听觉系统的奥秘——监听声音的方向

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3 |! e7 q* i3 I( [9 z听觉系统的奥秘——监听声音的方向
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1 ]4 F$ S- i6 H$ m听觉其中一大作用是判断事物的方位。我们的耳朵可以让我们粗略地知道声音来源于哪个方向。

" ^4 U3 j& @- j1 S每只眼睛约有一百万个神经节细胞位于视网膜上，从视觉上说，我们大概共有两百万个信息通道来判断事物在哪儿。但对于听觉而言，其瓶颈在于它只有两个通道：左右耳的鼓膜。想要通过振动的声波来定位声源，就像是在湖边放两个设备来捕捉湖水的涟漪，从而判断湖上有多少只船以及船分别在哪儿。其困难度可想而知。



我们的大脑通过一系列方式来解决这个问题。之前也写过相关文章简要介绍过。

人听觉系统的单声源定位

离声源近的耳朵能最先听到声音，这种声音到达两只耳朵的时间差可以用来判断声源方位。这类信息叫作双耳时间差。

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离声源近的耳朵听到的声音更响，这类信息叫作双耳声级差。
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这两类信息都可以在水平面上对声音进行定位：低频率声音靠时间差；高频率声音靠声级差）。
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) Q. U$ h$ Y6 [但这种定位存在模糊地带。因为声音不只在水平面发生，还可能在前在后，或在上在下。试想一下，和你在同一水平面，位于你右前方45°的声音，与位于你右后方45°的声音或位于你右上方45°的声音，它们在双耳时间差和双耳声级差上一模一样，你将很难利用这两个信息区分它们。这便形成了“混乱锥”。幸好，我们会借助其他信息来减少模糊。



* y" J0 ~# F4 B: g- Q' }4 S) V若想声音在垂直面上进行定位，则需要利用声音的频谱信息。声音传来的方向会影响它在外耳（即我们通常认为的“耳朵”，不过专业点说叫“耳廓”）的反射方式。不同频率的声音会根据声源方向的不同被增强或减弱。另外，我们两只耳朵的形状略微不同使得对声音的影响程度不同，这更加有利于借助声音的波谱信息进行判断。


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大脑的主要判断依据是双耳时间差，该信息在当其他信息相互冲突时占主要地位。而提供垂直面信息的频谱信息不那么准确，通常会造成误导。
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. W; s& M+ s% L2 u正是因为这种定位的模糊，我们才会在听声音时转动脑袋。通过不断读取某个声源的多条信息，我们可以覆盖这种不确定性，建立一套综合而相互补充的证据库，来判断声音可能从何而来。比如鸟儿不断转着它的头，有时候正是它在听虫的声音，并和我们一样来降低声音位置的不确定性。

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声音包含的信息越多，越容易定位。所以包含不同频率声音的噪声，更容易定位。这便是要在车辆的鸣笛声中加入宽频带的白噪声的缘故，而不是像过去一样使用纯音信号。

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0 p/ L& P6 A7 i8 W+ e- d回声是更能误导人的一个因素。通过考察我们处理回声的方式，我们可以很好地感受声音定位的复杂性。大多数环境，包括房间、会场、山谷等等都会产生回声。
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* D6 m2 t6 _. n1 y, @% P  B5 r判断单个声音从哪里来已经足够困难了，更不必说要区分各种各样的原声、反射及其混响，而它们都在从不同方向朝你涌来。不过，幸好听觉系统对于这种造成位置误判的干扰因素有专门的机制来加以缓和。
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) k; ?2 ~; Q" \) |/ v/ d/ m! v9 h当原声和回声在非常短的时间里先后到达你的耳朵时，大脑会将它们合并成组，并仅以最先到的原声来表示整个组。这在哈斯效应，也称优先效应中很容易体会到。
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! a6 w$ b, c5 t! ?( w7 j2 \哈斯效应产生作用的声音时间差阈值为30～50毫秒。如果两个声音到达的时间差足以超过该阈值，那么你就会听到两个声音从两个地方传来。这就是我们通常所说的回声。通过制造回声，并让时间差从高于阈值慢慢缩短到低于阈值，你会感受到该效应带来的影响。

" Y: H% f7 `: u) j/ E* n不妨尝试朝一面巨大的墙（比如天坛的回音壁）拍手，以此来体会哈斯效应。请站在离墙约10米远的地方，然后拍手。在这个距离，拍手制造的原声和回声的时间差将会超过50毫秒。所以，你会听到两个声音。
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! L8 R2 _. A' }现在朝墙的方向走去，并继续拍手。大约在离墙5米远的地方——原声和回声的时间差低于50毫秒——你将不再听到两个声音。原声和回声已经合并，它们好像成了一个声音，从原声的方向传来。此时优先效应正在起作用。当然，这只是用来帮助更好地判断声音位置的众多机制中的一个。

/ s4 J$ M' ?6 t4 i不管怎样，听觉能快速粗略地告诉我们声音从哪里来并足以让我们转过头去进行处理。