耳机里的声音为什么会有方向感？

模拟真实环境中的声音定位，这就是虚拟环绕声技术。

撰文 | Dargon

我们每天生活在充满声音的世界里，不论是城市的喧嚣还是大自然的宁静，声音都是我们感知世界的重要方式之一。在现代生活中，耳机成为了我们享受音乐、进行通话甚至是玩游戏的重要工具。使用耳机时，我们常常会感觉到声音似乎来自不同的方向，你是否想过这种“方向感”是如何产生的呢？

声音的传播过程

首先，我们需要了解声音的传播过程。声音是一种机械波，它通过空气、水等介质的振动传递。声音的传播过程包括以下几个阶段：

声音的产生：

任何能够引起空气振动的物体都可以成为声音的源头。当物体振动时，它会产生一系列的压缩和稀疏区域，这些区域以波的形式向外传播。

声音的传播：

声波通过介质（如空气、水或固体）传播，速度取决于介质的性质。在空气中，声音传播的速度大约是343米每秒。

声音的接收：

当声波到达我们耳朵时，它会引起耳膜的振动。这种振动通过一系列的骨骼和液体传递到内耳的耳蜗，最终被转换成神经信号传递到大脑。

人类双耳是如何判断声音方向的？

人类能够判断声音方向，主要依赖于两个耳朵之间接收到的声音信号的微小差异。具体来说，这包括以下几个方面：首先是时间差，当声音从某个方向传来时，靠近声源的一侧耳朵会先接收到声音，另一侧耳朵则会稍后接收到。这种时间上的微小差异可以帮助我们判断声音的水平方向。对于频率较低的声音，时间差是判断方向的主要依据。其次是声级差，声级差是指两只耳朵听到声音能量的大小差别。声音到达耳朵时，由于头部的遮挡效应，靠近声源的一侧耳朵接收到的声音会比另一侧耳朵更强。这种强度差异在高频声音的定位中尤为重要，因为高频声音更容易被头部阻挡。

两耳接收声音信号的差异

那么，当声音从我们的正前方和正后方发出的时候，到达双耳的时间差和能量差都是零。也就是说，当声音到达两耳的时间差和能量差都是零时，我们无法区分声音是从正前方来的，还是正后方来的。这时，双耳是怎么辨别声音的前后方向的呢？

声音到达双耳的时间差和能量差都是零的情况

这归因于我们的耳朵并非完全对称。前面我们了解了声音的传播过程，由于人耳廓结构的差异，导致正前方和正后方声源的声音传播路径存在显著差异：来自正前方的声音在耳廓的反射作用下，能够直接进入耳道；而来自正后方的声音则需绕过耳廓才能进入耳道。这种差异使我们能够区分声音的前后来源。耳廓的作用类似于声音的“加密器”，而我们的大脑通过长期的学习，已经熟练掌握了这种“解密”技巧，从而能够轻松地判断声源的前后位置。

耳机的虚拟环绕声技术

更加科学地讲，加密声音的不仅仅是耳廓，还有身体的其他部位。研究人员用头部相关传递函数（Head-Related Transfer Function, HRTF）来描述声音从外部空间传到耳道口的传递函数，它包括了头部、耳廓、肩膀等对声音的影响。每个人的HRTF都是独特的，大脑通过学习和记忆这些特征来判断声音的空间位置。

研究HRTF的示意图

耳机的虚拟环绕声技术旨在模拟真实环境中的声音定位，让用户在使用耳机时也能感受到声音的空间感。那么，它是怎么实现的呢？

为了解析不同声源方向的加密模式，科学家们通过测量或计算得出头相关函数，并将这些函数汇集成一个数据库。当我们使用耳机时，声音绕过了头部的这一加密过程，直接传入耳道并被鼓膜接收，导致声音失去了其原有的方向性。然而，随着声音信号处理技术的进步，我们能够在耳机内集成电子设备来模拟头部的这一加密过程。如果这些电子设备能够精确地复制头相关函数的加密机制，那么它们处理后的声音就能被大脑识别出方向，从而“误导”大脑，让耳机中的声音仿佛具有空间定位。

基于这种原理，工程师们研发了一种利用头相关函数数据库来实现空间音效的技术。他们使用数字电路来模拟整个头相关函数数据库，并对耳机中的声音进行方向性的加密，使得声音能够呈现出特定的空间感。由于这种声音并非来自真实的物理空间，而是通过信号处理技术虚拟地“加密”生成的，因此被称为虚拟环绕声技术。

耳机中的方向感不仅仅是技术的奇迹，更是对人类听觉系统复杂性的致敬。通过深入了解声音的传播过程和人类双耳如何判断声音方向，我们可以更好地理解虚拟环绕声技术的原理和应用。在未来，随着技术的不断创新和发展，耳机将为我们带来更加丰富和沉浸的音频体验。无论是音乐、游戏还是电影，虚拟环绕声技术都将不断提升我们的听觉享受，使声音的世界更加精彩。

参考文献

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[3]https://mp.weixin.qq.com/s/00aR_pxzCAgQ3_kQgO6hGg

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/E6FfsQUwIw7WWCiOpkm70A

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/ow4Z9jnK4f0fjhRVGTJK5w

本文经授权转载自微信公众号“力学科普”。

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