人們常說的聽聲辨位就是人們在聽到聲音以后，能辨別出聲音是從哪個方向傳播過來的，而聲音在不同環(huán)境下傳播的又不一樣，這就是人耳對聲音方向感的作用。
聲源方位感，是聽覺器官對聲音的音高、音強(qiáng)、音色、音長感覺之外的又一個感覺要素，它涉及到復(fù)雜的生理學(xué)心理學(xué)方面的問題。同時，聲源方位感也是立體聲技術(shù)的理論依據(jù)。
一、時間差、相位差與聲級差、音色差
雙耳效應(yīng)借以定位的原理是時間差、相位差、聲級差、聲色差。
1. 時間差和相位差
時間差主要是指聲音剛到雙耳瞬間的先后差異。聲波在常溫下傳播的速度為344m/s，當(dāng)聲源偏離聽音人正前方中軸線時，耳A與耳B同聲源之間的距離有差別，從而出現(xiàn)聲音到達(dá)耳A與耳B之間的時間差。
時間差作為聲源定位機(jī)理，對正面和兩側(cè)的聲源定位準(zhǔn)確性較高，對來自后面的聲源定位則誤差較大，其原因尚不十分清楚�？赡芤�?yàn)槁曇魜碜员硞?cè)，會因?yàn)樽蠖蛴叶a(chǎn)生耳殼遮蔽效應(yīng)，使得聲音因衍射而時差有變化。
因?yàn)槿硕鷮β曇粲羞m應(yīng)性，當(dāng)聲音到達(dá)基底膜的剎那間，毛細(xì)胞表現(xiàn)興奮而靈敏。當(dāng)聲音持續(xù)刺激，毛細(xì)胞的反應(yīng)相對地遲鈍。因此，突發(fā)聲和瞬態(tài)聲的聲源定位準(zhǔn)確性較高。
一個迅速流動的聲源，會吸引聽覺的注意。因此，方位不斷變化的聲音，人耳對其方位辨認(rèn)的誤差較小，這就是近代立體聲節(jié)目出現(xiàn)聲移位的原因。一個連續(xù)的聲音，雖然到達(dá)雙耳也存在時間差，但是因?yàn)檫_(dá)到同一只耳朵的后續(xù)聲掩蓋了前面的聲音，使時間差變得不明顯。
高頻聲與低頻聲傳播速度是一致的，所以時間差同聲源的頻率無關(guān)，但相位差同聲源的頻率有關(guān)。當(dāng)一個聲音到達(dá)雙耳，在兩耳之間出現(xiàn)時間差的同時，亦必然出現(xiàn)相位差。在一定的頻率范圍內(nèi)，相位差是聲源方位感的信息之一。
相位差定位機(jī)理在頻率較低時效果較明顯。例如，在常溫中20Hz聲音的波長是17m，200Hz為1.7m，時間差所形成的相位差人耳能夠感覺出。而在聲源處于高頻區(qū)時，例如10kHz的波長85px，20kHz是42.5px，時間差所造成的相位差甚至超過360°，等于開始另一個波長。這時的相位差作為定位信息已無任何作用，因?yàn)橐褵o法分辨出相位屬于滯后或超前。因而，高頻聲屬于“混亂的相位差”信息。
2. 聲級差和音色差
聲級差指聲波到達(dá)兩耳出現(xiàn)不同的聲強(qiáng)，形成聲級差的主要原因是遮蔽效應(yīng)。前進(jìn)中的聲波如遇到幾何尺寸等于或大于聲波長的障礙物，會發(fā)生遮蔽效應(yīng)。其原理是：高頻聲在傳播遇到障礙物時，因無法越過障礙物，在障礙物后面形成聲陰影區(qū)；低頻聲波長大于障礙物而在障礙物后面形成聲衍射區(qū)。對聲級差起重要作用的是高頻聲，因?yàn)楦哳l聲波不能繞過聽者頭部，所以處于聲陰影區(qū)的那只耳朵比能夠聽到直達(dá)聲的那只耳朵，聲強(qiáng)級產(chǎn)生差異。頻率愈高，聲源偏離正面中軸線愈大，聲級差就愈明顯。
從衍射效應(yīng)的角度看，低頻聲當(dāng)然也會形成聲級差。但是由于頭部直徑為500px左右，低頻聲發(fā)生衍射時，多走的路程有限，因衍射而損失的能量很小，因而偏離中軸線的低頻聲，到達(dá)兩耳的聲級差幾近于零，對聲源定位作用不明顯。
遮蔽效應(yīng)對音級差產(chǎn)生作用的同時，亦必然對音色差發(fā)生作用。我們知道，構(gòu)成音色的主要成分是基礎(chǔ)音及其上方各次諧波的分量。舉例說，一個基頻為200Hz，入射角為45°的復(fù)合波點(diǎn)聲源，那么，它的基礎(chǔ)音和低次諧波遇到頭部障礙后產(chǎn)生衍射效應(yīng)，其高次諧波則被頭部遮蔽而出現(xiàn)高頻聲陰影區(qū)。這時，到達(dá)一側(cè)耳朵的聲音為直達(dá)聲（原音色），到達(dá)另一側(cè)耳朵的聲音因?yàn)楦哳l損失而使音色發(fā)生變化，大腦皮質(zhì)根據(jù)兩耳的音色差來辨認(rèn)聲源方位。由此可見，音色差是高頻信號聲級差的另一種反映。
應(yīng)該指出，音色差的形成主要是那些基頻在60Hz以上的復(fù)合音聲源。因?yàn)?0Hz以下的聲音高次諧波波長較大，遇到頭部尺寸（直徑約500px）的障礙并不產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)。例如基頻為30Hz的聲音，其16次諧波為480Hz，波長為0.716m，波長比頭部直徑大許多，雙耳之間不會形成明顯的音色差，其17、18、19次諧波，強(qiáng)度很弱，對音色構(gòu)成意義不大。因此，60Hz以下的聲音比中頻、高頻聲的聲源方位感準(zhǔn)確率要低。
從強(qiáng)度差和音色差對雙耳效應(yīng)作用中，可以推想，純音比復(fù)合音難以定位，原因在于純音是正弦波（單個波），不能構(gòu)造音色差。
3. 聲源深度感
聲源深度感是聽音人與聲源之間的距離，所以聲源深度感又稱聲源距離定位。
聲源深度感常常同某個數(shù)字模式相聯(lián)系。當(dāng)我們聽到一個聲音時，我們除了感覺到這個聲音發(fā)生的大致方位外，還會感覺到這個聲音發(fā)生的大致距離。若要精確地感覺到聲源的深度，則要熟悉聲場環(huán)境，熟悉聲源音色或者直接借助視覺去測量聲源與自己的距離。由此說明，聲源深度感是后天形成的，可訓(xùn)練的。
深度定位主要通過聲波衰減的程度來判定。聲波在輻射過程中，能量隨傳播的距離而損耗，首先是高次諧波中振幅較小的先衰減，形成音色變化。人耳聽到聲信號后，同大腦儲存的聲信號作比較，從而判斷這個聲信號聲源的深度。
深度感的另一途徑是聲源比較法。當(dāng)有數(shù)個不同距離的聲源（陣聲源）存在時，人耳可通過靠近的點(diǎn)聲源來推測出其它聲源的深度。多個不同距離和入射角的點(diǎn)聲源所形成的陣聲源，使聽覺產(chǎn)生聲音的寬度感和包圍感。再重復(fù)一句話：聲源深度感通常同視覺并聯(lián)，靠視覺形成經(jīng)驗(yàn)，靠視覺幫助精確定位。
4. 時間差和聲級差的組合
雙耳效應(yīng)所產(chǎn)生的各種差別，對聲源方位感都可以單獨(dú)發(fā)生作用。在它們相互結(jié)合時，則產(chǎn)生綜合作用。如果它們的作用相反（正常情況下極少發(fā)生），就相互抵消。近代立體聲技術(shù)的實(shí)踐證明，時間差和聲級差的組合，對聲源方位感效果十分明顯。實(shí)驗(yàn)證明，在一定條件下，1ms時間差相當(dāng)于512dB的聲級差，其關(guān)系可互換。
在一個混響時間超過正常聲學(xué)要求的大廳里，聲源的反射聲、混響聲級大大超過其直達(dá)聲。這時，人耳對聲源的第一波陣面的刺激最為敏感，如果反射聲和混響對于直達(dá)聲延時40-60ms，人耳尚可能把握聲源方位。如果延時超過這個范圍，人耳無法分辨原發(fā)聲到達(dá)雙耳的時間差和聲級差，就會產(chǎn)生分離的方向感，或混亂的方向感。這就是為什么一個回聲很重的大廳里，人們常常不容易把握聲源方位，需要用眼睛定位的緣故。
高頻陰影區(qū)示意圖
二、聲源方位感機(jī)理
古典心理聲學(xué)認(rèn)為，人對聲源感覺主要依靠雙耳聽音差別，稱為雙耳效應(yīng)。如同雙眼觀察景物產(chǎn)生透視感、立體感一樣，通過雙耳對聲音強(qiáng)弱差別的感覺，可以判斷聲音來向、產(chǎn)生立體聲感。直到現(xiàn)代，雙耳效應(yīng)仍是聲源方位感的主要理論根據(jù)。但近年來，專家發(fā)現(xiàn)單耳喪失聽力的人，仍有聲源方位判斷能力，于是提出了耳殼效應(yīng)這個新理論，使聲源方位感理論更趨完善。
聲源方位感的機(jī)理十分復(fù)雜。雙耳效應(yīng)的原理認(rèn)為：由于雙耳位置在頭部兩側(cè)，假如聲源處于人的正前方的中軸線，則聲音到達(dá)雙耳的時間、聲強(qiáng)級和相位是一樣的；假如聲源偏離聽音人正前方的中軸線，則聲音到達(dá)兩耳的距離不等。因此，聲音到達(dá)兩耳會出現(xiàn)時間差和相位差。同時，因?yàn)橐粋?cè)耳朵出現(xiàn)遮蔽效應(yīng)因而兩耳之間出現(xiàn)聲級差、音色差。
聲源方位感是先天就具備的生理功能，然而聲源方位的寬度、深度及一切與數(shù)字相關(guān)的感覺，則與一個人后天的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。
時域掩蔽示意圖
三、耳殼效應(yīng)
早在一百多年前，就有人發(fā)現(xiàn)單耳失聰者，仍有辨認(rèn)聲源方位的能力，并提出過耳殼效應(yīng)的設(shè)想，但不為人們所重視。直到本世紀(jì)六十年代，當(dāng)立體聲技術(shù)得到長足發(fā)展之后，人們認(rèn)識到雙耳效應(yīng)對某些聲源方位感覺難以解釋，于是耳殼效應(yīng)才得以被人重新認(rèn)識。
我們可能都曾做過一些有趣的試驗(yàn)，比如把耳朵往外拉成兜風(fēng)耳，這時我們感覺到外界的聲音突然變大變清楚了。如果把耳朵向后按到貼住頭骨，又會發(fā)現(xiàn)聲音減弱了。如前所述，耳殼有反射并聚集聲音的功能，同時由于耳殼凹凸不平，因此耳殼不同的部位所產(chǎn)生的反射聲比直達(dá)聲稍遲進(jìn)入耳鼓，形成比直達(dá)聲極短延時量的重復(fù)聲，重復(fù)聲比直達(dá)聲的延時量因入射角不同而異。
耳殼效應(yīng)對判斷來自聽音人背后的聲音也有效。當(dāng)一個聲音來自背后時，耳殼將阻擋了這個聲音的高頻泛音，這樣，同前方的聲源相比，出現(xiàn)了明顯的音色差。同時，由于耳殼的遮蔽作用，來自背后的聲音將不產(chǎn)生重復(fù)音。大腦聽覺區(qū)將這些信息同以往掌握的信號相比較，從而得出聲源出自背后定論。
四、單耳效應(yīng)
單耳效應(yīng)是指，雙耳效應(yīng)原理范圍內(nèi)的單耳聆聽定位功能。毫無疑義，一個雙耳聽力正常的人主要以雙耳聆聽來辨認(rèn)聲源方位。而一個有趣的事實(shí)告訴我們，人們不是平均使用雙耳去聆聽音響，而側(cè)重地使用一邊耳朵。
例如，當(dāng)一個點(diǎn)聲源，出現(xiàn)在聽音人左側(cè)偏離中軸線35°的近處時，聽音人聽到聲音并同時測出聲源的大致方向；倘若聽音人被該聲源的音響所吸引，那么便會將頭轉(zhuǎn)向左方35°使自己的中軸線對準(zhǔn)聲源，以便用雙耳（同時使用雙眼）來辨認(rèn)聲源的準(zhǔn)確位置；假如聲源仍未準(zhǔn)確測出而吸引力進(jìn)一步加強(qiáng)時，聽者會將頭部向右轉(zhuǎn)動用左耳向著聲源方向，并向聲源靠攏，直至找到聲源準(zhǔn)確位置為止。這個過程，亦即判斷→校正→尋的三步曲，反映出聽覺定位全身協(xié)調(diào)機(jī)制，同時說明單耳聆聽在定位中的重要意義。
