北京
图片来源：lacienciadelcafe
当你听到一个突然发出的声响，往往会下意识地扭头朝声音发出的方向看去。我们可以利用声音获取信息、躲避危险。
你有没有想过，我们的两只耳朵是如何在三维空间精确地定位声音来源的？如果一只耳朵失聪，只用单耳是否就只能听到声音而无法判断声音的方位？
要回答这个问题，我们需要了解人是如何判断声源的方向（左右、前后、上下）以及距离的。
双耳判断声音方向
双耳空间听觉（binaural spatialhearing）是最主要的声音定位机制。其实，人类对不同方向的声音，敏感度是不同的。具体说来，我们对身体左右两边的声源最为敏感，其次为前后，再次为上下。也就是说，我们最容易分辨声音是来自左边还是右边，最不容易分辨声音是来自上方还是下方。人类的双耳是靠两个主要因素判定声音来源的方向的：声音传到两个耳朵的时间差（interaural time difference，简称ITD）和声级差（interaural leveldifference，简称ILD），后者代表声音大小的差别。最早提出这个理论的是英国物理学家瑞利（Rayleigh）。1896年，瑞利提出了“双耳效应”理论。当声音频率低于1500赫兹时，声音会先到达靠近声源那一侧的耳朵，然后才到达另外一只耳朵。这个时间差我们称为ITD。当声音频率高于300赫兹时，听力健康的人都能够感知声源的方向。而当声音频率高于1500赫兹时，声音波长比人的头颅宽度短，使得声音在传播到较远的耳朵时被头颅阻挡，这个现象被形象地称为“头颅影子现象”（head shadow effect）。这个现象使得处在“头颅影子”里的耳朵（如下图中的左耳）所接收到的声音的强度要低于另一只耳朵，这就是ILD。早在20世纪60年代，科学家就发现，人类能够分辨的最短时间差仅仅为10微秒，而最小的声级差仅为1分贝，可见我们的听觉有多么灵敏。
耳廓效应：一只耳朵也能定向
假如声源是左右居中而上下不同，那么它们发出的声音到达左右耳的时间应该相同，音量也相同，我们就无法利用时间差和声级差来分辨声音的方向了。那人类是怎样定位前后、上下的声源的呢？这要归功于另一种重要的声音定位机制——耳廓效应（pinna effect）。耳廓对声音的影响很容易检验：试着用手指将双耳耳廓往后压平，你会发现，同样的声音听起来就会有不同的效果，对于低频声音这个现象更为明显。当外界的声音传播到人耳时，耳廓会对其起反射作用，从而产生一组短暂延时的反射声。人类耳廓的形状不像碟型天线那样对称、平滑，而是不规则的长卵形，上面有很多形状各异的突起和凹陷。这样，来自不同方向的声波被耳廓反射后，所产生的反射声组在时间和强度上会存在细微的差别。譬如，由于人耳为长卵型，来自上方的声音产生的反射声组延时就会比来自水平方向的声音产生的反射声组延时要稍微长一点。我们的大脑就能利用这些差别来判断声音的方向。
耳廓效应也称为单耳效应。实际上，由于耳廓的作用，我们用一只耳朵就可以在很大程度上分辨三维空间中声音的来源。虽然人类的耳朵看起来都差不多，但仔细观察一下就会发现，我们每个人的耳廓形状千差万别，并不完全相同。一般人或许不会意识到，从我们一出生，我们的神经系统就在不断地学习如何利用自己独特的耳廓来准确判断声音的方位。经过多年的学习和训练，我们的大脑早已习惯接听由这一双形状固定的耳廓所影响的声音，可以自如地通过散射后反射声的细微差别来检测声源方向。
耳廓效应有很多有趣的应用。例如，在声学物理中可以用头相关变换函数（Head Related Transfer Function，即HRTF）来描述它。如果改变耳廓的形状，HRTF就会改变，所听到的声音也相应改变。现在高级的音频技术就可以利用HRTF，通过控制声音在延时和强度上的细微差别，用一副耳机就能“骗过”你的大脑，让你感受到震撼的环绕立体声效果。耳廓效应对我们选择耳机也有指导作用。入耳式耳塞直接将声音射入耳洞，完全不受耳廓的影响；而包耳式耳机发出的声波会首先经过耳廓，这与自然状态下声音的传播路线更为相似。所以单从耳廓效应来看，相比于入耳式耳塞，包耳式的大耳机在空间感上更为自然。选择戴上后耳机较宽松，尽量不改变耳廓形状的包耳式耳机，有利于获得更自然更真实的声场。
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来源：科学世界
编辑：悦悦
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