聽(tīng)音的立體感是如何形成的?
2018-04-23
一、立體聲的概念
立體是一種幾何概念，是指在三維空間中占有位置的事物。那么聲音也是立體的嗎？從類比上來(lái)說(shuō)，回答可以是肯定的。因?yàn)槁曉从写_鑿的空間位置，聲音有確鑿的方位來(lái)源，人們的聽(tīng)覺(jué)有辨別聲源方位的能力，尤其是當(dāng)有多個(gè)聲源同時(shí)發(fā)聲時(shí)，人們可以憑聽(tīng)覺(jué)感知聲群在空間的分布狀況，因此可以說(shuō)聲音是“立體”的。不過(guò)，更妥當(dāng)?shù)恼f(shuō)法應(yīng)該是：“原發(fā)聲是立體的。”因?yàn)楫?dāng)聲音經(jīng)過(guò)記錄、放大等處理過(guò)程而后重放時(shí)，所有的聲音都可能從一個(gè)揚(yáng)聲器中放出來(lái)，這種重放聲就不是立體的了。這時(shí)由于各種聲音都從同一個(gè)揚(yáng)聲器中發(fā)出，原來(lái)的空間感——特別是聲群的空間分布感，也就消失了。這種重放聲叫做“單聲 (Mono)，如果重放系統(tǒng)能夠在一定程度上恢復(fù)原發(fā)聲的空間感，那么這種重放聲就叫“立體聲”(Stereo)。由于原發(fā)聲不言而喻是“立體”的，所以，立體聲一詞特指那種有某種空間感（或方位感）的重放聲。
二、雙耳效應(yīng)
為了在重放聲中恢復(fù)空間感，首先要了解人類的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)為什么有辨別聲源方位的能力。研究發(fā)現(xiàn)，這主要是因?yàn)槿藗冇袃芍欢涠粌H僅是一只耳朵的緣故。
耳朵生長(zhǎng)在頭顱的兩側(cè)，它們不僅在空間上有距離，而且受頭顱阻隔，因此兩耳接收到的聲音可能會(huì)有種種差異。正是主要根據(jù)這些差異，使人們得以區(qū)分聲源在空間的位置。這些差異主要有如下幾種：
1. 聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間差
由于左右兩耳之間有一定距離，因此除了正前方和正后方來(lái)的聲音之外，由其他方向來(lái)的聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間就有先后，從而造成時(shí)差。如果聲源偏右，則聲音必先到達(dá)右耳而后左耳；反之，則必先到達(dá)左耳而后右耳。聲源越是偏向一側(cè)，則時(shí)差也越大。
實(shí)驗(yàn)證明，如果人為地造成兩耳聽(tīng)音的時(shí)差，就可以產(chǎn)生聲源偏向的幻覺(jué)。當(dāng)時(shí)差到達(dá)0.6ms左右時(shí)，就感到聲音完全來(lái)自某一側(cè)了。
2. 聲音到達(dá)兩耳的聲級(jí)差
兩耳相距雖然不遠(yuǎn)，但由于頭顱對(duì)聲音的阻隔作用，聲音到達(dá)兩耳的聲級(jí)就可能不同。靠近聲源一側(cè)的聲級(jí)較大，而另外一側(cè)較小。實(shí)驗(yàn)證明，最大聲級(jí)差可達(dá)25dB左右。
3. 聲音到達(dá)兩耳的相位差
大家知道聲音以波的形式傳播，而聲波在空間不同位置上的相位是不同的（除非剛好相距一個(gè)波長(zhǎng)）。由于兩耳在空間上有距離，所以聲波到達(dá)兩耳時(shí)的相位就可能有差別。耳朵內(nèi)的鼓膜是隨聲波而振動(dòng)的，這個(gè)振動(dòng)的相位差也就成為我們判斷聲源方位的一個(gè)因素。
相位差引起瞬時(shí)聲壓差
實(shí)驗(yàn)證明，即使聲音到達(dá)兩耳時(shí)的聲級(jí)、時(shí)間都相同，只改變其相位，我們也會(huì)感到聲源方位有很大差異。
4. 聲音到達(dá)兩耳時(shí)的音色差
聲波如果從右側(cè)的某個(gè)方向上來(lái)，則要繞過(guò)頭部的某些部分才能到達(dá)左耳。已知波的繞射能力同波長(zhǎng)與障礙物尺度之間的比例有關(guān)，人頭的直徑約為20cm，相當(dāng)于1700Hz聲波在空氣中的波長(zhǎng)，所以人頭對(duì)千余赫茲以上的聲音分量有掩蔽作用。也就是說(shuō)，同一個(gè)聲音中的各個(gè)分量繞過(guò)頭部的能力各不相同，頻率越高的分量衰減越大。于是左耳聽(tīng)到的音色同右耳聽(tīng)到的音色就有差異。只要聲音不是從正方向上來(lái)，兩耳聽(tīng)到的音色就會(huì)不同，從而成為人們判別聲源方位的一種依據(jù)。
5. 直達(dá)聲和反射聲群所產(chǎn)生的差別
由聲源發(fā)出來(lái)的聲音，除直接到達(dá)我們雙耳的直達(dá)聲之外，還會(huì)經(jīng)周圍障礙物一次或多次反射而形成反射聲群，陸續(xù)到達(dá)人們的雙耳。因此直達(dá)聲和反射聲群的差別，也就會(huì)提供聲源在空間分布的信息。
6. 由耳廓造成的差別
耳廓是向前的，顯然能使人們區(qū)分前后。另一方面，耳廓的形狀十分微妙，不同方位上來(lái)的聲音會(huì)在其中發(fā)生復(fù)雜的效應(yīng)，肯定也會(huì)提供一定的方位信息。
實(shí)踐證明，以上種種差別，以聲級(jí)差、時(shí)間差、相位差三種對(duì)聽(tīng)覺(jué)定位的影響最大。但是，在不同條件下它們的作用也不相同。一般地說(shuō)，在聲頻的低、中頻段，相位差的作用較大；中、高頻段以聲級(jí)差的作用為主。對(duì)于猝發(fā)聲，則時(shí)間差的作用特別顯著。而在垂直定位方面，耳廓的作用更為重要。實(shí)際上雙耳效應(yīng)是綜合性的，人們的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)理應(yīng)是根據(jù)綜合的效應(yīng)來(lái)判決聲源的方位。
順便指出，人們的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)除了有響度、音色、方位等感覺(jué)之外，還有其他許多效應(yīng)。其中有一個(gè)叫做“優(yōu)先效應(yīng)”（又稱“哈斯效應(yīng)”）。由實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)兩個(gè)相同的聲音，其中一個(gè)經(jīng)過(guò)延時(shí)，先后到達(dá)人們的雙耳時(shí)，如果延時(shí)時(shí)間在30ms之內(nèi)，則人們將感覺(jué)不到延時(shí)聲的存在，僅能覺(jué)察到音色和響度的變化。但如果延時(shí)太長(zhǎng)，情況將有所不同。大家已經(jīng)知道，當(dāng)兩個(gè)先后到達(dá)的聲音時(shí)差超過(guò)50ms-60ms時(shí)（相當(dāng)于聲程差大于17m），聽(tīng)音者就能感到。
立體是一種幾何概念，是指在三維空間中占有位置的事物。那么聲音也是立體的嗎？從類比上來(lái)說(shuō)，回答可以是肯定的。因?yàn)槁曉从写_鑿的空間位置，聲音有確鑿的方位來(lái)源，人們的聽(tīng)覺(jué)有辨別聲源方位的能力，尤其是當(dāng)有多個(gè)聲源同時(shí)發(fā)聲時(shí)，人們可以憑聽(tīng)覺(jué)感知聲群在空間的分布狀況，因此可以說(shuō)聲音是“立體”的。不過(guò)，更妥當(dāng)?shù)恼f(shuō)法應(yīng)該是：“原發(fā)聲是立體的。”因?yàn)楫?dāng)聲音經(jīng)過(guò)記錄、放大等處理過(guò)程而后重放時(shí)，所有的聲音都可能從一個(gè)揚(yáng)聲器中放出來(lái)，這種重放聲就不是立體的了。這時(shí)由于各種聲音都從同一個(gè)揚(yáng)聲器中發(fā)出，原來(lái)的空間感——特別是聲群的空間分布感，也就消失了。這種重放聲叫做“單聲 (Mono)，如果重放系統(tǒng)能夠在一定程度上恢復(fù)原發(fā)聲的空間感，那么這種重放聲就叫“立體聲”(Stereo)。由于原發(fā)聲不言而喻是“立體”的，所以，立體聲一詞特指那種有某種空間感（或方位感）的重放聲。
為了在重放聲中恢復(fù)空間感，首先要了解人類的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)為什么有辨別聲源方位的能力。研究發(fā)現(xiàn)，這主要是因?yàn)槿藗冇袃芍欢涠粌H僅是一只耳朵的緣故。
耳朵生長(zhǎng)在頭顱的兩側(cè)，它們不僅在空間上有距離，而且受頭顱阻隔，因此兩耳接收到的聲音可能會(huì)有種種差異。正是主要根據(jù)這些差異，使人們得以區(qū)分聲源在空間的位置。這些差異主要有如下幾種：
1. 聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間差
由于左右兩耳之間有一定距離，因此除了正前方和正后方來(lái)的聲音之外，由其他方向來(lái)的聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間就有先后，從而造成時(shí)差。如果聲源偏右，則聲音必先到達(dá)右耳而后左耳；反之，則必先到達(dá)左耳而后右耳。聲源越是偏向一側(cè)，則時(shí)差也越大。
實(shí)驗(yàn)證明，如果人為地造成兩耳聽(tīng)音的時(shí)差，就可以產(chǎn)生聲源偏向的幻覺(jué)。當(dāng)時(shí)差到達(dá)0.6ms左右時(shí)，就感到聲音完全來(lái)自某一側(cè)了。
2. 聲音到達(dá)兩耳的聲級(jí)差
兩耳相距雖然不遠(yuǎn)，但由于頭顱對(duì)聲音的阻隔作用，聲音到達(dá)兩耳的聲級(jí)就可能不同。靠近聲源一側(cè)的聲級(jí)較大，而另外一側(cè)較小。實(shí)驗(yàn)證明，最大聲級(jí)差可達(dá)25dB左右。
3. 聲音到達(dá)兩耳的相位差
大家知道聲音以波的形式傳播，而聲波在空間不同位置上的相位是不同的（除非剛好相距一個(gè)波長(zhǎng)）。由于兩耳在空間上有距離，所以聲波到達(dá)兩耳時(shí)的相位就可能有差別。耳朵內(nèi)的鼓膜是隨聲波而振動(dòng)的，這個(gè)振動(dòng)的相位差也就成為我們判斷聲源方位的一個(gè)因素。
相位差引起瞬時(shí)聲壓差
實(shí)驗(yàn)證明，即使聲音到達(dá)兩耳時(shí)的聲級(jí)、時(shí)間都相同，只改變其相位，我們也會(huì)感到聲源方位有很大差異。
4. 聲音到達(dá)兩耳時(shí)的音色差
聲波如果從右側(cè)的某個(gè)方向上來(lái)，則要繞過(guò)頭部的某些部分才能到達(dá)左耳。已知波的繞射能力同波長(zhǎng)與障礙物尺度之間的比例有關(guān)，人頭的直徑約為20cm，相當(dāng)于1700Hz聲波在空氣中的波長(zhǎng)，所以人頭對(duì)千余赫茲以上的聲音分量有掩蔽作用。也就是說(shuō)，同一個(gè)聲音中的各個(gè)分量繞過(guò)頭部的能力各不相同，頻率越高的分量衰減越大。于是左耳聽(tīng)到的音色同右耳聽(tīng)到的音色就有差異。只要聲音不是從正方向上來(lái)，兩耳聽(tīng)到的音色就會(huì)不同，從而成為人們判別聲源方位的一種依據(jù)。
由聲源發(fā)出來(lái)的聲音，除直接到達(dá)我們雙耳的直達(dá)聲之外，還會(huì)經(jīng)周圍障礙物一次或多次反射而形成反射聲群，陸續(xù)到達(dá)人們的雙耳。因此直達(dá)聲和反射聲群的差別，也就會(huì)提供聲源在空間分布的信息。
6. 由耳廓造成的差別
耳廓是向前的，顯然能使人們區(qū)分前后。另一方面，耳廓的形狀十分微妙，不同方位上來(lái)的聲音會(huì)在其中發(fā)生復(fù)雜的效應(yīng)，肯定也會(huì)提供一定的方位信息。
實(shí)踐證明，以上種種差別，以聲級(jí)差、時(shí)間差、相位差三種對(duì)聽(tīng)覺(jué)定位的影響最大。但是，在不同條件下它們的作用也不相同。一般地說(shuō)，在聲頻的低、中頻段，相位差的作用較大；中、高頻段以聲級(jí)差的作用為主。對(duì)于猝發(fā)聲，則時(shí)間差的作用特別顯著。而在垂直定位方面，耳廓的作用更為重要。實(shí)際上雙耳效應(yīng)是綜合性的，人們的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)理應(yīng)是根據(jù)綜合的效應(yīng)來(lái)判決聲源的方位。
順便指出，人們的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)除了有響度、音色、方位等感覺(jué)之外，還有其他許多效應(yīng)。其中有一個(gè)叫做“優(yōu)先效應(yīng)”（又稱“哈斯效應(yīng)”）。由實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)兩個(gè)相同的聲音，其中一個(gè)經(jīng)過(guò)延時(shí)，先后到達(dá)人們的雙耳時(shí)，如果延時(shí)時(shí)間在30ms之內(nèi)，則人們將感覺(jué)不到延時(shí)聲的存在，僅能覺(jué)察到音色和響度的變化。但如果延時(shí)太長(zhǎng)，情況將有所不同。大家已經(jīng)知道，當(dāng)兩個(gè)先后到達(dá)的聲音時(shí)差超過(guò)50ms-60ms時(shí)（相當(dāng)于聲程差大于17m），聽(tīng)音者就能感到。
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