在影院看電影的時(shí)候，我們能感受到聲音從我們的左邊、右邊、后邊甚至是頭頂傳進(jìn)我們的耳朵，從而給我們帶來(lái)更好的聽(tīng)覺(jué)體驗。這種能夠使聲音具有空間方向感的技術(shù)被稱(chēng)為環(huán)繞聲技術(shù)，它能讓聽(tīng)眾體驗到與現場(chǎng)幾乎一致的聲場(chǎng)。

　　那么，如何才能實(shí)現這種環(huán)繞聲技術(shù)呢？顯然，最簡(jiǎn)單的思路是，在我們的耳朵四周放盡可能多的揚聲器，這樣不同的揚聲器重放的聲音能夠讓人耳感應到聲音來(lái)自不同的位置，這也是電影院空間音頻的設計思路。

　　但是，對于個(gè)人來(lái)說(shuō)，這樣會(huì )增大我們的設備成本。與具有復雜音響設備的電影院不一樣，我們的耳機只用左右兩個(gè)揚聲器也可以實(shí)現這種效果。這種用兩個(gè)入耳式耳機發(fā)出空間中任意方向聲音的技術(shù)被稱(chēng)為虛擬環(huán)繞聲技術(shù)，也被稱(chēng)為沉浸式空間音頻技術(shù)，是我們接下來(lái)要關(guān)注的重點(diǎn)。

　　圖片來(lái)源：WWDC 2020

　　空間音頻的目的是為了讓人耳對重放的聲音有更真實(shí)的空間感。因此，要深入了解空間音頻技術(shù)，首先需要我們思考一個(gè)問(wèn)題——人類(lèi)是如何判斷聲音方向的呢？

　　Part. 1

　　人類(lèi)雙耳如何判斷聲音方向

　　大家都知道，我們可以憑借一只耳朵來(lái)感受聲音的響度、音調和音色。但是，如果想辨別出聲音的方向，就要依靠?jì)芍欢淞恕Ｔ蛟谟趦芍欢洳趴梢月?tīng)出時(shí)間差和聲級差。時(shí)間差是指聲音抵達兩只耳朵時(shí)間的前后差別，聲級差則是兩只耳朵聽(tīng)到聲音能量的大小差別。

　　比如在下圖場(chǎng)景中，聲源在我們的右邊時(shí)，我們的右耳會(huì )先聽(tīng)到聲音，之后聲音才會(huì )到達左耳。聲波在空氣中的傳播距離越長(cháng)，能量會(huì )越來(lái)越小，因此右耳聽(tīng)到的聲音能量要大于左耳。

　　圖片來(lái)源： Google I/O

　　那么僅僅依靠時(shí)間差和聲級差這兩個(gè)因素，就可以實(shí)現聲源在三維空間中的定位嗎？

　　別著(zhù)急，先看看下面這個(gè)場(chǎng)景。

　　如下圖場(chǎng)景，當聲音從我們的正前方和正后方發(fā)出的時(shí)候，到達雙耳的時(shí)間差和能量差都是零。也就是說(shuō)，當聲音到達兩耳的時(shí)間差和能量差都是零時(shí)，我們無(wú)法區分聲音是從正前方來(lái)的，還是正后方來(lái)的。

　　圖片來(lái)源：Google I/O

　　那么，問(wèn)題又來(lái)了，雙耳怎么辨別聲音的前后方向？事實(shí)上，聲音從發(fā)出到被我們的耳朵聽(tīng)到，經(jīng)歷了三個(gè)過(guò)程——傳播過(guò)程、生理過(guò)程和心理過(guò)程 [1]。由于生理過(guò)程和心理過(guò)程幾乎不可操控，在這里我們僅僅關(guān)注傳播過(guò)程。

　　傳播過(guò)程也稱(chēng)為物理過(guò)程，是指聲源發(fā)出的聲波經(jīng)由介質(zhì)到達耳廓，再通過(guò)耳道傳遞到鼓膜并引起其振動(dòng)的過(guò)程。這是一個(gè)極其復雜的過(guò)程，人耳廓構造的不同會(huì )使聲波經(jīng)由耳廓影響后形成的波形不盡相同。

　　顯然，正前方聲源的傳播過(guò)程和正后方聲源的傳播過(guò)程是不一樣的！因為我們的耳朵并不是前后對稱(chēng)的。來(lái)自正前方的聲音經(jīng)過(guò)耳廓反射，可以直接進(jìn)入耳道；而正后方的聲音則需要繞過(guò)耳廓才能進(jìn)入耳道。也正是由于這種不同，我們才可以分辨出聲音來(lái)源的前后。

　　圖片來(lái)源：Google I/O

　　耳廓相當于一個(gè)給聲音進(jìn)行“加密”的設備，而我們的大腦經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的學(xué)習，已經(jīng)完全掌握了這門(mén)“解密技術(shù)”，因此，可以輕而易舉地聽(tīng)出聲源的前后方位。

　　現在，我們終于有了答案，雙耳定位三維空間中聲源的方向依賴(lài)于耳廓的“加密” [2,3]。

　　Part. 2

　　耳機的虛擬環(huán)繞聲

　　更加科學(xué)地講，加密聲音的不僅僅是耳廓，還有頭部輪廓和肩膀等身體部位。由于這一系列的影響都與頭部有關(guān)，因此這種加密方法也被研究人員稱(chēng)為：頭相關(guān)函數（Head Related Transfer Function）[4,5]。

　　頭相關(guān)函數可以理解成我們頭部對于聲音的加密方法，這種加密是針對不同方位的。也正因為頭部對于各個(gè)方向上的聲音加密方式不一樣，我們的大腦才可以解密出聲音的方向。

　　為了解密不同聲源方位的加密方式，研究人員可以通過(guò)測量或者計算得到不同方向的頭相關(guān)函數[4,6]，然后組成一個(gè)數據庫。

　　圖片來(lái)源：Veer圖庫

　　我們戴上耳機之后，聲音便直接經(jīng)由耳道，被鼓膜接收了。失去了頭部加密的過(guò)程，耳機內的聲音聽(tīng)起來(lái)也就沒(méi)有了方向感。

　　但是，隨著(zhù)聲信號處理技術(shù)的發(fā)展，我們可以通過(guò)在耳機內部置入電子設備，來(lái)模擬頭部的加密過(guò)程。如果我們的電子設備與頭相關(guān)函數的加密方法一致，那么經(jīng)過(guò)電子設備加密之后的聲音就可以被大腦解密出方位信息，成功地“欺騙”大腦。

　　正是基于這樣的思路，工程師們開(kāi)發(fā)了基于頭相關(guān)函數數據庫的空間音頻方法。他們用數字電路來(lái)模擬整個(gè)的頭相關(guān)函數數據庫，然后對耳機內的聲音進(jìn)行特定方向上的加密，這樣，就能夠讓耳機內的聲音聽(tīng)起來(lái)具有特定的方向感。

　　圖片來(lái)源：百度百科

　　舉例來(lái)說(shuō)，在一場(chǎng)真實(shí)的音樂(lè )會(huì )上，小提琴在聽(tīng)眾的左邊45°，鋼琴在聽(tīng)眾的右邊45°，無(wú)論是小提琴的聲音，還是鋼琴的聲音，都能夠經(jīng)過(guò)聽(tīng)眾的頭部進(jìn)行加密，現場(chǎng)聲音聽(tīng)起來(lái)就有很好的方向感。

　　如果線(xiàn)上的觀(guān)眾也想通過(guò)耳機獲得身臨其境的體驗，那么耳機內部的數字電路可以選擇左邊45°的頭相關(guān)函數來(lái)加密小提琴的聲音，右邊45°的頭相關(guān)函數加密鋼琴的聲音，這樣就能夠“欺騙”大腦，讓耳機內的聲音聽(tīng)起來(lái)也有很好的方向感。

　　由于這種聲音不是從真實(shí)的空間中發(fā)出來(lái)，而是通過(guò)信號處理這樣一種虛擬的方式“加密”出來(lái)的，所以被稱(chēng)為虛擬環(huán)繞聲。

　　近些年，隨著(zhù)耳機等可穿戴設備的應用越來(lái)越多，虛擬環(huán)繞聲技術(shù)得到了大量的應用，也被科技公司稱(chēng)為沉浸式空間音頻技術(shù)。

　　參考文獻

　　[1] 俞勝鋒. 基于腦電的雙耳聽(tīng)覺(jué)定位的初步研究[D]. 華南理工大學(xué), 2019.

　　[2] 黃勁文, 楊飛然, 楊軍. 頭部跟蹤器的虛擬聲源定位系統[J]. 網(wǎng)絡(luò )新媒體技術(shù),2019,8(02):28-35.

　　[3] Blauert J. Spatial hearing: the psychophysics of human sound localization[M]. MIT press, 1997.

　　[4] 楊飛然. 頭相關(guān)傳遞函數測試新方法[J]. 應用聲學(xué), 2014, 33(03): 263.

　　[5] 謝菠蓀. 頭相關(guān)傳輸函數與虛擬聽(tīng)覺(jué)[M]. 國防工業(yè)出版社, 2008.

　　[6] 胡紅梅, 周琳, 馬浩, 楊飛然, 吳鎮揚. 耳機虛擬聲系統的外部化方法[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008(01): 1-5.

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