哈斯效应的定义及原理

哈斯效应的定义及原理

1、哈斯效应的定义及原理

当声场中存在两个响度相同的声源发出相同的音频信号时，首先到达人耳的声源被感知为声音的唯一来源，而迟到的声音似乎被忽略掉。这一现象被称为“哈斯效应”或“优先效应”。如图1所示，假设在人头D前方设有两个特性相同的扬声器，分别位于左侧（L）和右侧（R），它们源自同一音频信号。当左右两个扬声器的音量相等且延迟为零时，在听者的正前方听觉上不会感知到两个声源，而会感到只有一个等效声源位于两个扬声器之间的位置，这个位置称为“声像”。如果L和R的音量相等，但L的音频信号比R的信号延迟了几十分之一 ms到几 ms，声像会从中心点“O”向右移动。当延迟超过3ms时，声像几乎完全位于R的位置，听者几乎感觉不到L的存在，只感到R的音量增大。当L的延迟继续增加，达到30到50ms时，虽然声像位置仍在R，但听者仍能感觉到L的存在。当延迟超过50ms时，听者明确感到L的存在，并将其视为R的“回声”。如果L的音量低于R的音量，产生回声感的时间延迟会更长。[1]

声像位置的移动和回声感是复杂的主观听觉现象，与信号的频率、音量、相位和延迟以及L和R两个声源之间的距离（声像宽度）、听者与声源的距离（如图1中的D所示）、听者相对于中心线的位置等多个因素相关。此外，实际听众的声学环境（包括混响时间和反射面的位置）也会影响这些效应。特别需要注意的是，声源的方向感也与视觉效果有关。如果听者可以看到画面或舞台上实际声源的位置，只要声像位置不大幅度偏离视觉声源位置，听觉和视觉的方向感会保持一致。如果听者直接看到发声的扬声器，那么这种视觉感受会在很大程度上影响听觉的声像位置感知。

图1 两声道测听实验框图[1]

此外，哈斯的实验还揭示了一个重要发现：对于延时在10到25ms之间（在30ms以内的短延时）的声音，必须将其音量电平提高约10dB以上，与未延时的声音相比，才能产生相同的听觉响度。这一发现在图2中展示为著名的"哈斯曲线"。简而言之，当声源存在10到25ms的延迟时，需要显著增加声源的音量，约10dB左右，才能感知到两个声源同时存在，并使声音位置居中，听起来的响度相同。换言之，10到25ms的时间差与大约10dB的音量差产生了类似的听觉效果。

图2 哈斯曲线[2]

2、哈斯效应的应用

2.1扩声系统中的应用

在剧场演出中，主扬声器通常位于舞台口两侧，导致观众席的前排和后排听众面临不同的声音响度，引发声场不均匀的问题。为减小声压级的差异，一些剧场引入了顶部扬声器或中区侧部扬声器，但这引发了哈斯效应，听众感觉声音来自不同的方向，与演员在舞台上表演的声音不一致。如图3所示。

图3 多扬声器引起的哈斯效应[2]

高级剧场通过对顶部扬声器和侧部扬声器扩声系统进行延时处理，将声音同步传送到听众耳朵，以弥补哈斯效应带来的听觉与视觉不一致。这些处理通常在辅助音箱和环绕音箱的功率放大器前加装延时器，根据音箱位置的不同进行不同的延时处理，以确保观众席位置的声音与舞台前面的声音保持同步，从而实现听、视觉的协调一致。

2.2混音中的应用

声像布局是混音的关键步骤之一，它通过合理布局和技术处理，创造出一个二维的平面空间，形成具有宽度和深度的立体声场。在流行音乐中，常规的立体声听感声场布局是一个扇形二维声场空间，如图4所示。主要的四个声部包括主唱人声（或主奏乐器）、大鼓、军鼓和贝斯，它们通常位于声像的正中间靠前位置。而听觉定位的三大依据是声源间的强度差、时间差和频率差。依据哈斯效应，将两个相似声源分别布置于左右声像位置，将左声源加上短延时5-30ms，而同时将右声源的音量电平降低5-10dB，逐渐调节参数比例。这样，在重放时，人耳对左右声源间的强度差和时间差会产生特殊的听感，使得单一音源变得更加丰满、有空间感，并在水平方向上大大扩展了整个声场。这种立体声混音技法称为差异镜像扩展法，又称“哈斯技巧”[3]。

图4 扇形听感声场示意图[3]

2.3疏散指示系统中的应用

传统应急疏散标志灯在浓烟环境下通常不明显，因此科研人员考虑将声音与疏散标志灯结合使用[4]。然而，回音问题使得人们难以确定声音来源。为此，科研人员提出了一种基于哈斯效应的疏散指示系统[4]。在火灾发生时，从安全出口的扬声器开始依次发出声音，受困人员双耳听到的声音仿佛是从安全出口方向传来的，使其用最的快速、最短的时间奔向安全出口。

如图5所示，疏散通道的天花板上安装了一系列消防语音引导音箱。由于相邻两个扬声器之间的语音信号存在延迟，从安全出口的扬声器开始，声音依次发出。这种设置使得逃生者感觉声音就像是直接从安全出口发出的一样，从而引导他们朝着安全出口的方向逃生。

图5语音引导系统示意图[4]

2.4乐队排列中的应用

在传统的交响乐队排列中，根据各种乐器与指挥台以及观众之间的距离，一般将排布分为弦乐、木管、铜管和打击乐。根据哈斯效应的原理，听众首先感知到弦乐声音，这一印象最为显著，接着逐渐听到木管、铜管和打击乐的声音，其印象依次减弱。由于乐器特性以及哈斯效应，音量较低的弦乐声音最先到达听众，而音量较高的打击乐声音最后到达，因此听众感受到的交响乐队声音是平衡而和谐的。[5]

3、哈斯效应与梳状滤波效应

在利用哈斯效应时，可能会引发梳状滤波（comb filtering）的问题。梳状滤波是一种频率响应特性，它在特定频率上产生波纹状的频率响应曲线，这些波纹看起来像梳子的齿。当原始声音信号和延迟的声音信号相叠加时，它们之间可能存在相位差异。这些相位差异会导致在一些频率上的信号增强和在其他频率上的信号抵消，从而导致声音失真和不自然的声音效果。因此，如果应用哈斯效应时使用了多个声音源和不同的延迟时间，这可能会导致更复杂的梳状滤波效应。

参考文献

[1] 孙广荣. 哈斯效应在建声和扩声系统设计中的应用[J]. 电声技术, 2009 (8): 4-5.

[2] 李鸿宾.哈斯效应及其在扩声系统中的运用[J].音响技术, 2007(5):2.

[3] 张建荣.一种基于哈斯效应的立体声混音技法探析[J].电声技术, 2015(1):4.

[4] 张述杰, 王荣，顾恒胜.基于哈斯效应的疏散指示系统[J].电气应用, 2012(23):3.

[5] 华天礽.哈斯效应在音乐实践中的应用[J].音乐艺术：上海音乐学院学报, 2014(3):5.