引子:HIFI里面,比较玄学的是声场;耳烧里面,争论得很多的,也是声场。更有甚者,提出了耳机/耳塞无声场论。 迫使我不得不静下心来,撰写这篇声场的物理性/数学性解剖。注意:本文将涉及到一些数学推算,所以希望有兴趣的朋友认真阅读,不要走马看花。另外,本文核心内容和数学证明,是属于本人原创,非网络转载,如果有错误之处(基本上是无错误的,但是有缺陷,我会在文中指出);也请各位心平气和的共同探讨以进一步完善。但是,我不欢迎专牛角尖类型的探讨。文章将要解决的问题:1) 什么是声场。2)耳塞有无声场。3)为何耳机声场不如箱子。4)如何通过软件运算来模拟扩大声场距离感。5)箱子的摆位如何影响声场。6)究竟如何获取最真实的声场。第一节:什么是声场。不少老烧,说听出了ES3声场是椭圆的,UE10是长方的,650是四方的,等等等等。 我个人感觉是四个字 “莫名其妙”!在我的理解里,声场,就是简简单单的:原始音源的方位角+距离。比如通过耳机,我想大概听到,耳机里面的那声鼓,大概在我右前方的多少角度,大概多远。OK,就说声纳吧,玩的就是声场,定义敌舰,简单来说,就是敌舰(也就是原始音源)的方位角为60度,距离30KM.声场的定义明确下来,我们才可以有的放矢,才可以数学建模,来用数学的方式表达和证实声场。那么,人的耳朵,能感觉到这个声场的存在么?当然能! 实际上,人的听觉定位能力如果用数学来描述,将是非常复杂 (至少到现在为止,科学家还没有真正完全揭开听觉定位的深度秘密)。总的来说,人的听觉定位,最主要还是由两大因素限定: 两耳的时间差,强度差。另外,相位差也是一大重要因素,但是数学描述复杂,同时重要性弱于时间差和强度差,所以本文不涉及讨论。声源发声时,声源到两耳的距离一般来说并不相等.因此到达2耳的声音也就不完全相同,而是具有一定的强度差和时间差.一般我们近似的把人头当做一个球体来处理,对于一般人来说两耳间距为17厘米左右.那么,时间差的作用是什么? 强度差的作用又是什么?时间差的作用,我的认为是:判定声场中的方位角。强度差的作用,我认为是:判定声场中的距离。为什么说是时间差可以判定声场的方位角?很简单的例子:两耳间距17cm,那么不管哪个地方哪个方向发出的声音,时间差不会超过两耳间距/声速,也就是Max(dT)=0.17米/(340米/秒)=0.0005秒。 很惊讶吧,大脑能够根据小于0.0005的时间差距来判断出声音来自那个方位角。Max(dT) 0.0005秒,发生方位角a=0或者180度的情况下,也就是,当音源-左耳朵-右耳朵成一直线的情况下—这个应该很好理解。当方位角a变化的时候,dT也发生相应的变化,a=0度开始,dT慢慢减少,一直到a=90度的时候,音源距离左右耳朵相等,此时dT=0。然后,超过90度后,左耳朵开始先听到声音,此时dT变成负的了。一直到a=180度,此时dT= - 0.0005秒。时间差解决了方位角问题,但是,它无法解决距离L问题。很简单的例子: 音源不管是在100公里外,还是在1米外,只要音源是和左右耳朵成一直线,那么dt一直是0.0005秒。根据dt,大脑根本无法判断音源究竟离耳朵多远。 这个艰巨的任务,交给了强度差来处理。插一句,理解的读者应该看出这里面有个问题,即耳朵如何通过时间差来判断前后方向的问题,因为声音是X轴对称的。实际上,这是由人耳耳廓结构造成的HRFT来判定前后的,我下文会详细讲解。还是回到老问题上,左右耳声音强度差如何判断出音源距离。声音,在空气中的传播,有一个很重要的特点,就是声音强度在离开音源后,先急速下降,再慢慢下降,强度的衰减的速度随着距离的增加而减缓。一个简单的例子:你把耳朵贴在喇叭上,即使喇叭声音很低,也会觉得太响了。离开喇叭才10cm,声音马上就降低下来;再离开1米,声音降低的程度就随着距离的增加开始减弱。这种特性,用图来表示,就是这么一种曲线。用数学来描述,就是强度P=原是强度P/距离的平方,也就是P(L)=P(原)/L2. 这是本文里面非常重要的一个基本公式,我会在后面证明阶段用到。当然,这是最精简的示意性质的声音强度公式,实际情况是非常复杂的。讨论完声音强度的特性和公式后,我们再回到原先的话题上,耳朵如何通过强度差来判断音源位置距离。这里的强度差,是指左右耳听到的声音强度之差。举一个例子:拿起你的右手,尽量贴近你的右耳朵,打一个响指,OK,是不是右耳朵被很响的震了一下,左耳朵则没听到多少声响? 也就是,此时左右耳声音强度差很大。而且,你的大脑在那个0.0005秒的瞬间,计算出:我靠!这么大的强度差,肯定音源就在我耳边,距离非常近!然后,你再试试看,不要再贴近你的右耳朵,用右手在右前方再打一个响指,此时,是不是右耳朵听到的还是比左耳朵响?但是,此时的强度差没有刚才那么大了。当然,你的大脑也在瞬间反应出来:强度差不大,呵呵,这种强度差,音源差不多距离我半米左右吧。呵呵,通过这个活生生的例子,你基本上明白了,强度差和音源距离的关系。强度差越大,表明音源越近,你的大脑越容易判断出大概距离。--这是由声音强度衰减特性决定的,距离越近,衰退越快速。强度差越低,表明音源越远,你的大脑越难判断出大概距离。