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从“双耳时间差”到“元宇宙”：听觉如何塑造空间感？
作者：Matthias Scholz
用户界面设计师、应用声学博士
我们听觉系统有一个非常强大的能力——定位声源的位置。
无论是在交通安全导航，还是在游戏、家庭影院中营造逼真声场，声音的空间属性都至关重要。
我们如何定位声音？
首先，听觉系统会利用双耳时间差（图1a）。
正前方或正后方传来的声音会同时到达双耳。但如果声源偏左或偏右，声音就会先后到达两只耳朵，产生微小的时间差。从另一个角度看，双耳接收到的其实是同一声音的不同相位。
两耳时差 图1a：当声音来自前方，双耳时间差为零（左）。当声音来自侧面，头的尺寸约为20厘米，声速为340米/秒，最大时差为0.58毫秒（右）
在低频情况下，我们的大脑能很好地解析相位差。但频率升高后，波长可能短于头部尺寸，导致双耳接收到的相位出现混淆，甚至出现“虚假匹配”（图1b）。
两耳相位差 图1b：通常耳朵会感测到相位差（左），根据频率和入射角度，它们可以检测到虚假相位匹配（右）。
幸运的是，我们还有第二条线索：头部遮挡效应。
当声音从侧面传来，头部会在另一侧形成“声影区”。频率越高，遮挡效果越明显。低频声音波长较长，能绕过头部，双耳听到的声音强度相近；而高频声音波长较短，会被头部阻挡，导致远离声源的那只耳朵听到的声音变弱。
此外，耳廓的形状也会提供重要的频谱线索。
耳廓不仅会阻挡非正前方的高频声，其复杂结构还会对声音进行反射和滤波，增强或减弱某些频率。你可以试着转动头部感受一下：当偏离声源时，高频会略微减弱——这种细微变化平时不易察觉，却是定位声源的重要依据。
双耳声记录和重放
我们通常需要双耳才能获得真实的空间听感，因为左右耳的听觉差异是定位声源最强的线索。而正前方或正后方声源最难定位，因为双耳接收的信息非常相似。
更重要的是，我们的方向感很大程度上基于个人经验，与头部、耳廓、耳道的大小和形状密切相关。听觉系统会逐渐建立一个“参考数据库”，比如“从后方传来的声音听起来较闷”。因此，要想实现逼真的空间声效，就必须还原听觉系统所期待的全部信息。
目前主流的双耳声记录与重放技术使用“人头与躯干模拟器”（HATS）采集声音，再通过耳机回放。这种方式能高度还原人与声场的交互，广泛应用于声学主观评价，属于静态双耳声重放。
而随着 “元宇宙” 兴起，AR/VR 场景中我们希望能实现动态双耳声重放：头部转动时，声音方向也随之变化；或同一段音频在不同虚拟环境中呈现不同效果……这些都要求声音系统能实时响应听者动作与环境参数。
由此可见，我们之所以能精准地感知声源方位，得益于听觉系统与大脑对多种线索的复杂集成与解码。这项看似本能的能力，其背后是生命演化的奇迹。而双耳声技术的目标，正是为了在虚拟世界中忠实地复现这一奇迹。
理解并模拟我们的听觉，不仅是为了更好的产品，更是为了拓展人类感知世界的维度，让技术在追寻“真实”的道路上不断前行。
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