耳机里的声音，为啥会有方向感？

文章来源：中国科普博览
原文作者：王泰辉

戴上耳机的时候，我们经常能感受到声音有明显区别地从前后左右传进我们的耳朵里，从而给我们带来更好的听觉体验。你知道是怎么做到的吗？

大家都知道，我们可以凭借一只耳朵来感受声音的响度、音调和音色。但是，如果想辨别出声音的方向，就要依靠两只耳朵了。原因在于两只耳朵才可以听出时间差和声级差。时间差是指声音抵达两只耳朵时间的前后差别，声级差则是两只耳朵听到声音能量的大小差别。例如，声源在我们的右边时，我们的右耳会先听到声音，之后声音才会到达左耳。

图片来源：Google I/O

从正前方和正后方过来的声音，同时到达双耳，声能量一样，所以仅仅靠时间差和声级差两个信息，我们无法判断声音来自正前方还是正后方。

那么，问题又来了，双耳怎么辨别声音的前后方向？事实上，声音从发出到被我们的耳朵听到，经历了三个过程——传播过程、生理过程和心理过程。由于生理过程和心理过程几乎不可操控，在这里我们仅仅关注传播过程。

传播过程也称为物理过程，是指声源发出的声波经由介质到达耳廓，再通过耳道传递到鼓膜并引起其振动的过程。这是一个极其复杂的过程，人耳廓构造的不同会使声波经由耳廓影响后形成的波形不尽相同。

显然，正前方声源的传播过程和正后方声源的传播过程是不一样的！因为我们的耳朵并不是前后对称的。来自正前方的声音经过耳廓反射，可以直接进入耳道；而正后方的声音则需要绕过耳廓才能进入耳道。也正是由于这种不同，我们才可以分辨出声音来源的前后。

图片来源：Google I/O

耳廓相当于一个给声音进行“加密”的设备，而我们的大脑经过长时间的学习，已经完全掌握了这门“解密技术”，因此，可以轻而易举地听出声源的前后方位。

更加科学地讲，加密声音的不仅仅是耳廓，还有头部轮廓和肩膀等身体部位。由于这一系列的影响都与头部有关，因此这种加密方法也被研究人员称为：头相关函数。

头相关函数可以理解成我们头部对于声音的加密方法，这种加密是针对不同方位的。也正因为头部对于各个方向上的声音加密方式不一样，我们的大脑才可以解密出声音的方向。

为了解密不同声源方位的加密方式，研究人员可以通过测量或者计算得到不同方向的头相关函数，然后组成一个数据库。

图片来源：Veer图库

我们戴上耳机之后，声音便直接经由耳道，被鼓膜接收了。失去了头部加密的过程，耳机内的声音听起来也就没有了方向感。

但是，随着声信号处理技术的发展，我们可以通过在耳机内部置入电子设备，来模拟头部的加密过程。如果我们的电子设备与头相关函数的加密方法一致，那么经过电子设备加密之后的声音就可以被大脑解密出方位信息，成功地“欺骗”大脑。

正是基于这样的思路，工程师们开发了基于头相关函数数据库的空间音频方法。他们用数字电路来模拟整个的头相关函数数据库，然后对耳机内的声音进行特定方向上的加密，这样，就能够让耳机内的声音听起来具有特定的方向感。

出品：中国科普博览
作者：王泰辉 中科院声学所中科院噪声与振动重点实验室

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编辑：鹿定辞