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耳机中的「空间感」是如何实现的?

2022-07-25数码

首先一个结论是,耳机所谓的空间感即耳机的空间音频技术将是未来耳机的趋势,也是VR和AR以及元宇宙等普及化的关键。

小伙伴们有没有发现在平时带着耳机听音乐的时候,我们会有立体3D的音效,就感觉像是自己身临其境。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,我们如何能让声音环绕着身边呢?最简单的思路就是把扬声器尽可能多的环绕在我们耳朵边,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。

可对于我们个人来说,这样不仅设备成本很高,而且还非常不方便!

与电影院不一样,我们的耳机只用左右两个扬声器就可以实现这种效果。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 空间音频技术(Spatial Audio)。它作为一个新朋友,我们先来认识它一下~


「空间感」一种新的体验
空间音频的目的是为了让人耳抓住声音中的信息,进行整合,让自己对环境的判断更有真实感。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—— 我们人类是如何判断声音方向的呢


小伙伴们都知道,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。
先回归到物理世界,声音借助空气传递到头部的耳朵外部时(注意是耳朵,还没通过耳道到达骨膜),如果不是正前正后方,一定会有两个变量:

时间差——两个耳朵听到声音是先后顺序,
能量差——两个耳朵听到声音大小的差别

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。



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?
其实呢,这还是比较困难的,我们再来看看下面这个场景。

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。


原因是外界声音经过耳郭被「加密」了

耳郭这种反射是高度个性化的,每个人的形状深浅完全不同,且随着年龄还会变化,换句话说,我们耳膜听到的声音,是被耳郭等各类反射后,进行了空间信息的「加密」,视为加密声。

假定是加密后的 声音2 这是自带了空间感的加密声音,当鼓膜听到后,大脑接受信息反向解密传递。从而,感受到声音发出的大致位置和变化。


假设用耳机来播放耳道声音2
这时,如果能够获得耳道声音2,用耳机直接来播放 ,大脑接收到信息,做出一样的判断,就达到了同样的效果啦!


那么,空间音频具体会带给我们什么不同的感受呢? 下面我们就一起来看看它的特别之处吧!

「空间感」一种新的聆听方式
众所周知,人类最先接触到的都是单声道的声音系统。但是由于声道数的限制,单声道的声音系统并不能满足人们的使用需求。
随着技术发展,人们在不断的追求,从单声道到双声道再到多声道立体声,而随着空间音频的技术创新,可以让你戴上支持空间音频技术的耳机之后,模拟出来一种多声道的环绕效果,甚至能让你有一种置身于IMAX影院的听觉享受。


空间音频依靠算法来实现,再配合上耳机中的陀螺仪来时刻检测人脑袋的运动方向,让你在转动脑袋的过程中感受到这是一种来自四面八方的声音。相比普通音频,空间音频让音乐中的一道道声音拥有了方位感。

还有一点,空间音频与普通音频相比,当它的技术制作发生改变时,也产生了后续的连锁反应,优创合影音乐总监、杜比全景声混音师池志成称:相比以往,空间音频可以避免制作时声音与声音之间的竞争。

比如一首歌曲中的吉他声和人声,在空间音频所构建的 3D 虚拟空间中位置是不一样,两者的音量、频段不会产生冲突,即使是同一时间播放两个甚至多个声音,体验仍然足够细腻。



简单来说,在你使用耳机来听歌或者看视频的时候,当你旋转脑袋的时候,耳机里的声音会跟着你一起旋转,环绕在你的周围,并且各种声音之间音质细腻。甚至,耳机声音大点感觉就像有人在你面前说话,临场效果拉满。


由于,这项技术通过捕捉我们头部的运动,来实现更加逼真的临场感,就像让我们置身于交响乐舞台中央。当你转动头部并被耳机捕捉到之后,无论是你前方的小提琴还是后方的大鼓,你都可以听见,从而获得更沉浸的效果。


换一种说法,就是当我们打开空间音频之后,你能听见前方有一个小提琴在你前方演奏,但是你转个身,小提琴跟着就跑到了你的身后啦!是不是感觉很神奇~

空间音频的「沉浸感」对人们来说是新颖而又贴近真实的听音方式,清晰的声音细节结合空间音频对方位、距离的精准定位,两者相辅相成,让我们身临其境般的融入歌曲当中。

好音乐当然要配好的音频技术!!!

看完了前面这些内容,是不是会觉得这些东西有一点晦涩难懂?其实空间音频确实是一项依靠多个传感器实现的复杂技术,想要简单解释确实有点难。

总的来说, 空间音频 就是能让你通过 两个耳机 实现在电影院才能体验到的 杜比全景声 效果,带给我们耳朵一种纯净的声音享受,这下是不是就觉简单多了?