1、哈斯效應(yīng)的定義及原理
當(dāng)聲場中存在兩個響度相同的聲源發(fā)出相同的音頻信號時，首先到達(dá)人耳的聲源被感知為聲音的唯一來源，而遲到的聲音似乎被忽略掉。這一現(xiàn)象被稱為“哈斯效應(yīng)”或“優(yōu)先效應(yīng)”。如圖1所示，假設(shè)在人頭D前方設(shè)有兩個特性相同的揚聲器，分別位于左側(cè)（L）和右側(cè)（R），它們源自同一音頻信號。當(dāng)左右兩個揚聲器的音量相等且延遲為零時，在聽者的正前方聽覺上不會感知到兩個聲源，而會感到只有一個等效聲源位于兩個揚聲器之間的位置，這個位置稱為“聲像”。如果L和R的音量相等，但L的音頻信號比R的信號延遲了幾十分之一 ms到幾 ms，聲像會從中心點“O”向右移動。當(dāng)延遲超過3ms時，聲像幾乎完全位于R的位置，聽者幾乎感覺不到L的存在，只感到R的音量增大。當(dāng)L的延遲繼續(xù)增加，達(dá)到30到50ms時，雖然聲像位置仍在R，但聽者仍能感覺到L的存在。當(dāng)延遲超過50ms時，聽者明確感到L的存在，并將其視為R的“回聲”。如果L的音量低于R的音量，產(chǎn)生回聲感的時間延遲會更長。[1]
聲像位置的移動和回聲感是復(fù)雜的主觀聽覺現(xiàn)象，與信號的頻率、音量、相位和延遲以及L和R兩個聲源之間的距離（聲像寬度）、聽者與聲源的距離（如圖1中的D所示）、聽者相對于中心線的位置等多個因素相關(guān)。此外，實際聽眾的聲學(xué)環(huán)境（包括混響時間和反射面的位置）也會影響這些效應(yīng)。特別需要注意的是，聲源的方向感也與視覺效果有關(guān)。如果聽者可以看到畫面或舞臺上實際聲源的位置，只要聲像位置不大幅度偏離視覺聲源位置，聽覺和視覺的方向感會保持一致。如果聽者直接看到發(fā)聲的揚聲器，那么這種視覺感受會在很大程度上影響聽覺的聲像位置感知。
圖1 兩聲道測聽實驗框圖[1]
此外，哈斯的實驗還揭示了一個重要發(fā)現(xiàn)：對于延時在10到25ms之間（在30ms以內(nèi)的短延時）的聲音，必須將其音量電平提高約10dB以上，與未延時的聲音相比，才能產(chǎn)生相同的聽覺響度。這一發(fā)現(xiàn)在圖2中展示為著名的"哈斯曲線"。簡而言之，當(dāng)聲源存在10到25ms的延遲時，需要顯著增加聲源的音量，約10dB左右，才能感知到兩個聲源同時存在，并使聲音位置居中，聽起來的響度相同。換言之，10到25ms的時間差與大約10dB的音量差產(chǎn)生了類似的聽覺效果。
圖2 哈斯曲線[2]
2、哈斯效應(yīng)的應(yīng)用
2.1擴(kuò)聲系統(tǒng)中的應(yīng)用
在劇場演出中，主揚聲器通常位于舞臺口兩側(cè)，導(dǎo)致觀眾席的前排和后排聽眾面臨不同的聲音響度，引發(fā)聲場不均勻的問題。為減小聲壓級的差異，一些劇場引入了頂部揚聲器或中區(qū)側(cè)部揚聲器，但這引發(fā)了哈斯效應(yīng)，聽眾感覺聲音來自不同的方向，與演員在舞臺上表演的聲音不一致。如圖3所示。
圖3 多揚聲器引起的哈斯效應(yīng)[2]
高級劇場通過對頂部揚聲器和側(cè)部揚聲器擴(kuò)聲系統(tǒng)進(jìn)行延時處理，將聲音同步傳送到聽眾耳朵，以彌補(bǔ)哈斯效應(yīng)帶來的聽覺與視覺不一致。這些處理通常在輔助音箱和環(huán)繞音箱的功率放大器前加裝延時器，根據(jù)音箱位置的不同進(jìn)行不同的延時處理，以確保觀眾席位置的聲音與舞臺前面的聲音保持同步，從而實現(xiàn)聽、視覺的協(xié)調(diào)一致。
2.2混音中的應(yīng)用
聲像布局是混音的關(guān)鍵步驟之一，它通過合理布局和技術(shù)處理，創(chuàng)造出一個二維的平面空間，形成具有寬度和深度的立體聲場。在流行音樂中，常規(guī)的立體聲聽感聲場布局是一個扇形二維聲場空間，如圖4所示。主要的四個聲部包括主唱人聲（或主奏樂器）、大鼓、軍鼓和貝斯，它們通常位于聲像的正中間靠前位置。而聽覺定位的三大依據(jù)是聲源間的強(qiáng)度差、時間差和頻率差。依據(jù)哈斯效應(yīng)，將兩個相似聲源分別布置于左右聲像位置，將左聲源加上短延時5-30ms，而同時將右聲源的音量電平降低5-10dB，逐漸調(diào)節(jié)參數(shù)比例。這樣，在重放時，人耳對左右聲源間的強(qiáng)度差和時間差會產(chǎn)生特殊的聽感，使得單一音源變得更加豐滿、有空間感，并在水平方向上大大擴(kuò)展了整個聲場。這種立體聲混音技法稱為差異鏡像擴(kuò)展法，又稱“哈斯技巧”[3]。
圖4 扇形聽感聲場示意圖[3]
2.3疏散指示系統(tǒng)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)應(yīng)急疏散標(biāo)志燈在濃煙環(huán)境下通常不明顯，因此科研人員考慮將聲音與疏散標(biāo)志燈結(jié)合使用[4]。然而，回音問題使得人們難以確定聲音來源。為此，科研人員提出了一種基于哈斯效應(yīng)的疏散指示系統(tǒng)[4]。在火災(zāi)發(fā)生時，從安全出口的揚聲器開始依次發(fā)出聲音，受困人員雙耳聽到的聲音仿佛是從安全出口方向傳來的，使其用最的快速、最短的時間奔向安全出口。
如圖5所示，疏散通道的天花板上安裝了一系列消防語音引導(dǎo)音箱。由于相鄰兩個揚聲器之間的語音信號存在延遲，從安全出口的揚聲器開始，聲音依次發(fā)出。這種設(shè)置使得逃生者感覺聲音就像是直接從安全出口發(fā)出的一樣，從而引導(dǎo)他們朝著安全出口的方向逃生。
圖5語音引導(dǎo)系統(tǒng)示意圖[4]
2.4樂隊排列中的應(yīng)用
在傳統(tǒng)的交響樂隊排列中，根據(jù)各種樂器與指揮臺以及觀眾之間的距離，一般將排布分為弦樂、木管、銅管和打擊樂。根據(jù)哈斯效應(yīng)的原理，聽眾首先感知到弦樂聲音，這一印象最為顯著，接著逐漸聽到木管、銅管和打擊樂的聲音，其印象依次減弱。由于樂器特性以及哈斯效應(yīng)，音量較低的弦樂聲音最先到達(dá)聽眾，而音量較高的打擊樂聲音最后到達(dá)，因此聽眾感受到的交響樂隊聲音是平衡而和諧的。[5]
3、哈斯效應(yīng)與梳狀濾波效應(yīng)
在利用哈斯效應(yīng)時，可能會引發(fā)梳狀濾波（comb filtering）的問題。梳狀濾波是一種頻率響應(yīng)特性，它在特定頻率上產(chǎn)生波紋狀的頻率響應(yīng)曲線，這些波紋看起來像梳子的齒。當(dāng)原始聲音信號和延遲的聲音信號相疊加時，它們之間可能存在相位差異。這些相位差異會導(dǎo)致在一些頻率上的信號增強(qiáng)和在其他頻率上的信號抵消，從而導(dǎo)致聲音失真和不自然的聲音效果。因此，如果應(yīng)用哈斯效應(yīng)時使用了多個聲音源和不同的延遲時間，這可能會導(dǎo)致更復(fù)雜的梳狀濾波效應(yīng)。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫廣榮. 哈斯效應(yīng)在建聲和擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 電聲技術(shù), 2009 (8): 4-5.
[2] 李鴻賓.哈斯效應(yīng)及其在擴(kuò)聲系統(tǒng)中的運用[J].音響技術(shù), 2007(5):2.
[3] 張建榮.一種基于哈斯效應(yīng)的立體聲混音技法探析[J].電聲技術(shù), 2015(1):4.
[4] 張述杰, 王榮，顧恒勝.基于哈斯效應(yīng)的疏散指示系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用, 2012(23):3.
[5] 華天礽.哈斯效應(yīng)在音樂實踐中的應(yīng)用[J].音樂藝術(shù)：上海音樂學(xué)院學(xué)報, 2014(3):5.
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