耳机里的声音为什么会有方向感？在影院看电影的时候

在影院看电影的时候，我们能感受到声音从我们的左边、右边、后边甚至是头顶传进我们的耳朵，从而给我们带来更好的听觉体验。这种能够使声音具有空间方向感的技术被称为环绕声技术，它能让听众体验到与现场几乎一致的声场。
那么，如何才能实现这种环绕声技术呢？显然，最简单的思路是，在我们的耳朵四周放尽可能多的扬声器，这样不同的扬声器重放的声音能够让人耳感应到声音来自不同的位置，这也是电影院空间音频的设计思路。
但是，对于个人来说，这样会增大我们的设备成本。与具有复杂音响设备的电影院不一样，我们的耳机只用左右两个扬声器也可以实现这种效果。这种用两个入耳式耳机发出空间中任意方向声音的技术被称为虚拟环绕声技术，也被称为沉浸式空间音频技术，是我们接下来要关注的重点。

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图片来源：WWDC2020
空间音频的目的是为了让人耳对重放的声音有更真实的空间感。因此，要深入了解空间音频技术，首先需要我们思考一个问题——人类是如何判断声音方向的呢？
人类双耳如何判断声音方向
大家都知道，我们可以凭借一只耳朵来感受声音的响度、音调和音色。但是，如果想辨别出声音的方向，就要依靠两只耳朵了。原因在于两只耳朵才可以听出时间差和声级差。时间差是指声音抵达两只耳朵时间的前后差别，声级差则是两只耳朵听到声音能量的大小差别。
比如在下图场景中，声源在我们的右边时，我们的右耳会先听到声音，之后声音才会到达左耳。声波在空气中的传播距离越长，能量会越来越小，因此右耳听到的声音能量要大于左耳。

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那么仅仅依靠时间差和声级差这两个因素，就可以实现声源在三维空间中的定位吗？
别着急，先看看下面这个场景。
如下图场景，当声音从我们的正前方和正后方发出的时候，到达双耳的时间差和能量差都是零。也就是说，当声音到达两耳的时间差和能量差都是零时，我们无法区分声音是从正前方来的，还是正后方来的。

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那么，问题又来了，双耳怎么辨别声音的前后方向？事实上，声音从发出到被我们的耳朵听到，经历了三个过程——传播过程、生理过程和心理过程[1] 。由于生理过程和心理过程几乎不可操控，在这里我们仅仅关注传播过程。
传播过程也称为物理过程，是指声源发出的声波经由介质到达耳廓，再通过耳道传递到鼓膜并引起其振动的过程。这是一个极其复杂的过程，人耳廓构造的不同会使声波经由耳廓影响后形成的波形不尽相同。
显然，正前方声源的传播过程和正后方声源的传播过程是不一样的！因为我们的耳朵并不是前后对称的。来自正前方的声音经过耳廓反射，可以直接进入耳道；而正后方的声音则需要绕过耳廓才能进入耳道。也正是由于这种不同，我们才可以分辨出声音来源的前后。

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耳廓相当于一个给声音进行“加密”的设备，而我们的大脑经过长时间的学习，已经完全掌握了这门“解密技术” ，因此，可以轻而易举地听出声源的前后方位。