我們每天生活在充滿聲音的世界里，不論是城市的喧囂還是大自然的寧靜，聲音都是我們感知世界的重要方式之一。在現(xiàn)代生活中，耳機(jī)成為了我們享受音樂、進(jìn)行通話甚至是玩游戲的重要工具。使用耳機(jī)時(shí)，我們常常會(huì)感覺到聲音似乎來自不同的方向，你是否想過這種“方向感”是如何產(chǎn)生的呢？

首先，我們需要了解聲音的傳播過程。聲音是一種機(jī)械波，它通過空氣、水等介質(zhì)的振動(dòng)傳遞。聲音的傳播過程包括以下幾個(gè)階段：

人類能夠判斷聲音方向，主要依賴于兩個(gè)耳朵之間接收到的聲音信號(hào)的微小差異。具體來說，這包括以下幾個(gè)方面：首先是時(shí)間差，當(dāng)聲音從某個(gè)方向傳來時(shí)，靠近聲源的一側(cè)耳朵會(huì)先接收到聲音，另一側(cè)耳朵則會(huì)稍后接收到。這種時(shí)間上的微小差異可以幫助我們判斷聲音的水平方向。對(duì)于頻率較低的聲音，時(shí)間差是判斷方向的主要依據(jù)。其次是聲級(jí)差，聲級(jí)差是指兩只耳朵聽到聲音能量的大小差別。聲音到達(dá)耳朵時(shí)，由于頭部的遮擋效應(yīng)，靠近聲源的一側(cè)耳朵接收到的聲音會(huì)比另一側(cè)耳朵更強(qiáng)。這種強(qiáng)度差異在高頻聲音的定位中尤為重要，因?yàn)楦哳l聲音更容易被頭部阻擋。

兩耳接收聲音信號(hào)的差異

那么，當(dāng)聲音從我們的正前方和正后方發(fā)出的時(shí)候，到達(dá)雙耳的時(shí)間差和能量差都是零。也就是說，當(dāng)聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間差和能量差都是零時(shí)，我們無法區(qū)分聲音是從正前方來的，還是正后方來的。這時(shí)，雙耳是怎么辨別聲音的前后方向的呢？

聲音到達(dá)雙耳的時(shí)間差和能量差都是零的情況

這歸因于我們的耳朵并非完全對(duì)稱。前面我們了解了聲音的傳播過程，由于人耳廓結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致正前方和正后方聲源的聲音傳播路徑存在顯著差異：來自正前方的聲音在耳廓的反射作用下，能夠直接進(jìn)入耳道；而來自正后方的聲音則需繞過耳廓才能進(jìn)入耳道。這種差異使我們能夠區(qū)分聲音的前后來源。耳廓的作用類似于聲音的“加密器”，而我們的大腦通過長期的學(xué)習(xí)，已經(jīng)熟練掌握了這種“解密”技巧，從而能夠輕松地判斷聲源的前后位置。

更加科學(xué)地講，加密聲音的不僅僅是耳廓，還有身體的其他部位。研究人員用頭部相關(guān)傳遞函數(shù)（Head-Related Transfer Function, HRTF）來描述聲音從外部空間傳到耳道口的傳遞函數(shù)，它包括了頭部、耳廓、肩膀等對(duì)聲音的影響。每個(gè)人的HRTF都是獨(dú)特的，大腦通過學(xué)習(xí)和記憶這些特征來判斷聲音的空間位置。

研究HRTF的示意圖

耳機(jī)的虛擬環(huán)繞聲技術(shù)旨在模擬真實(shí)環(huán)境中的聲音定位，讓用戶在使用耳機(jī)時(shí)也能感受到聲音的空間感。那么，它是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

為了解析不同聲源方向的加密模式，科學(xué)家們通過測(cè)量或計(jì)算得出頭相關(guān)函數(shù)，并將這些函數(shù)匯集成一個(gè)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)我們使用耳機(jī)時(shí)，聲音繞過了頭部的這一加密過程，直接傳入耳道并被鼓膜接收，導(dǎo)致聲音失去了其原有的方向性。然而，隨著聲音信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，我們能夠在耳機(jī)內(nèi)集成電子設(shè)備來模擬頭部的這一加密過程。如果這些電子設(shè)備能夠精確地復(fù)制頭相關(guān)函數(shù)的加密機(jī)制，那么它們處理后的聲音就能被大腦識(shí)別出方向，從而“誤導(dǎo)”大腦，讓耳機(jī)中的聲音仿佛具有空間定位。

基于這種原理，工程師們研發(fā)了一種利用頭相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)空間音效的技術(shù)。他們使用數(shù)字電路來模擬整個(gè)頭相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)庫，并對(duì)耳機(jī)中的聲音進(jìn)行方向性的加密，使得聲音能夠呈現(xiàn)出特定的空間感。由于這種聲音并非來自真實(shí)的物理空間，而是通過信號(hào)處理技術(shù)虛擬地“加密”生成的，因此被稱為虛擬環(huán)繞聲技術(shù)。

耳機(jī)中的方向感不僅僅是技術(shù)的奇跡，更是對(duì)人類聽覺系統(tǒng)復(fù)雜性的致敬。通過深入了解聲音的傳播過程和人類雙耳如何判斷聲音方向，我們可以更好地理解虛擬環(huán)繞聲技術(shù)的原理和應(yīng)用。在未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，耳機(jī)將為我們帶來更加豐富和沉浸的音頻體驗(yàn)。無論是音樂、游戲還是電影，虛擬環(huán)繞聲技術(shù)都將不斷提升我們的聽覺享受，使聲音的世界更加精彩。