人通过双耳判断声源的方向和远近，称为双耳定位。双耳定位的主要依据是声音到达两耳的时间差和强度差。一般来讲，双耳确定方向的准确度高于确定远近的准确度。从心理声学的观点来看，人们对三维声音的感知是受多种因素决定的。对三维声音感知与定位的研究占了相当重要的地位。关于声音感知和定位的研究可追溯到１９０７年Rayleigh提出的Duplex理论。Rayleigh认为人们对于声音的定位主要基于两种信息：一种是声音到达两耳的时间差(ITDs)；另一种是声音到达两耳的强度差(IIDs)。Rayleigh所用到的时间差和强度差仅仅是通过一个简单的物理模型而获得的, 因此Duplex理论中的时间差和强度差只与声源和两耳的距离之差有关。Rayleigh还指出在定位高频声音信号时, 强度差应起着相对重要的作用。而在定位低频声音信号时，时间差起着相对重要的作用。但是，这种简单地根据声源与双耳的距离之差计算出的时间差与强度差作为声音定位依据的方法具有很大的局限性，假定人的双耳所处的位置是对称的，如图3.45所示，从双耳连线的中点向外扩展的圆锥面上与其中心轴所对称的两点，例如Ａ和Ｂ点，它们到达两耳的距离之差完全相等，因此根据Duplex理论就不能分辨出这两个声源的位置, 在声学上, 这个从双耳连线中点向外扩展的圆锥称为"误区圆锥"（Cone of Confusion）。从我们的生活经验可知,现实生活中人的双耳是确实能分辨误区圆锥上的对称点的。因此Rayleigh的Duplex理论几乎无法正确解释三维声音的感知。在以后的声学研究中, 人们着重致力于对耳部的研究, 许多学者一致认为正是由于耳部具有许多方面复杂的结构, 才使得人耳能正确感知来自空间各个方向的声音。但是由于耳廓的构造过于复杂, 而且声波同声源传递到鼓膜处之间发生的变化不仅仅是因为耳廓的影响, 人的头部和躯干(特别是肩膀对声波的反射和散射作用)也起着很大的作用, 因此研究声波在这样一个复杂环境中的变化几乎是不可能的。所幸我们关心的只是在声源处的声波和传递到鼓膜处的声波之间的关系。对于其中间的变化过程可以忽略不计。声波从声源到鼓膜处的变化也可以看作是人的双耳对声波的滤波作用。近年来的研究进一步表明, 人耳的这种滤波作用在声音的空间定位过程中扮演着极为重要的角色。在声学领域中, 人们将声波从自由场传到鼓膜处的变换函数称之为与头部相关的传递函数(Head-Related Transfer Function, 简称HRTF)。 　图3.45 误区圆锥 　　 　　Batteau在他的实验中也指出, 人耳廓的复杂结构能对声波产生一个很小的时间延迟, 这个时间延迟大约在0-300微秒之间, 而正是由于这个很小的时间延迟使得到达鼓膜处声波的谱内容与声源处声波的谱内容大不一样。由于耳廓有着一种独特的结构, 它对自由场中传来的声波产生的微小时间延迟、共振和散射等变换共同构成了HRTF。同时由于双耳相距一定距离和单个耳廓的不对称性, 使得在空间中不同位置产生的声波所产生的变换均不同。正是由于这种差异使得人的双耳能正确区别来自空间中不同位置的声音。 　　近年来, 随着声音测量技术的不断发展, HRTF已被广泛应用于三维声音系统。作为合成声音的一个有效手段, HRTF主要应用于产生模拟的三维真实感声音效果, 这种方法的前题是认为产生模拟三维真实感声音最有效, 最精确的方法是参照它从自由场传递到鼓膜时的变化, 将产生于声源的声波变换成直接作用于鼓膜的声波。从理论上讲, 在模拟产生的三维真实感声音应该与自由场中传递到鼓膜的声波完全一致, 而正是由于这种一致性, 使得人耳能辨别出模拟三维真实感声音的方向和位置。 　　尽管人的耳廓是影响HRTF的主要因素, 但不可否认的是除耳廓之外, 还有许多因素也同样对HRTF产生影响, 这些因素包括: 头部、耳道、肩膀和躯体等等。在这些众多的因素之中, 有的起着相对重要的作用, 有的则作用较弱。Gierlich首先将影响HRTF的一些主要因素分成两类: 一类是与方向有关的因素, 这类因素包括躯体影响, 肩膀反射, 头部衍射和反射, 耳廓和耳腔的反射, 另一类是与方向无关的因素, 这些因素包括耳腔共振以及耳道与鼓膜的阻抗, 如图3.46所示, Gierliceh还将与方向有关类的因素, 按照其作用的大小逐一排列, 排在最底下的因素时HRTF影响最大, 而排在最上面的因素则对HRTF影响最小。而那些与方向无关因素的作用也不容忽视。耳道可以看作是连接鼓膜和外耳的声音传输通道, 这是一个大约长为2.5厘米的管状通道, 其直径大约为7-8厘米, 耳道的功能就好象是乐器的共振管, 它能改变声音的谱内容。Blauert和Hammershoi在他们的实验中证实对于绝大多数情况下, 耳道对HRTF的影响是与方向有关的。但是测量耳道的共振特性非常困难, 而且用不同的测量技术会得到差别很大的结果, 耳膜是耳廓所包容的一个共振区域, 它位于耳道的开口处, 它对HRTF的影响是与方向有关还是与方向无关取决于测试声音的频率范围和测试的位置。一般来讲, 它对HRTF的影响既有与方向有关的因素, 又有与方向无关的因素, 但是通常把与方向有关的因素, 归类于耳廓的反射, 而耳腔对声音产生的共振影响则是与方向无关的。 　　从声波的物理参数来看, HRTF对声波的影响主要表现在对声波的幅度和相位的改变, 不仅使得到达两耳的声波各自包含不同的谱内容, 而且与声源发出的声波也不同。HRTF主要受三个因素的影响: 　　① 个人因素: 不同的人有不同的HRTF, 这正是由于不同的人耳廓的构造及高矮等身体因素不同。 　　② 频率因素: 不同的频率会有不同的HRTF, 因此HRTF是频率的函数。 　　③ 位置因素: 不同的声源位置也决定了不同的HRTF, 因此HRTF也是频率的函数。 　　由于HRTF因人而异, 因此在测量的时候, 不同的测试者会得到不同的HRTF, 为了能在三维真实感声音系统中使用HRTF, 通常采用的折衷方法是将各人不同的HRTF值平均后得到了一个通用的HRTF。尽管通用的HRTF与各个所测得到的HRTF值不同, 但是在一定程度上通用的HRTF已是能够产生具有真实感的三维声音了。 　　通常测量HRTF的方法是将一种探针式麦克风放在测试者的耳道中, 然后在某一位置播放已知的特定频的声音信号, 再根据麦克风所获得的信号计算得到HRTF。到目前为止尚没有一种科学的, 精确的方法来测量HRTF。声学工作者从以下三个方面探求更好的测量方法: ① 减小测量数据的变异性, 也就是说在相同条件下测量的数据应该相同 　　② 提高测量仪器的信噪比 　　③ 寻找探针式麦克风在耳道中的最佳位置 　　尽管已有许多声学工作者在测重HRTF方面做了大量的工作, 但是多数成果是以曲线形式给出的, 以数据形式提供的HRTF数据并不多。目前可供使用的数据有两套: 一套是Shaw在他的文章中给出了耳平面上的HRTF数据, 另一套是MIT的媒体实验室提供的HRTF数据, 这套数据给出了不同的仰角和不同方位角的HRTF数据, 这套数据可通过Internet获取。 　图3.46 影响HRTF的诸因素