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从无意识歪头,谈人耳如何精准辨别声源方位?

2016-08-08 网络整理 阅读:
无论是竖直方向上的声源,还是正前方与正后方声源,都具备同一个特征——即无法提供双耳差线索。这样的声源是如何被人耳定位的?

在体验VR游戏时,3D音效可使玩家感受到声音的远近和方位;另外,在影视剧中经常能看到演员用抖动耳朵,来表现分辨声源。那么在现实中呢?细心的朋友应该会注意到,大家听声辨位时经常会不自觉地将头轻歪,这是为什么呢?小编闲着的时候特地在大知乎上搜了一下“人耳如何辨别声源方位”,果然有相关的问答,而且令小编忍不住抱拳的是回答者不仅专业详细,还图文并茂,大知乎果然人才辈出!小编特地整理了一下两位用户的回答,分享给大家。CPUednc

知乎用户夏晓昊:无论是来自于实验结果,还是人类的实际经验,都可以得出一个很简单的结论——即神经系统通过对比同一个音源到达两耳之间的时间差(Interaural Time Difference,简称 ITD)以及强度差(Interaural Intensity Difference,简称 IID),就可以判断出声源在水平方向上的位置。CPUednc

对人耳空间定位(包括水平定位以及竖直定位)更细致的研究表明: CPUednc

●低频(1.5KHz以下)的情况下,主要是 ITD 在对声音定位起主要作用;CPUednc

●中频(1.5K-4KHz范围内)的情况下,主要是 ITD 和 IID 共同作用;CPUednc

●中高频(4KHz-6KHz范围内)的情况下,主要是 IID 起作用;CPUednc

●高频(6KHz以上)的情况下,则是耳廓对声波的散射引起的干涉效应起作用。CPUednc

但无论是竖直方向上的声源,还是正前方与正后方声源,都具备同一个特征——即无法提供双耳差线索。这样的声源是如何被人耳定位的?CPUednc

知乎用户胡痴儿2.0图文并茂地解释道:一切声音定位的基础都是左右耳定位。左右定位是基础,上下定位是辅助。CPUednc

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左右定位有两种方式:CPUednc

1、通过时间差定位CPUednc

第一种是通过声音的时间差,比如一个声音如果从左边来,那么左耳先听到它,于是做出判断:『哟,原来你在我靠左的位置』。CPUednc

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局限:CPUednc

如果频率超过1500hz的声音,波长小于人的头部尺寸的一半,你的左右耳无法分辨出哪个先到达你的耳朵。CPUednc

所以这时,只能通过双耳听到的不同音量大小来分辨方向了。CPUednc

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2、通过声源的大小定CPUednc

如果右边的声音大,左边的声音小,我们就判断声源更靠近右边一些;而如果左右两边的音量大小越接近,那么我们会感觉声音越接近『中心』。CPUednc

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局限:CPUednc

在500-800hz之间的声音(波长刚好比头部大一倍),我们的耳朵很难分辨出哪只耳朵听到的声音更大一些,所以用『双耳听到不同音量以分辨声源的方向』这种方法失效了。CPUednc

所以我们只能根据『左右耳听到的时间差』来辨认声音的方向。CPUednc

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3、HRTF(什么是人头录音?)CPUednc

这时可以用到HRTF,比如上面来的声音会被肩膀所反射,身体下面来的声音则会被肩膀和身躯所遮挡。CPUednc

比如头部对声音的遮挡,消掉了一部分低频。CPUednc

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所以经过身体『滤波』后,便可以用双耳听到不同大小的声音来分辨声音的方向。CPUednc

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二、声音的前后定位CPUednc

当声音位于正前方或者正后方时。CPUednc

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这两个声音你左右耳听起来音量一样大,并且同时被你听到。CPUednc

你便无法区分它们是前面传来的还是后面传来的。CPUednc

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1. 滤波器(filter)对声音的反射和遮挡CPUednc

每个人的耳朵都是不同的(特别是外耳的形状),它们是一个个特殊的滤波器(filter)。CPUednc

就像听觉上的『指纹』CPUednc

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声波达到我们耳朵时会被耳朵的pinna反弹,导致回响共振(resonance)。CPUednc

而每个人的pinna因为形状各异,所以反弹的方向也都不太相同。CPUednc

就像滤波器(filter)一样,滤掉了某些声音。CPUednc

比如你耳朵后面传来一个声音,被你耳朵挡掉了一部分。CPUednc

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2、头部转动CPUednc

当你实在无法分辨声音的方向时,转动你的头部吧~CPUednc

(这一点和视觉一样,当我们看到的东西无法区分前后时,也需要转动头部引发透视变化,从而判断视觉上的前后关系。)CPUednc

当你转动头部时,声源和耳朵的位置关系改变了,所以双耳通过『时间差』和『音量差』分辨声音方向的能力又回来了。CPUednc

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如图,右边的图是她轻轻扭头,这时A和B相对于你的头部的位置发生了一些改变。CPUednc

你马上能分辨他们的位置了:『咦,你听,B的D1比D2近,所以B在左边,而A的D1比D2远,所以A在右边』然后转过头来,即刻就明白了A和B的前后关系。CPUednc

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垂直方向上同理,如果没办法区分声音的音源是来自上面还是来自下面,微微倾头,左耳向下右耳向上,D1比D2短,所以声音在你的上方。CPUednc

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总结:CPUednc

综合上述由于人体的构造原理,被人耳所能接受到的声音会受到耳廓,肩部以及头部构造的影响——一部分声音在传播过程中,遇到人体阻挡时会发生衍射、散射,并与直达耳道的声音在耳道口的位置发生干涉,从而影响到进入人耳的声音频谱;CPUednc

另一方面,录音师 @阚欧礼 老师也曾提到过,人耳在判断声源位置时会无意识地扭动头部——而这一过程会造成一定的双耳差线索(例如当声源在正前方时,向左轻微扭动头部,则右耳会离声源更近,左右耳之间形成一定的 ITD 与 IID),从而帮助人耳进行声源定位。CPUednc

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换句话说,此时之所以能够定位,是来自于神经系统对单耳接收到的声音进行特征分析和识别从而得出的结论。其中甚至会包括来自于联想和以往经验的要素在起作用,故实际过程非常复杂。CPUednc

但是在研究过程中,科学家发现一种动物的听觉定位系统很有意思,该动物就是仓鸮。仓鸮的两只耳朵并不在同一个高度上,而是左耳朝下,右耳朝上。在捕捉猎物时,通过 ITD 来判断声源水平位置,通过 IID 来判断声源竖直位置。NASA 有本书中对此现象的推测是:仓鸮之所以进化出了这样的耳朵是因为他们的食物在半空中,而人类的耳朵始终保持在一个水平面上的原因则是因为人类的猎物/威胁则一直呆在地面上。CPUednc

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