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人类双耳如何判断声音方向
发布时间:2021-12-21     作者:王泰辉   来源:中国科普博览   分享到:

大家都知道,我们可以凭借一只耳朵来感受声音的响度、音调和音色。但是,如果想辨别出声音的方向,就要依靠两只耳朵了。原因在于两只耳朵才可以听出时间差和声级差。时间差是指声音抵达两只耳朵时间的前后差别,声级差则是两只耳朵听到声音能量的大小差别。

比如在下图场景中,声源在我们的右边时,我们的右耳会先听到声音,之后声音才会到达左耳。声波在空气中的传播距离越长,能量会越来越小,因此右耳听到的声音能量要大于左耳。 

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图片来源:Google I/O 

那么仅仅依靠时间差和声级差这两个因素,就可以实现声源在三维空间中的定位吗?

别着急,先看看下面这个场景。

如下图场景,当声音从我们的正前方和正后方发出的时候,到达双耳的时间差和能量差都是零。也就是说,当声音到达两耳的时间差和能量差都是零时,我们无法区分声音是从正前方来的,还是正后方来的。 

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图片来源:Google I/O

 那么,问题又来了,双耳怎么辨别声音的前后方向?事实上,声音从发出到被我们的耳朵听到,经历了三个过程——传播过程、生理过程和心理过程 [1]。由于生理过程和心理过程几乎不可操控,在这里我们仅仅关注传播过程。

传播过程也称为物理过程,是指声源发出的声波经由介质到达耳廓,再通过耳道传递到鼓膜并引起其振动的过程。这是一个极其复杂的过程,人耳廓构造的不同会使声波经由耳廓影响后形成的波形不尽相同。

显然,正前方声源的传播过程和正后方声源的传播过程是不一样的!因为我们的耳朵并不是前后对称的。来自正前方的声音经过耳廓反射,可以直接进入耳道;而正后方的声音则需要绕过耳廓才能进入耳道。也正是由于这种不同,我们才可以分辨出声音来源的前后。

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 图片来源:Google I/O 

耳廓相当于一个给声音进行“加密”的设备,而我们的大脑经过长时间的学习,已经完全掌握了这门“解密技术”,因此,可以轻而易举地听出声源的前后方位。 现在,我们终于有了答案,双耳定位三维空间中声源的方向依赖于耳廓的“加密” [2,3]。

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