人听觉系统的单声源定位
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人听觉系统的单声源定位
人对声源的定位包括方向定位和距离定位两方面。
方向定位主要来自：
双耳时间差
双耳声级差
头部转动
频谱因素
等
距离定位也是多个原因共同作用。
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双耳时间差
声波从声源传递到双耳的时间差，是声源方向定位的重要原因。
当声源位于中心垂直面时，双耳时间差为0。当声源偏离中心垂直面时，声源到左右耳距离不同，所以存在时间差。
假设忽略人头形状，双耳间距2a，入射平面声波（假设声源距离人耳非常远）角度θs。声速c。
通过下图简单的几何计算，容易得到双耳时间差为
假设人头近似为半径a的球，则双耳时间差为
头部尺寸a和双耳时间差相关，所以这是个性化的定位原因。
取头部半径9cm，90°时双耳时间差约为670us，即0.67ms。虽然这个延时时间非常短，但却能很好地确定低频声波的方向。
双耳时间差*2*pi*频率即为双耳相位差。
在低频的时候，双耳时间差只与角度相关，与频率无关。
当头部尺寸（双耳间距）等于声波半波长时，大概对应700Hz左右的频率，从90°侧向入射的声源会使得双耳声压刚好反相（相位差180°）。此时，双耳相位差开始出现不确定因素。头部或者声源运动可以消除这种不确定性。
而当频率大于1.5kHz时，头部尺寸（双耳间距）大于声波波长，双耳相位差可能大于2*pi(360°)，导致定位混乱。
所以双耳时间差主要对低频段的方向定位产生影响。当然，声源入射角度减小时，频率上限会提高。
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双耳声级差
双耳声级差是声源方向定位的另一个重要原因。当声源偏离中垂面时，由于头部遮蔽效应，即头部对声波的阴影和散射作用。
尤其是在高频，与声源同侧声压提升，反侧声压衰减。
双耳声级差可以通过HRTF计算或仿真得到。
双耳声级差主要对中高频段的方向定位产生影响，可大致认为从700Hz以上开始起作用。
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头部转动
上面讨论的低频双耳时间差，以及中高频双耳声级差是判断声源方向的两个重要原因。
但仅仅基于上述两种原因，无法解释人的听觉系统如何判断声源来自前方还是后方，以及如何判断声源高度的问题。这就需要引入一个“混乱锥”的概念。
恒定双耳时间差的点集组成一个空间的锥形表面，被称为“混乱锥”。相应的，恒定双耳声级差的点也会存在一个集 合。
尤其是中垂面上下角度变化，所产生的双耳时间差和双耳声级差都为0，所以不能解释中垂面上下前后定位的问题。
所以这个时候，需要考虑头部转动的影响，即动态因素。人会动态旋转头部来动态识别声源方位，使得声源偏离中垂面或者混乱锥。这个已经被实验所证实。
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频谱因素
前面讨论的都是双耳的定位原因。研究表面，耳廓，包括头和躯干对声波的反射和散射引起的声压频谱特征也是声源方向定位的原因，尤其是对垂直方向和水平方向的前后镜像位置。
一个不同声源方向入射的简化示意图
其频谱的差异
当然实际情况会更复杂。
不同类型的人耳朵差异很大，就算是一个人的左右耳也会有生理性的差异，所以这也是个个性化的指标。
