前言

　　立體聲技術(shù)的核心是通過聲音的空間分布，還原真實(shí)的聲源定位與空間感。然而立體聲技術(shù)自20世紀(jì)中葉商業(yè)化以來，始終執(zhí)著于水平聲場(chǎng)的營(yíng)造，卻在垂直維度聲場(chǎng)的呈現(xiàn)幾乎處于空白狀態(tài)。這種技術(shù)取向絕非偶然，而是人耳生理特性、技術(shù)發(fā)展路徑與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景共同作用的結(jié)果，以下從多個(gè)角度展開分析。

　　立體聲技術(shù)由人類的聽覺系統(tǒng)發(fā)展而來，核心是如何判斷聲源的方位。其原理可概括為三個(gè)步驟：首先在錄音現(xiàn)場(chǎng)布置多個(gè)麥克風(fēng)，通過不同位置的設(shè)備采集聲音;接著分析各麥克風(fēng)記錄的時(shí)間差和音量差(例如左側(cè)聲源會(huì)先到達(dá)左麥克風(fēng)且聲音更響);最后通過技術(shù)處理強(qiáng)化這些差異，最終在播放時(shí)還原出聲音的方位感。就像用兩個(gè)耳朵聽聲辨位，技術(shù)手段放大了物理空間中的聲音線索。

　　聲源的空間方位通常由水平方位角、垂直仰角及距離構(gòu)成的三維坐標(biāo)系描述‌。

圖片來源【1】

　　人耳對(duì)聲源的定位機(jī)制可分為水平與垂直兩個(gè)維度：在水平面內(nèi)，主要通過雙耳時(shí)間差(ITD)和雙耳強(qiáng)度差(ILD)兩類聽覺線索進(jìn)行判斷‌;在垂直維度上，則主要依賴耳廓的濾波效應(yīng)——耳廓復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)會(huì)使聲波產(chǎn)生與入射方向相關(guān)的反射和衍射，形成特有的頻譜特征‌。

　　01

　　人耳生理機(jī)制的限制

　　1、水平定位與垂直定位的差異

　　人耳的雙耳效應(yīng)(若一點(diǎn)聲源偏離聽音人正前方主軸方向，到達(dá)兩耳的聲音就會(huì)產(chǎn)生差別，聽覺系統(tǒng)就能通過左右聲道接受聲音的時(shí)間差、強(qiáng)度差和相位差判斷聲源位置)對(duì)水平方向(左右、前后)的定位極為敏感。例如，德·波埃效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)左右聲道存在強(qiáng)度差或時(shí)間差時(shí)，人耳能清晰判斷聲源的水平偏移位置。然而垂直方向(上下)的定位依賴頭部形狀、耳廓反射等復(fù)雜因素，其生理機(jī)制遠(yuǎn)不如水平定位直接。

　　例如，外耳對(duì)高頻聲波的反射會(huì)因聲源高度不同而產(chǎn)生細(xì)微變化，但這種差異需結(jié)合頭部運(yùn)動(dòng)或視覺輔助才能被大腦解析。因此，傳統(tǒng)雙聲道立體聲系統(tǒng)難以通過簡(jiǎn)單的左右聲道差異直接模擬垂直聲場(chǎng)。

圖片來源【2】

　　*頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(HRTF)：通過特定濾波處理表征聲波從外耳傳輸至鼓膜過程中所有聽覺效應(yīng)‌?；谌硕馄侍卣?如耳廓、耳道結(jié)構(gòu))構(gòu)建的這類濾波器，在時(shí)域表現(xiàn)為有限沖激響應(yīng)(HRIR)，在頻域則定義為頭部相關(guān)傳遞函數(shù)(HRTF)‌。

　　應(yīng)用該函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器可對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行空間化處理，通過疊加聲源方向與距離的空間聲學(xué)特征‌，使處理后的聲音產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)原始方位一致的聽覺定位效果‌。

　　2.、心理補(bǔ)償效應(yīng)

　　人耳對(duì)垂直聲場(chǎng)的感知更多依賴心理聯(lián)想，而非物理聲學(xué)特性。例如高頻音常被主觀聯(lián)想為“高處”，低頻音則對(duì)應(yīng)“低處”，但這種感知并非真實(shí)聲場(chǎng)定位。手機(jī)外放因頻響范圍狹窄，可能完全喪失高低音的空間感，而高保真設(shè)備通過頻段還原可間接營(yíng)造縱向?qū)哟胃?，但這種層次并非嚴(yán)格的空間垂直定位。

　　02

　　技術(shù)與實(shí)踐的局限性

　　1.、錄音與混音的傳統(tǒng)習(xí)慣

　　錄音設(shè)備(如話筒)通常以水平平面布局為主，極少采用垂直方向的拾音方式?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境中，聲音源(如人聲、樂器)多分布于水平平面，而來自地面或天花板的聲音極為罕見，導(dǎo)致錄音工程中垂直聲場(chǎng)的需求被忽視。

　　即使現(xiàn)代環(huán)繞聲系統(tǒng)(如杜比全景聲)嘗試引入高度聲道，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)也依賴復(fù)雜的多聲道布局與后期算法合成，傳統(tǒng)立體聲系統(tǒng)則缺乏此類硬件支持。

　　2、雙聲道系統(tǒng)的物理約束

　　傳統(tǒng)雙聲道僅依賴左右兩個(gè)揚(yáng)聲器，起聲場(chǎng)模擬范圍受限于揚(yáng)聲器的物理位置。若通過擺位(如高架或降低音箱)強(qiáng)行引入垂直維度，可能導(dǎo)致聲像混亂或相位干擾。此外，雙聲道系統(tǒng)對(duì)聲源縱深的模擬已需依賴音色、混響等間接手段，垂直維度的添加會(huì)進(jìn)一步增加技術(shù)復(fù)雜度。

　　03

　　需求與應(yīng)用場(chǎng)景的缺失

　　1、 日常聽覺的局限性

　　人類聽覺經(jīng)驗(yàn)中，垂直方向的聲音(如雷聲、飛機(jī)轟鳴)多伴隨視覺信息(如閃電、飛機(jī)軌跡)，純聽覺的垂直定位需求較低。即使VR等新興領(lǐng)域嘗試模擬三維聲場(chǎng)，其技術(shù)核心仍是通過頭部追蹤與HRTF(頭部相關(guān)函數(shù))算法間接實(shí)現(xiàn)，而非依賴傳統(tǒng)立體聲的物理聲道。

　　2、 市場(chǎng)與技術(shù)成本的權(quán)衡

　　引入垂直聲道需增加揚(yáng)聲器數(shù)量或采用更復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)(如空間音頻編碼)，這會(huì)顯著提升設(shè)備成本與用戶使用門檻。相比之下，傳統(tǒng)立體聲系統(tǒng)已能滿足多數(shù)場(chǎng)景下的聽覺需求，市場(chǎng)缺乏推動(dòng)垂直聲場(chǎng)普及的動(dòng)力。

　　04

　　未來可能性與突破方向

　　盡管傳統(tǒng)立體聲系統(tǒng)對(duì)垂直聲場(chǎng)的支持有限，但技術(shù)進(jìn)步正在逐步打破這一局限：

　　空間音頻技術(shù)： 基于HRTF算法的耳機(jī)虛擬環(huán)繞聲，可模擬三維聲場(chǎng)，包括高度信息。

　　多聲道沉浸式系統(tǒng)： 如杜比全景聲(Dolby Atmos)通過頂部揚(yáng)聲器或反射聲實(shí)現(xiàn)垂直聲場(chǎng)，但其普及仍受限于家庭影院的硬件配置。

　　心理聲學(xué)的深度應(yīng)用：通過混音技術(shù)增強(qiáng)音色與動(dòng)態(tài)范圍的層次感，間接引導(dǎo)聽者對(duì)垂直維度的感知。

　　傳統(tǒng)立體聲對(duì)上下方向聲場(chǎng)的忽視，本質(zhì)上是人耳生理特性、技術(shù)發(fā)展路徑與實(shí)用需求共同作用的結(jié)果。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸式音頻等技術(shù)的興起，垂直聲場(chǎng)的模擬逐漸成為可能，但其實(shí)現(xiàn)仍需突破雙聲道系統(tǒng)的物理限制，并依賴算法與硬件的協(xié)同創(chuàng)新。未來，聲場(chǎng)技術(shù)的“立體化”或?qū)乃狡矫娴耐卣罐D(zhuǎn)向真正的三維空間。

　　參考文獻(xiàn)

　　【1】https://blog.csdn.net/qq_44100263/article/details/144536242?【2】 https://mq.mbd.baidu.com/r/1A7OIsJnxg4?