關(guān)于雙耳聲源方向的研究

關(guān)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(guò)使用頻率差、強(qiáng)度差和音樂差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些差異影響著人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并根據(jù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的聲音傳播方向來(lái)進(jìn)行心理評(píng)估，即聽力定位器。因此時(shí)間差、強(qiáng)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(yīng),耳殼等也有助于對(duì)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(gè)方向遠(yuǎn)處,則可以近似的認(rèn)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(jì)算,把人頭近似看作一個(gè)球體,當(dāng)聲波與垂直于雙耳連線的平面間夾角為θ時(shí),則可以計(jì)算出聲源到達(dá)雙耳的時(shí)間差Δt。在聽覺者周圍任意點(diǎn)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(lái)自同一聲源,則由聲源到達(dá)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(duì)圖(1)作進(jìn)一步近似,可以得到圖(2),認(rèn)為雙耳之間的等效距離h=2a,則有Δt≈2acsinθΔt≈2acsinθ(2)由于聲波到達(dá)兩耳時(shí)存在著時(shí)間差,也就產(chǎn)生了相位差Δθ:Δφ=ωΔt=2aωcsinθΔφ=ωΔt=2aωcsinθ(3)式中ω為聲波的圓頻率。可見聲波到達(dá)兩耳的相位差與θ角有關(guān),根據(jù)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(guān),即當(dāng)聲音的頻率ω低時(shí),相位差Δφ小;當(dāng)聲音的頻率ω高時(shí),相位差Δθ就大。2空氣聲波的傳播—強(qiáng)度差兩耳雖然相距不遠(yuǎn),但是由于頭顱的阻隔作用,使從某方向傳來(lái)的聲波要繞過(guò)頭部才能達(dá)到離聲源較遠(yuǎn)的那只耳朵中去,傳播過(guò)程中其強(qiáng)度會(huì)有一定程度的衰減,造成靠近聲源一側(cè)的耳朵聽到聲波強(qiáng)度大,而遠(yuǎn)離聲源方向一側(cè)的耳朵聽到的聲波強(qiáng)度小,由此產(chǎn)生了強(qiáng)度差。聲波的強(qiáng)度是通過(guò)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(lái)表示的,即:I=Wc=12ρcA2ω2Ι=Wc=12ρcA2ω2(4)ρ為媒質(zhì)的密度,空氣媒質(zhì)的密度為1.29Kg/m3。C為聲波在空氣媒質(zhì)中傳播的速度331m/s。A為聲波的振幅,聲波越強(qiáng)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(qiáng)。引起聽覺的聲波,不僅在頻率上有一定范圍,而且在聲強(qiáng)上也有一定范圍。對(duì)于給定的頻率,聲強(qiáng)都有上下兩限值,低于下限的聲強(qiáng)不能引起聽覺,高于上限的聲強(qiáng)只能引起痛覺,也不能引起聽覺。頻率在20Hz以下和20000Hz以上時(shí),就無(wú)所謂上下限了,因?yàn)樵谶@個(gè)頻率范圍內(nèi)的任何大小聲強(qiáng)都不再引起聽覺。平面波在均勻空氣中傳播時(shí)空氣媒質(zhì)要吸收聲波的一部分能量。使聲波的強(qiáng)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(qiáng)度,I是聲波傳播到x處的強(qiáng)度,α是媒質(zhì)吸收系數(shù),x是聲波傳播距離。聲波到達(dá)兩耳的強(qiáng)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(qiáng)度差不但與聲源的方位角θ有關(guān),而且還與聲波傳播的時(shí)間t及聲波的頻率有關(guān)。同一方位角θ,頻率較高時(shí),強(qiáng)度差較大,頻率較低時(shí),強(qiáng)度差較小。一個(gè)聲源發(fā)出的聲波在聽音雙耳中既會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度差,又會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差,究竟哪種差值在聲源定位中起主要作用呢?在遠(yuǎn)距離聆聽時(shí),對(duì)低頻和中頻的聲源,相位差(時(shí)間差)是定位的主要依據(jù)。隨著頻率的升高。聽者雙耳產(chǎn)生的相位差也隨之增加,甚至可能出現(xiàn)一個(gè)相位差對(duì)應(yīng)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(duì)于高頻聲波強(qiáng)度差不可以作為定位的主要依據(jù)。3聽覺定位原理當(dāng)聲波繞過(guò)頭顱到達(dá)另一只耳朵時(shí),還會(huì)產(chǎn)生音色差,由于聲波的繞射現(xiàn)象與波長(zhǎng)有關(guān),當(dāng)波長(zhǎng)大于障礙物尺寸時(shí),聲波就會(huì)被反射而不能繞道障礙物側(cè)面。一般的聲波都包含復(fù)雜的頻率成份,當(dāng)聲波繞過(guò)頭顱,不同的頻率分量會(huì)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(chǎn)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(duì)聲源定位的精確度不同。人耳對(duì)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(duì)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(duì)于人們欣賞音樂和音樂廳設(shè)