卡斯摩在线客服 卡斯摩影高端设备租赁欣赏
您现在的位置:北京卡斯摩 > 行业知识 > 音响知识 >

耳朵对于声音识别的原理

发布时间:2014-12-07    人气值:

  人们常说的听声辨位就是人们在听到声音以后,能辨别出声音是从哪个方向传播过来的,而声音在不同环境下传播的又不一样,这就是人耳对声音方向感的作用。

 

  声源方位感,是听觉器官对声音的音高、音强、音色、音长感觉之外的又一个感觉要素,它涉及到复杂的生理学心理学方面的问题。同时,声源方位感也是立体声技术的理论依据。
 

 

耳朵对于声音识别的原理
 

  下面,就为大家详细介绍声源方位感存在的原理与应用,卡斯摩音响租赁方便大家更好地研究和学习立体声技术等方面的北京专业音响租赁知识。

 

  一、时间差、相位差与声级差、音色差

 

  双耳效应借以定位的原理是时间差、相位差、声级差、声色差。

 

  (一)时间差和相位差

 

  时间差主要是指声音刚到双耳瞬间的先后差异。声波在常温下传播的速度为344m/s,当声源偏离听音人正前方中轴线时,耳A与耳B同声源之间的距离有差别,从而出现声音到达耳A与耳B之间的时间差。

 

  时间差作为声源定位机理,对正面和两侧的声源定位准确性较高,对来自后面的声源定位则误差较大。其原因尚不十分清楚。可能因为声音来自背侧,会因为左耳或右耳产生耳壳遮蔽效应,使得声音因衍射而时差有变化。

 

  因为人耳对声音有适应性,当声音到达基底膜的刹那间,毛细胞表现兴奋而灵敏。当声音持续刺激,毛细胞的反应相对地迟钝。因此突发声和瞬态声的声源定位准确性较高。

 

  一个迅速流动的声源,会吸引听觉的注意。因此,方位不断变化的声音,人耳对其方位辨认的误差较小。这就是近代立体声节目出现声移位的原因。

 

  一个连续的声音,虽然到达双耳也存在时间差,但是因为达到同一只耳朵的后续声掩盖了前面的声音,使时间差变得不明显。

 

  高频声与低频声传播速度是一致的,所以时间差同声源的频率无关。但相位差同声源的频率有关。当一个声音到达双耳,在两耳之间出现时间差的同时,亦必然出现相位差。在一定的频率范围内,相位差是声源方位感的信息之一。

 

  相位差定位机理在频率较低时效果较明显。例如,在常温中20Hz声音的波长是17m,200Hz为1.7m,时间差所形成的相位差人耳能够感觉出。而在声源处于高频区时,例如10kHz的波长 85px,20kHz是42.5px,时间差所造成的相位差甚至超过360°,等于开始另一个波长。这时的相位差作为定位信息已无任何作用,因为已无法分辨出相位属于滞后或超前。因而高频声属于“混乱的相位差”信息。
 

 


 

  (二)声级差和音色差

 

  声级差指声波到达两耳出现不同的声强。形成声级差的主要原因是遮蔽效应。前进中的声波如遇到几何尺寸等于或大于声波长的障碍物,会发生遮蔽效应。其原理是:高频声在传播遇到障碍物时,因无法越过障碍物,在障碍物后面形成声阴影区;低频声波长大于障碍物而在障碍物后面形成声衍射区。对声级差起重要作用的是高频声,因为高频声波不能绕过听者头部,所以处于声阴影区的那只耳朵比能够听到直达声的那只耳朵,声强级产生差异。频率愈高,声源偏离正面中轴线愈大,声级差就愈明里。

 

  从衍射效应的角度看,低频声当然也会形成声级差。但是由于头部直径为500px左右,低频声发生衍射时,多走的路程有限,因衍射而损失的能量很小,因而偏离中轴线的低频声,到达两耳的声级差几近于零,对声源定位作用不明显。

 

  遮蔽效应对音级差产生作用的同时,亦必然对音色差发生作用。我们知道,构成音色的主要成分是基础音及其上方各次谐波的分量。举例说,一个基频为200Hz,入射角为45°的复合波点声源,那么,它的基础音和低次谐波遇到头部障碍后产生衍射效应,其高次谐波则被头部遮蔽而出现高频声阴影区。这时,到达一侧耳朵的声音为直达声(原音色),到达另一侧耳朵的声音因为高频损失而使音色发生变化。大脑皮质根据两耳的音色差来辨认声源方位。由此可见,音色差是高频信号声级差的另一种反映。

 

  应该指出,音色差的形成主要是那些基频在60Hz以上的复合音声源。因为60Hz以下的声音高次谐波波长较大,遇到头部尺寸(直径约500px)的障碍并不产生遮蔽效应。例如基频为30Hz的声音,其16次谐波为480Hz,波长为0.716m,波长比头部直径大许多,双耳之间不会形成明显的音色差,其17、18、19次谐波,强度很弱,对音色构成意义不大。因此,60Hz以下的声音比中频、高频声的声源方位感准确率要低。

 

  从强度差和音色差对双耳效应作用中,可以推想,纯音比复合音难以定位,原因在于纯音是正弦波(单个波),不能构造音色差。

 

  (三)声源深度感

 

  声源深度感是听音人与声源之间的距离,所以声源深度感又称声源距离定位。

 

  声源深度感常常同某个数字模式相联系。当我们听到一个声音时,我们除了感觉到这个声音发生的大致方位外,还会感觉到这个声音发生的大致距离。若要精确地感觉到声源的深度,则要熟悉声场环境,熟悉声源音色,或者直接借助视觉去测量声源与自己的距离。由此说明,声源深度感是后天形成的,可训练的。

 

  深度定位主要通过声波衰减的程度来判定。声波在辐射过程中,能量随传播的距离而损耗,首先是高次谐波中振幅较小的先衰减,形成音色变化。人耳听到声信号后,同大脑储存的声信号作比较,从而判断这个声信号声源的深度。

 

  深度感的另一途径是声源比较法。当有数个不同距离的声源(阵声源)存在时,人耳可通过靠近的点声源来推测出其它声源的深度。多个不同距离和入射角的点声源所形成的阵声源,使听觉产生声音的宽度感和包围感。再重复一句话:声源深度感通常同视觉并联,靠视觉形成经验,靠视觉帮助精确定位。

 

耳朵对于声音识别
 

  (四)时间差和声级差的组合

 

  双耳效应所产生的各种差别,对声源方位感都可以单独发生作用。在它们相互结合时,则产生综合作用。如果它们的作用相反(正常情况下极少发生),那未就相互抵消。近代立体声技术的实践证明,时间差和声级差的组合,对声源方位感效果十分明显。实验证明,在一定条件下,1ms时间差相当于5?12dB的声级差,其关系可互换。

 

  在一个混响时间超过正常声学要求的大厅里,声源的反射声、混响声级大大超过其直达声。这时,人耳对声源的第一波阵面的刺激最为敏感,如果反射声和混响对于直达声延时40?60ms,人耳尚可能把握声源方位。如果延时超过这个范围,人耳无法分辨原发声到达双耳的时间差和声级差,就会产生分离的方向感,或混乱的方向感。这就是为什么一个回声很重的大厅里,人们常常不容易把握声源方位,需要用眼睛定位的缘故。

 

对于声音识别的原理
 


  二、声源方位感机理

 

  古典心理声学认为,人对声源感觉主要依靠双耳听音差别,称为双耳效应。如同双眼观察景物产生透视感、立体感一样,通过双耳对声音强弱差别的感觉,可以判断声音来向、产生立体声感。直到现代,双耳效应仍是声源方位感的主要理论根据。但近年来,专家发现单耳丧失听力的人,仍有声源方位判断能力,于是提出了耳壳效应这个新理论,使声源方位感理论更趋完善。

 

  声源方位感的机理十分复杂。双耳效应的原理认为:由于双耳位置在头部两则,假如声源处于人的正前方的中轴线,则声音到达双耳的时间、声强级和相位是一样的;假如声源偏离听音人正前方的中轴线,则声音到达两耳的距离不等,因此,声音到达两耳会出现时间差和相位差。同时,因为一侧耳朵出现遮蔽效应因而两耳之间出现声级差、音色差。

 

  声源方位感是先天就具备的生理功能,然而声源方位的宽度、深度及一切与数字相关的感觉,则与一个人后天的经验有关。

 


 

  三、耳壳效应

 

  早在一百多年前,就有人发现单耳失聪者,仍有辨认声源方位的能力,并提出过耳壳效应的设想,但不为人们所重视。直到本世纪六十年代,当立体声技术得到长足发展之后,人们认识到双耳效应对某些声源方位感觉难以解释,于是耳壳效应才得以被人重新认识。

 

  当我们还提时代,都可能做过一些有趣的试验,比如把耳朵往外拉成兜风耳,这时我们感觉到外界的声音突然变大变清楚了;如果把耳朵向后按到贴住头骨,又会发现声音减弱了。如前所述,耳壳有反射并聚集声音的功能。同时由于耳壳凹凸不平,因此,耳壳不同的部位所产生的反射声,比直达声稍迟进入耳鼓,形成比直达声极短延时量的重复声,重复声比直达声的延时量因入射角不同而异。

 

  耳壳效应对判断来自听音人背后的声音也有效。当一个声音来自背后时,耳壳将阻挡了这个声音的高频泛音,这样,同前方的声源相比,出现了明显的音色差;同时,由于耳壳的遮蔽作用,来自背后的声音将不产生重装音。大脑听觉区将这些信息同以往掌握的信号相比较,从而得出声源出自背后定。
 

 


 

  四、单耳效应

 

  单耳效应是指双耳效应原理范围内的单耳聆听定位功能。毫无疑义,一个双耳听力正常人主要以双耳聆听来辨认声源方位。然而一个有趣的事实告诉我们,人们不是平均使用双耳去聆听音响,而侧重地使用一边耳朵。

 

  例如,当一个点声源,出现在听音人左侧偏离中轴线35°的近处时,听音人听到声音并同时测出声源的大致方向;倘若听音人被该声源的音响所吸引,那么便会将头转向左方35°使自己的中轴线对准声源,以便用双耳(同时使用双眼)来辨认声源的准确位置;假如声源仍未准确测出而吸引力进一步加强时,听者会将头部向右转动用左耳向着声源方向,并向声源靠拢,直至找到声源准确位置为止。这个过程,亦即判断→校正→寻的三步曲,反映出听觉定位全身协调机制,同时说明单耳聆听在定位中的重要意义。

 


 

  五、骨导定位机理

 

  双耳效应、单耳效应和耳壳效应的原理,给听觉定位提供了主要依据,似乎听觉器官的声源方位感机理已经得到全面的解答。然而细细一想,发现听觉定位机理中的一些细节,仍未得到完全合理的解释。例如来自听音人背后的声源,人耳是如何辨认出来的。按照双耳效应和耳壳效应原理,来自背后声音的辨认,主要是根据耳壳遮蔽效应,形成了背后声音与正面声音的音色差,而这种音色差的感觉出自大脑听觉对以往的经验对比。试验证明,三个月的婴儿就能够判断出来自背后的声音,同样地,一个成年人可以判断出一个来自背后而从未听到过的音响。由此可见,人耳背后声源的定位不能仅仅归结为音色差。

 

  专家们认为,必定还有一种听觉功能,来辅助人耳判断来自背后声源方位。这功能就是骨导定位机理。

 

  关于骨导定位的可能性,历来颇有争议,争议的焦点不是颅骨能否传导声波,而是外界声波有多大比重由气导转化为骨传。有学者认为,声波在传播的过程中,从一种媒质进入另一种媒质时,在两种媒质的分界上会发生反射和入射,根据牛顿第二运动定律,可算出声波在颅骨的入射和反射的声强。经计算,反射波的声强级达99. 89%dB,入射波仅为0.00003%dB,这表明外界声能量几乎全部被反射掉了,因此认定,骨导定位功能实际上不存在。

 

  笔者认为,关键问题是存在不存在入射波,如果承认入射波的存在,那么能量比重即使极微量,在临界限度以上,人耳就能感觉得到。

 

  耳蜗基底膜上的毛细胞既然能够感觉到位移为1/10埃(1埃相当于氮原子的直径)的振动,那么,人耳可以感觉到由骨导传入的微量声信息。
 

 

 

  我们知道,耳朵处于头颅两侧约4.6cm的深处,此处与头颅外表各部位距离不等,头颅外表正对声源的部位进入耳蜗的声波之间形成骨导时间差,同时两耳之间亦存在骨导时间差。声波在颅骨的传播速度为3013m/s,气导速度为344m/s,头颅外表各部位与耳朵的距离约4.6~15.4cm, 为此,骨导直达声与气导直达声之间存在时间差,大脑听觉区根据骨导时间差及骨导与气导之间的时间差,迅速判断出声源方位。

 

  从理论上说,骨导的定位功能是全方位的,因此,骨导定位机理对来自正面、侧面、背面和头顶上面的声波都有作用。不过骨导定位功能又是辅助性的、次要的,是对双耳效应和单耳效应、耳壳效应的补充。

分享请标注本文链接:http://www.bjcosmo.com/yxzs/223.html
更多分类信息:jbl专业音响租赁  jbl音响工程  

上一篇:音响租赁可用APP无线遥控的播放器   下一篇:卡斯摩灯光租赁为您报道广州灯光节

评论列表(网友评论仅供网友表达个人看法,并不表明本站同意其观点或证实其描述)
热门tags 最新公告 相关作品 更多文章

北京音响租赁、北京灯光租赁、北京舞台搭建合作机构