聽音的立體感是如何形成

HenryYuan

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立體聲的概念
立體是一種幾何概念，是指在三維空間中佔有位置的事物。那麼聲音也是立體的嗎？從類比上來說，回答可以是肯定的。因為聲源有確鑿的空間位置，聲音有確鑿的方位來源，人們的聽覺有辨別聲源方位的能力；尤其是當有多個聲源同時發聲時，人們可以憑聽覺感知聲群在空間的分佈狀況。因此可以說聲音是“立體”的。不過，更妥當的說法應該是：“原發聲是立體的。”因為當聲音經過記錄、放大等處理過程而後播放時，所有的聲音都可能從一個揚聲器中放出來，這種播放的聲音就不是立體的了。這時由於各種聲音都從同一個揚聲器中發出，原來的空間感，特別是聲群的空間分佈感也就消失了。這種播放聲音叫做 “單聲（Mono）。如果播播放系統能夠在一定程度上恢復原發聲的空間感，那麼這種重放聲音就叫“立體聲”（Stereo）。由於原發聲不言而喻是“立體” 的，所以，立體聲一詞特指那種有某種空間感（或方位感）的播放聲音。

雙耳效應
為了在播放聲音中恢復空間感，首先要瞭解人類的聽覺系統為什麼有辨別聲源方位的能力。研究發現，這主要是因為人們有兩隻耳朵而不僅僅是一隻耳朵的緣故。
耳朵生長在頭顱的兩側，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有種種差異。正是主要根據這些差異，使人們得以區分聲源在空間的位置。這些差異主要有如下幾種：

聲音到達兩耳的時間差
由於左右兩耳之間有一定距離，因此，除了正前方和正後方來的聲音之外，由其他方向來的聲音到達兩耳的時間就有先後，從而造成時差。如果聲源偏右，則聲音必先到達右耳而再到左耳；反之，則必先到達左耳而後達右耳。聲源越是偏向一側，則時差也越大。實驗證明，如果人為地造成兩耳聽音的時差，就可以產生聲源偏向的幻覺。當時差到達0.6ms左右時，就感到聲音完全來自某一側了。

聲音到達兩耳的聲壓差
兩耳相距雖然不遠，但由於頭顱對聲音的阻隔作用，聲音到達兩耳的聲壓就可能不同。靠近聲源一側的聲壓較大，而另外一側較小。實驗證明，最大聲壓差可達25dB左右。

聲音到達兩耳的相位差
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（除非剛好相距一個波長）。由於兩耳在空間上有距離，所以聲波到達兩耳時的相位就可能有差別。耳朵內的鼓膜是隨聲波而振動的，這個振動的相位差也就成為我們判斷聲源方位的一個因素。實驗證明，即使聲音到達兩耳時的聲壓、時間都相同，只改變其相位，我們也會感到聲源方位有很大差異。

聲音到達兩耳時的音色差
聲波如果從右側的某個方向傳來，則要繞過頭部的某些部分才能到達左耳。已知波的繞射能力同波長與障礙物尺度之間的比例有關，人頭的直徑約為20cm，相當於1,700Hz聲波在空氣中的波長，所以人頭對千餘赫茲以上的聲音分量有掩蔽作用。也就是說，同一個聲音中的各個分量繞過頭部的能力各不相同，頻率越高分量衰減越大。於是左耳聽到的音色同右耳聽到的音色就有差異。只要聲音不是從正方向上來，兩耳聽到的音色就會不同，從而成為人們判別聲源方位的一種依據。

直達聲和邊界反射聲群所產生的差別
由聲源發出來的聲音，除直接到達我們雙耳的直達聲音之外，還會經周圍障礙物一次或多次反射而形成反射聲群，陸續到達人們的雙耳。因此直接聲和反射聲群的差別，也就會提供聲源在空間分佈的資訊。

由耳廓造成的差別
耳廓是向前的，顯然能使人們區分前後。另一方面，耳廓的形狀十分微妙，不同方位上來的聲音會在其中發生複雜的效應，肯定也會提供一定的方位資訊。
實踐證明，以上種種差別，以聲壓差、時間差、相位差三種對聽覺定位的影響最大。但是，在不同條件下它們的作用也不相同。一般地說，在聲頻的低、中頻段，相位差的作用較大；中、高頻段以聲壓差的作用為主。對於猝發聲，則時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。實際上雙耳效應是綜合性的，人們的聽覺系統理應是根據綜合的效應來判決聲源的方位。

順便指出，人們的聽覺系統除了有響度、音色、方位等感覺之外，還有其他許多效應。其中有一個叫做“優先效應”（又稱“哈斯效應”）。由實驗得知，當兩個相同的聲音，其中一個經過延遲，先後到達人們的雙耳時，如果延遲時間在30ms之內，則人們將感覺不到延遲聲的存在，僅能覺察到音色和響度的變化。但如果延遲太長，情況將有所不同。大家已經知道，當兩個先後到達的聲音時差超過50ms-60ms時（相當於音程差大於17m），聽音者就能感覺到。