高频声与低频声传播速度是一致的,所以时间差同声源的频率无关,但相位差同声源的频率有关。当一个声音到达双耳,在两耳之间出现时间差的同时,亦必然出现相位差。在一定的频率范围内,相位差是声源方位感的信息之一。
相位差定位机理在频率较低时效果较明显。例如,在常温中20Hz声音的波长是17m,200Hz为1.7m,时间差所形成的相位差人耳能够感觉出。而在声源处于高频区时,例如10kHz的波长85px,20kHz是42.5px,时间差所造成的相位差甚至超过360°,等于开始另一个波长。这时的相位差作为定位信息已无任何作用,因为已无法分辨出相位属于滞后或超前。因而,高频声属于“混乱的相位差”信息。
2. 声级差和音色差
声级差指声波到达两耳出现不同的声强,形成声级差的主要原因是遮蔽效应。前进中的声波如遇到几何尺寸等于或大于声波长的障碍物,会发生遮蔽效应。其原理是:高频声在传播遇到障碍物时,因无法越过障碍物,在障碍物后面形成声阴影区;低频声波长大于障碍物而在障碍物后面形成声衍射区。对声级差起重要作用的是高频声,因为高频声波不能绕过听者头部,所以处于声阴影区的那只耳朵比能够听到直达声的那只耳朵,声强级产生差异。频率愈高,声源偏离正面中轴线愈大,声级差就愈明显。
从衍射效应的角度看,低频声当然也会形成声级差。但是由于头部直径为500px左右,低频声发生衍射时,多走的路程有限,因衍射而损失的能量很小,因而偏离中轴线的低频声,到达两耳的声级差几近于零,对声源定位作用不明显。
遮蔽效应对音级差产生作用的同时,亦必然对音色差发生作用。我们知道,构成音色的主要成分是基础音及其上方各次谐波的分量。举例说,一个基频为200Hz,入射角为45°的复合波点声源,那么,它的基础音和低次谐波遇到头部障碍后产生衍射效应,其高次谐波则被头部遮蔽而出现高频声阴影区。这时,到达一侧耳朵的声音为直达声(原音色),到达另一侧耳朵的声音因为高频损失而使音色发生变化,大脑皮质根据两耳的音色差来辨认声源方位。由此可见,音色差是高频信号声级差的另一种反映。
应该指出,音色差的形成主要是那些基频在60Hz以上的复合音声源。因为60Hz以下的声音高次谐波波长较大,遇到头部尺寸(直径约500px)的障碍并不产生遮蔽效应。例如基频为30Hz的声音,其16次谐波为480Hz,波长为0.716m,波长比