關于雙耳聲源方向的研究

關于雙耳聲源方向的研究

人們的雙耳能判斷聲音源的方向。這是通過使用頻率差、強度差和音樂差來實現的。這些差異影響著人體的中樞神經系統(tǒng)，并根據中樞神經系統(tǒng)的聲音傳播方向來進行心理評估，即聽力定位器。因此時間差、強度差、音色差被稱為聽覺定位的三大要素。此外,人們的心理因素,以及優(yōu)行效應,耳殼等也有助于對聲源定位的判斷。1雙耳聲波的距離及相位差如果聲波在聽覺的某一個方向遠處,則可以近似的認為聲源傳到兩耳的聲波傳播的方向是平行的——即平面波,如圖1。為了方便計算,把人頭近似看作一個球體,當聲波與垂直于雙耳連線的平面間夾角為θ時,則可以計算出聲源到達雙耳的時間差Δt。在聽覺者周圍任意點聲源傳至右耳的聲波1的距離為ct,而聲源傳至左耳的聲波2的距離為ct+asinθ+aθ。由于聲波1與聲波2來自同一聲源,則由聲源到達兩耳的聲波距離程差為:Δs=ct+asinθ+aθ-ct=asinθ+aθcΔt=a(sinθ+θ)Δt=ac(sinθ+θ)(1)cΔt=a(sinθ+θ)Δt=ac(sinθ+θ)(1)式中a為人頭球體的半徑,人頭直徑h=2a,約為17cm—22cm,c為聲波的速度,在空氣中聲波的傳播速度為c=340m/s。若對圖(1)作進一步近似,可以得到圖(2),認為雙耳之間的等效距離h=2a,則有Δt≈2acsinθΔt≈2acsinθ(2)由于聲波到達兩耳時存在著時間差,也就產生了相位差Δθ:Δφ=ωΔt=2aωcsinθΔφ=ωΔt=2aωcsinθ(3)式中ω為聲波的圓頻率?？梢娐暡ǖ竭_兩耳的相位差與θ角有關,根據θ角的不同相位差Δθ隨之變化。另外相位差Δθ還與圓頻率ω有關,即當聲音的頻率ω低時,相位差Δφ小;當聲音的頻率ω高時,相位差Δθ就大。2空氣聲波的傳播—強度差兩耳雖然相距不遠,但是由于頭顱的阻隔作用,使從某方向傳來的聲波要繞過頭部才能達到離聲源較遠的那只耳朵中去,傳播過程中其強度會有一定程度的衰減,造成靠近聲源一側的耳朵聽到聲波強度大,而遠離聲源方向一側的耳朵聽到的聲波強度小,由此產生了強度差。聲波的強度是通過垂直于聲波傳播方向單位面積的平均能流又稱能流密度,用I來表示的,即:I=Wc=12ρcA2ω2Ι=Wc=12ρcA2ω2(4)ρ為媒質的密度,空氣媒質的密度為1.29Kg/m3。C為聲波在空氣媒質中傳播的速度331m/s。A為聲波的振幅,聲波越強振幅越大。ω為聲波的圓頻率。聲波頻率愈高就愈容易獲得較大的聲強。引起聽覺的聲波,不僅在頻率上有一定范圍,而且在聲強上也有一定范圍。對于給定的頻率,聲強都有上下兩限值,低于下限的聲強不能引起聽覺,高于上限的聲強只能引起痛覺,也不能引起聽覺。頻率在20Hz以下和20000Hz以上時,就無所謂上下限了,因為在這個頻率范圍內的任何大小聲強都不再引起聽覺。平面波在均勻空氣中傳播時空氣媒質要吸收聲波的一部分能量。使聲波的強度有所減弱,聲波在空氣中衰減的規(guī)律為:I=I0e2αx(5)I0是聲源發(fā)出的聲波強度,I是聲波傳播到x處的強度,α是媒質吸收系數,x是聲波傳播距離。聲波到達兩耳的強度差為:ΔI=I0e-2α(ct+asinθ+aθ)-I0e-2αct=I0(e-2α(ct+asinθ+aθ)-e-2αct)整理后:ΔI=I0e-2αct(e-2α(asinθ+aθ)-1)(6)由(5)式、(6)式可知,聲波的強度差不但與聲源的方位角θ有關,而且還與聲波傳播的時間t及聲波的頻率有關。同一方位角θ,頻率較高時,強度差較大,頻率較低時,強度差較小。一個聲源發(fā)出的聲波在聽音雙耳中既會產生強度差,又會產生時間差,究竟哪種差值在聲源定位中起主要作用呢?在遠距離聆聽時,對低頻和中頻的聲源,相位差(時間差)是定位的主要依據。隨著頻率的升高。聽者雙耳產生的相位差也隨之增加,甚至可能出現一個相位差對應幾種不同聲波入射方向,難以判斷相位超前還是滯后,因此對于高頻聲波強度差不可以作為定位的主要依據。3聽覺定位原理當聲波繞過頭顱到達另一只耳朵時,還會產生音色差,由于聲波的繞射現象與波長有關,當波長大于障礙物尺寸時,聲波就會被反射而不能繞道障礙物側面。一般的聲波都包含復雜的頻率成份,當聲波繞過頭顱,不同的頻率分量會發(fā)生不同程度的衰減,使音樂發(fā)生變化,從而使兩耳聽到的聲音產生了音色差,音色差在高頻段較大,在低頻段較小。不同的人聽覺靈敏度不同,對聲源定位的精確度不同。人耳對垂直方向的定位能力比水平方向的定位能力差,而且在深度上的定位能力更差。此外,對聲源的定位,除了聽覺的生理作用之外,還涉及到人們的心理作用等。掌握了聽覺定位原理,對于人們欣賞音樂和音樂廳設