立体声耳机重放时"头中定位效应"的消除
华南理工大学应用物理系 张承云 谢菠荪 谢志文
[摘要]本文探讨了双通道立体声耳机重放是"头中定位效应"的消除。实验结果表明，如果仅用人头传输函数（HRTF）对声音信号进行处理，能产生一定的声像方位感，但还不能很好地消除"头中定位"效应。而通过增加混响信号使声像有深度感，可在一定程度上起到改善声效的作用。
一、引言
重放双通道立体声除了用扬声器外，还可以用耳机。但用耳机重放时，声像常集中在人头内部，而不是在倾听着的前方分布，从而造成一种不自然的听觉效果，这就是熟知的"头中定位"效应。过去也有一些作者研究消除"头中定?quot;效应的问题[1]，然而到目前为止还没有很好的解决方法。一些心理声学的实验指出，"头中定位"效应的原因较为复杂，但至少与下面的原因有关：
（t-91）
1.扬声器重放中，左、右通道信号从扬声器经人头、耳廓等散射后再到达耳道入口，两路立体声信号在左（右）耳处的声压相迭加，从而模拟出双耳时间差，产生立体声像分布。而耳机重放中，左、右通道信号是直接馈入双耳的耳道入口，没有考虑人头耳廓等散射效应。也没有左右通道的交叉迭加，从而破坏了原声场的空间信息。
2.在扬声器重放中，房间的早期反射声及后期混响声对头外定位是重要的，而耳机冲方正是缺少这部分的信息。 3.耳廓对高频声波的散射效应对头外定位有较大的作用，而耳机重放中没有利用该效应。
近年来随着听觉传输技术和数字信号处理技术的发展[2][3]，使得"头中定位"效应的消除成为可能。下面探讨消除"头中定位"效应的具体方法。
二、利用听觉传输消除"头中定位"效应的原理
用扬声器重放双通道立体声时，左、右两扬声器对称的布置在倾听者的前方，它们所产生的声波经人头、耳廓等散射后，在双耳处迭加，从而在倾听者前方模拟出一定角度范围的声像分布。当耳机重放时缺少这种传播、散射与迭加过程。所以为消除"头中定位"应利用人头传输函数HRTF作信号处理，模拟声波的传输与散射过程。设扬声器重放时，左、右两扬声器道左右耳的（频域）传输函数分别为：Hll、Hrl、Hrr、Hlr（图1）。图过馈给左右扬声器的电信号分别为L、R，那么人的左右耳声压为：
http://www.hifi-china.com/lunwen/PIC/image/t-92.jpg
那么重放式双耳处的声压就和扬声器重放的情况一样，从而达到模拟声波传输与散射目的以消除"头中定位"。以上信号处理重用到的HRTF函数，可以利用人头的刚球模型计算[4]。也可以利用通过实验测量得到。MIT媒体实验室已完成这方面的工作，并将测量结果在互联网上公布[5]。理论计算的优点时容易调整影响HRTF的有关参数（如人头半径等）但缺点是没有考虑耳廓效应。而实验测量则相反。本文将采用MIT媒体实验室的结果，并模拟出±30°的标准扬声器布置。另外为进一步改善效果，还可以在上面处理的基础上适当加入人工延时、混响信号。
三、实验方法和结果
1.实验方法
实验所用的是语音信号（普通话男声），首先录制一段长度为20秒的左右通道相同的信号，然后再改变两通道的声压差，使d=20lg（L/R）分别为0、3、6、9、12、15、18、21、24Db。将这些信号按上面的方法处理（用VC++编程），再以WAV文件的形式存入计算机硬盘（44.1kHz采样，16bit量化）。声音信号从声卡输出后经音频放大器放大送给耳机重放。参加实验的人数共八名，这八人全部为听力正常的研究生、本科生，其中两人是声频专业的学生。实验时只要求倾听者定性判断空间听觉是在头内还是在头外。
实验分两个阶段进行。第一阶段是按（2）进行虚拟处理后的声音信号直接送给耳机重放；第二阶段除了对声音信号按（2）式进行虚拟处理外，还加入了人工延时混响信号。
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来源：中国影音器材网
