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听音的立体感是如何形成的

一、立体声的概念

  立体是一种几何概念,是指在三维空间中占有位置的事物。那么声音也是立体的吗?从类比上来说,回答可以是肯定的。因为声源有确凿的空间位置,声音有确凿的方位来源,人们的听觉有辨别声源方位的能力,尤其是当有多个声源同时发声时,人们可以凭听觉感知声群在空间的分布状况,因此可以说声音是“立体”的。不过,更妥当的说法应该是:“原发声是立体的。”因为当声音经过记录、放大等处理过程而后重放时,所有的声音都可能从一个扬声器中放出来,这种重放声就不是立体的了。这时由于各种声音都从同一个扬声器中发出,原来的空间感——特别是声群的空间分布感,也就消失了。这种重放声叫做“单声 (Mono),如果重放系统能够在一定程度上恢复原发声的空间感,那么这种重放声就叫“立体声”(Stereo)。由于原发声不言而喻是“立体”的,所以,立体声一词特指那种有某种空间感(或方位感)的重放声。

  二、双耳效应

 

  为了在重放声中恢复空间感,首先要了解人类的听觉系统为什么有辨别声源方位的能力。研究发现,这主要是因为人们有两只耳朵而不仅仅是一只耳朵的缘故。

  耳朵生长在头颅的两侧,它们不仅在空间上有距离,而且受头颅阻隔,因此两耳接收到的声音可能会有种种差异。正是主要根据这些差异,使人们得以区分声源在空间的位置。这些差异主要有如下几种:

  1. 声音到达两耳的时间差

  由于左右两耳之间有一定距离,因此除了正前方和正后方来的声音之外,由其他方向来的声音到达两耳的时间就有先后,从而造成时差。如果声源偏右,则声音必先到达右耳而后左耳;反之,则必先到达左耳而后右耳。声源越是偏向一侧,则时差也越大。

  实验证明,如果人为地造成两耳听音的时差,就可以产生声源偏向的幻觉。当时差到达0.6ms左右时,就感到声音完全来自某一侧了。

  2. 声音到达两耳的声级差

  两耳相距虽然不远,但由于头颅对声音的阻隔作用,声音到达两耳的声级就可能不同。靠近声源一侧的声级较大,而另外一侧较小。实验证明,最大声级差可达25dB左右。

  3. 声音到达两耳的相位差

  大家知道声音以波的形式传播,而声波在空间不同位置上的相位是不同的(除非刚好相距一个波长)。由于两耳在空间上有距离,所以声波到达两耳时的相位就可能有差别。耳朵内的鼓膜是随声波而振动的,这个振动的相位差也就成为我们判断声源方位的一个因素。

  

  相位差引起瞬时声压差

  实验证明,即使声音到达两耳时的声级、时间都相同,只改变其相位,我们也会感到声源方位有很大差异。

  4. 声音到达两耳时的音色差  

听音的立体感是如何形成的

 

  声波如果从右侧的某个方向上来,则要绕过头部的某些部分才能到达左耳。已知波的绕射能力同波长与障碍物尺度之间的比例有关,人头的直径约为20cm,相当于1700Hz声波在空气中的波长,所以人头对千余赫兹以上的声音分量有掩蔽作用。也就是说,同一个声音中的各个分量绕过头部的能力各不相同,频率越高的分量衰减越大。于是左耳听到的音色同右耳听到的音色就有差异。只要声音不是从正方向上来,两耳听到的音色就会不同,从而成为人们判别声源方位的一种依据。

  5. 直达声和反射声群所产生的差别

  由声源发出来的声音,除直接到达我们双耳的直达声之外,还会经周围障碍物一次或多次反射而形成反射声群,陆续到达人们的双耳。因此直达声和反射声群的差别,也就会提供声源在空间分布的信息。

  6. 由耳廓造成的差别

  耳廓是向前的,显然能使人们区分前后。另一方面,耳廓的形状十分微妙,不同方位上来的声音会在其中发生复杂的效应,肯定也会提供一定的方位信息。

  实践证明,以上种种差别,以声级差、时间差、相位差三种对听觉定位的影响最大。但是,在不同条件下它们的作用也不相同。一般地说,在声频的低、中频段,相位差的作用较大;中、高频段以声级差的作用为主。对于猝发声,则时间差的作用特别显著。而在垂直定位方面,耳廓的作用更为重要。实际上双耳效应是综合性的,人们的听觉系统理应是根据综合的效应来判决声源的方位。

  顺便指出,人们的听觉系统除了有响度、音色、方位等感觉之外,还有其他许多效应。其中有一个叫做“优先效应”(又称“哈斯效应”)。由实验得知,当两个相同的声音,其中一个经过延时,先后到达人们的双耳时,如果延时时间在30ms之内,则人们将感觉不到延时声的存在,仅能觉察到音色和响度的变化。但如果延时太长,情况将有所不同。大家已经知道,当两个先后到达的声音时差超过50ms-60ms时(相当于声程差大于17m),听音者就能感到。

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