A3.05.1Duplex theory of sound localization研究设计

定位依赖双耳时间差与强度差

别名: 双耳时间差 · 双耳强度差 · ITD · ILD

概念解释

人能不看就分辨出声音大致来自左边还是右边、偏前还是偏后,靠的是两只耳朵接收到同一个声音时存在的两种差异:声音到达左右耳的时间差(interaural time difference,ITD)和到达左右耳的强度差(interaural level difference,ILD)。这两种差异合起来构成双耳定位线索,是水平方向声源定位最主要的物理依据。

它容易被简单理解成"哪只耳朵先听到就是哪边",这只说对了时间差这一半;强度差是独立的第二条线索,两者在不同频率区间各自扛大梁。

机制

声源如果不在正前方或正后方,到左右耳的传播路径长度不同,会产生到达时间上的微小差异——这就是双耳时间差,人能利用这个差值判断声音偏向哪一侧,但这条线索只在低频才好用:波长较长的低频声音,两耳接收到的波形相位差能被神经系统可靠地跟踪、换算成到达时间差;波长一旦短过头部尺寸,相位差会出现周期性的模糊(同一个相位差可能对应好几个不同的实际时间差),时间差线索就失效了。

强度差则相反,在高频才明显:头部本身对声音有阻挡作用,波长短的高频声音更容易被头部"挡住"形成声影,导致远离声源那一侧耳朵接收到的强度明显更弱;波长长的低频声音很容易绕过头部衍射过去,两耳强度几乎没有差别,强度差线索在低频段基本不起作用。

于是这两条线索按频率分工:低频靠时间差,高频靠强度差,合称双耳定位的双重理论(duplex theory)。

怎么研究

典型做法是通过耳机分别控制送到两耳的信号,人为设定精确的时间差或强度差(脱离真实空间中两者必然同时存在的耦合关系),让被试报告感知到的声音偏向哪一侧、偏移多少,从而单独测出每种线索各自能产生多大的偏移效果,以及在不同频率下两种线索各自的权重。

常见自变量:人为设定的时间差或强度差大小、测试频率。 常见因变量:主观报告的声音偏侧方向与偏移量(有时用最小可觉察角度衡量精度)。

边界

  • 这两条线索能够解决的是声源偏左还是偏右这个维度;对于前后方向和上下方向,同一个时间差和强度差组合可能对应好条位置,双耳线索本身分辨不出来,这一点在下一条里展开。
  • 中等频率区段(人头尺寸对应的波长附近)两条线索都不够可靠,时间差开始出现模糊、强度差还不够大,是双耳定位效果相对较差的一个过渡区。
  • 这条机制成立的前提是两只耳朵都能正常接收声音;只用一只耳朵听,两种差异都无从产生,这一点在本组另一条里详细说明。

怎么落地

  • 做立体声或空间音频的方向编码时,单纯靠声道间音量差(传统的强度差式声像平移)来实现左右定位,对高频内容效果好,但低频内容几乎感觉不到方向变化——这也是为什么低音炮的物理摆放位置通常不需要严格居中也不太影响听感的空间定位准确性。
  • 如果需要覆盖全频段、精度更高的方向感(比如需要明确传达低频警示音来自哪一侧),只做音量平移不够,需要引入真正的双耳时间差编码(双耳渲染、基于头相关传输函数的处理),而不是仅靠强度差凑合。
  • 验证办法:分别用纯强度差平移和加入时间差编码的两种方式呈现同一段低频与高频内容,让听众分别报告方向判断的准确度,确认低频内容在纯强度差方案下是否确实定位模糊。

延伸

  • 同组A3.05.2 前后与上下方向的定位精度最低 · A3.05.3 单声道输出丧失全部定位信息
  • 相邻A3.06 鸡尾酒会效应(方向差异被用作提升选择性注意的一项线索,机制归属这里)
  • 站内检索interaural time difference · interaural level difference · duplex theory · binaural localization

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