互动科普

为了建立临场的真实感和更为逼真的声音效果，人们开始了更深层次的寻求。环绕立体声虽然会让我们有身临其境的感觉，但却没有办法找出发声的准确方位。如此简单的3D音响效果已很难满足大多数电脑爱好者尤其是游戏玩家和喜欢CD音乐朋友的需求，于是，在一片呼喊声中，3D音效终于登场了。一种精巧的三维位置音效软件使普通的音箱发出的声音变得活灵活现。

1990年，Alastair Sibbald躺在英国南方海滨城镇德文郡的沙滩上晒太阳时突发奇想，当时，他既能听到在面前的大海上空飞翔的海鸥的叫声，又能听到他身后悬崖上的绵羊的叫声，而且这两种声音是完全分开截然不同的。他想，人们究竟是如何精确地判断这些音源的空间位置呢？计算机程序是否能重现这种三维音效呢？

现在Sibbald找到这些问题的答案了。作为英国米德尔塞克斯郡的“感觉氛围”公司(Sensaura公司)的首席科学家，他在过去10年中一直致力于开发一种堪称“数字口技”的软件。Sensaura公司开发的这种软件可以使普通的计算机音箱、电视机以及头戴的耳机等产生一种三维音效，使收听者产生一种幻觉仿佛该声音来自头部周围任何地方。该项技术已用于几千万台个人计算机的声卡芯片上。2001年11月，英国皇家工程院因Sensaura公司这项成就意义重大而授予该公司麦克罗伯特奖，这是英国最高的工程技术奖。

要想真正体会三维音效的不同凡响之处，人们必须亲耳听一听。最近我拜访了Sibbald的办公室，坐在一对音箱的前面倾听经过三维音效软件修饰后发出的一系列声音。我听到一只蜜蜂在我耳边响亮地嗡嗡叫着，然后飞到几英尺外的地方。继而我又听到这只蜜蜂在房间里飞来飞去，然后回到我的另一只耳边嗡嗡地叫起来。实际上我可以准确地指出我认为蜜蜂所在的位置。蜜蜂的飞行似乎忽快忽慢，其实它的运动全在软件的操纵之下。当蜜蜂被一只咆哮如雷的美洲虎取代后，其音效是如此逼真，以致我吓得几乎从座位上蹦起来。

人们通常依靠两只耳朵来准确地判定声音来自何方。我左耳的听力已经严重下降，尽管如此，该音效软件的效果仍然很好。当我坐在两个音箱之间的“最佳”位置(即到两个音箱的距离相等)时，音响效果最佳，我还可以转动头部或向两侧左右移动，而这种声音幻觉丝毫不受影响。

让一对音箱产生三维音效并非易如反掌的事情。Sibbard从听觉的基本原理入手。人脑依靠若干条线索来判断声音起源于何处，其中一项关键的线索来自于外耳的作用(进入人耳的声音经过外耳修饰后才到达耳膜)。Sibbald指出，外耳的作用与人在瓶口上吹气的效果相似一一从某一角度上吹气，就可以使瓶口产生一种特定的音调。外耳的各个部分的形状可以产生不同的共振作用，而人脑知道不同的共振意味着声音从不同的角度进入人耳。

Sensaura公司探寻出了模拟外耳的声音修饰作用的一种方法。最初该公司的研究小组采用一种市面上出售的“人造头”，即人的头部模型，其中耳鼓所在位置装上了微型的传声器。然而该模型不够精确，因此Sibbald采用乳胶之类材料来制作人工耳以获得更合适的质感。他把他自己的耳管作为模子设计出了人工耳管。不过他提醒说：“一般人不应把任何东西放进耳朵里。因为我是科学家．因此这样做不会出现问题。”

Sibbald测量了他的人工耳对来自头部周围不同位置上的声音的修饰效果，据此考察这些人工耳的共振特性。(虽然人耳的大小各不相同，但其形状却惊人地相似，因此修饰声音的效果也大同小异)。然后Sibbald把他的这些数据纳入了能够合成各种音响效果的软件中。

两耳的工作方式也是很重要的。声音极少同时到达两耳。人脑测定出声音到达一只耳朵和另一只耳朵的时间差(听觉时间延迟)，据此对声源位置进行进一步的计算。Sensaura的软件也利用了这一现象一一它将从两个音箱中播放出来的同一声音的时间稍微错开一点。如果通过耳机来听，这一时间延迟将使人脑判定声音来自头部周围不同的点。

不过，如果通过音箱来尝试同样的机理，那么产生三维音效就会遇到一个严重的问题一一跨耳串音(transaural acoustic cross talk)。当左耳听到来自右边音箱的部分声音时，或者右耳听到来自左侧音箱的部分声音时，便会出现这种串音问题。为了使大脑相信某一声音是从某一地点发出的，左右音箱必须以适当的听觉时间延迟(也就是当声音真的从该地点发出时大脑认为应该产生的时间延迟)发出声音。例如，如果该声音位置点位于收听者的左侧，那么左侧音箱发出的声音到达左耳的时间应该稍早于右侧音箱发出的声音到达右耳的时间。但通常的情况是，在右侧音箱发出的声音还没有得及到达右耳时，来自左侧音箱的声就已经绕过头部而进入了右耳。

哈斯效应(亦称优先效应)使这个本已令人头疼的问题更加严重。由于哈斯效应的作用，人脑在收到一个声信号后，将在40毫秒的时间内抑制任何类似的声信号。哈斯效应存在的原因是不言自明的：如果没有这种效应，在密闭的环境中我们的耳朵将一直充满回声和混响。Sibbald指出，“我们的先辈不会希望听到洞穴中剑齿虎咆哮的每一道回声。他们只希望听到第一声吼叫，这样就可以弄清剑齿虎在哪里。”

由于哈斯效应的影响，来自右侧音箱的延迟声信号如果紧跟在来自左侧音箱的同一声音之后进入右耳，右耳将对它不起反应，充耳不闻。为了克服这个障碍，Sensaura公司的工程师们仔细地给出了声音从每个音箱到达每只耳朵的路径。工程师们找出了惹起麻烦的串音路径，并发明了一个巧妙的系统来消除这些路径。来自一个音箱的串音将被来自另一只音箱的大小相等而方向相反的声波所抵消。当然，这一方法也存在它自己的问题：对消的声波同样会到达双耳，不仅干扰串音，同样也干扰正常的声音。因此Sensaura公司不得不设计出一组重迭信号来抵消这些用于抵消的声波。所有这些措施的最终结果令人耳目一新。在我欣赏Sensaura公司的三维音响系统期间，我可以不费吹灰之力就判定声音是来自我的前方还是两侧。这一幻觉并非十全十美一一当声音来自我们脑后时，我就有点稀里糊涂了。我以为那是我的耳朵有问题，但Sibbald告诉我即使是听力正常的人也可能遇到类似的麻烦。他引述了将受试者眼睛蒙上后在其正前方和正后方播放声音的实验结果。实验表明，有l5％到35％的受试者没有正确判断出声音的方向。人体正中平面(median plane，即把人体垂直分为两半的平面)的两侧各有一个小区域看来是听觉容易出问题的地方，它可能是我们听觉系统极为出色的微调能力的一个令人难解的空白。

迄今为止Sensaura公司的这项技术最热门的应用是在计算机游戏中，用它营造出一种有临场感的游戏环境，以增强电脑游戏的音效。该公司最近宣布，它的三维音效软件将用于微软公司推出的新一代Xbox游戏机中。这一软件还可以增强来自CD和MP3文件中的音乐效果，并为家庭影院提供三维环绕声效果。最令人心动的是，Sensaura公司正尝试将此项技术用于下一代手机，该软件可以使手机用户通过一个带立体声耳机的装置参加电话会议，感觉不同的发言者处在不同的方位。即使是世界上的口技顶尖高手要表演这样的绝招也有一定难度。

【李平／译 李爱珺／校】