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從“雙耳時間差”到“元宇宙”：聽覺如何塑造空間感？
作者：Matthias Scholz
用戶界面設(shè)計師、應用聲學博士
我們聽覺系統(tǒng)有一個非常強大的能力——定位聲源的位置。
無論是在交通安全導航，還是在游戲、家庭影院中營造逼真聲場，聲音的空間屬性都至關(guān)重要。
我們?nèi)绾味ㄎ宦曇簦?/span>
首先，聽覺系統(tǒng)會利用雙耳時間差（圖1a）。
正前方或正后方傳來的聲音會同時到達雙耳。但如果聲源偏左或偏右，聲音就會先后到達兩只耳朵，產(chǎn)生微小的時間差。從另一個角度看，雙耳接收到的其實是同一聲音的不同相位。
兩耳時差 圖1a：當聲音來自前方，雙耳時間差為零（左）。當聲音來自側(cè)面，頭的尺寸約為20厘米，聲速為340米/秒，最大時差為0.58毫秒（右）
在低頻情況下，我們的大腦能很好地解析相位差。但頻率升高后，波長可能短于頭部尺寸，導致雙耳接收到的相位出現(xiàn)混淆，甚至出現(xiàn)“虛假匹配”（圖1b）。
兩耳相位差 圖1b：通常耳朵會感測到相位差（左），根據(jù)頻率和入射角度，它們可以檢測到虛假相位匹配（右）。
幸運的是，我們還有第二條線索：頭部遮擋效應。
當聲音從側(cè)面?zhèn)鱽?，頭部會在另一側(cè)形成“聲影區(qū)”。頻率越高，遮擋效果越明顯。低頻聲音波長較長，能繞過頭部，雙耳聽到的聲音強度相近；而高頻聲音波長較短，會被頭部阻擋，導致遠離聲源的那只耳朵聽到的聲音變?nèi)酢?
此外，耳廓的形狀也會提供重要的頻譜線索。
耳廓不僅會阻擋非正前方的高頻聲，其復雜結(jié)構(gòu)還會對聲音進行反射和濾波，增強或減弱某些頻率。你可以試著轉(zhuǎn)動頭部感受一下：當偏離聲源時，高頻會略微減弱——這種細微變化平時不易察覺，卻是定位聲源的重要依據(jù)。
雙耳聲記錄和重放
我們通常需要雙耳才能獲得真實的空間聽感，因為左右耳的聽覺差異是定位聲源最強的線索。而正前方或正后方聲源最難定位，因為雙耳接收的信息非常相似。
更重要的是，我們的方向感很大程度上基于個人經(jīng)驗，與頭部、耳廓、耳道的大小和形狀密切相關(guān)。聽覺系統(tǒng)會逐漸建立一個“參考數(shù)據(jù)庫”，比如“從后方傳來的聲音聽起來較悶”。因此，要想實現(xiàn)逼真的空間聲效，就必須還原聽覺系統(tǒng)所期待的全部信息。
目前主流的雙耳聲記錄與重放技術(shù)使用“人頭與軀干模擬器”（HATS）采集聲音，再通過耳機回放。這種方式能高度還原人與聲場的交互，廣泛應用于聲學主觀評價，屬于靜態(tài)雙耳聲重放。
而隨著 “元宇宙” 興起，AR/VR 場景中我們希望能實現(xiàn)動態(tài)雙耳聲重放：頭部轉(zhuǎn)動時，聲音方向也隨之變化；或同一段音頻在不同虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)不同效果……這些都要求聲音系統(tǒng)能實時響應聽者動作與環(huán)境參數(shù)。
由此可見，我們之所以能精準地感知聲源方位，得益于聽覺系統(tǒng)與大腦對多種線索的復雜集成與解碼。這項看似本能的能力，其背后是生命演化的奇跡。而雙耳聲技術(shù)的目標，正是為了在虛擬世界中忠實地復現(xiàn)這一奇跡。
理解并模擬我們的聽覺，不僅是為了更好的產(chǎn)品，更是為了拓展人類感知世界的維度，讓技術(shù)在追尋“真實”的道路上不斷前行。
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