除了有響度、音色、方位等感覺之外，還有其他許多效應。其中有一個叫做“優(yōu)先效應”（又稱“哈斯效應”）。由實驗得知，當兩個相同的聲音，其中一個經(jīng)過延時，先后到達人們的雙耳時，如果延時時間在30ms之內(nèi)，則人們將感覺不到延時聲的存在，僅能覺察到音色和響度的變化。但如果延時太長，情況將有所不同。大家已經(jīng)知道，當兩個先后到達的聲音時差超過50ms-60ms時（相當于聲程差大于17m），聽音者就能感到。
