双耳时间差

双耳时间差，是指来自同一个声源的声波，因传播路径不同而到达双耳的时间存在微小差异。这是人类和动物在水平面上定位声源所依赖的最重要的线索之一，尤其对于频率低于约1500赫兹的声音。

物理基础

当声源不在头部正前方（正中面）时，它到达双耳的距离不同。例如，位于右侧的声源，其声波会先到达右耳，稍后才到达左耳。这个时间延迟就是ITD。

• 计算公式： 对于一个远场声源，ITD ≈ (a / c) × (θ + sin θ)，其中 a 是头部半径，c 是声速，θ 是声源方位角（弧度）。人类头部的典型ITD最大值约为 600–700微秒。

生理机制与神经编码

听觉神经系统具有惊人的能力来检测这种微秒级的差异，其处理核心位于脑干的上橄榄复合体。

1. 外周输入：

   • 来自双耳的、相位锁定的神经信号通过蜗神经腹侧核的球形总线神经元，以极高的时间精度传递至脑干。

2. 核心计算核团：

   • 内侧上橄榄核 是哺乳动物中枢神经系统计算ITD的主要场所。MSO神经元的形态和生理特性使其成为一个天然的“重合探测器”：

     • 它接收来自双侧蜗神经核的兴奋性输入，这些输入分别位于其两侧的树突上。

     • 当一个声源产生特定的ITD时，来自双耳的信号会在MSO神经元的胞体处以特定的时间关系“相遇”。

     • 当两侧输入的时间差恰好使它们在胞体处同时或接近同时到达时，会产生最大的空间和时间重合，引发该神经元最强的放电反应。

     • 不同的MSO神经元对不同的“最佳ITD”敏感，从而构成了一个ITD调谐图谱。

3. Jeffress模型：

   • 这一经典计算模型（由Lloyd Jeffress于1948年提出）形象地解释了ITD检测。它假设有一组“重合探测器”神经元，它们接收来自双耳的、经过不同神经延迟线的信号。只有当两侧信号经过延迟线后同时到达该神经元时，它才会被强烈激活。不同的神经元对应不同的延迟组合，从而编码不同的ITD。

与频率的关系

• 低频声音（< 1500 Hz）： 其波长较长，声波周期足以容纳可检测的ITD。神经系统主要利用相位差来编码ITD。

• 高频声音（> 1500 Hz）： 因其波长很短，相位差变得模糊（相位模糊），不再是可靠的定位线索。此时，双耳强度差成为主导线索，由外侧上橄榄核 处理。

功能意义

1. 声源水平定位： ITD是判断声源在左-右方位上的最主要线索。

2. 空间听觉与听觉场景分析： 有助于在复杂声学环境中分离和追踪不同的声源。

3. 提升言语清晰度： 在噪声环境中，利用ITD可以更好地聚焦目标说话人。

研究与技术应用

• 基础研究： MSO及与之相连的赫尔德花萼是研究神经元如何编码微秒级时间信息的经典模型。

• 听觉假体： 人工耳蜗和助听器的双耳配戴及信号处理算法中，会尝试保留或模拟ITD线索，以改善用户的声源定位和噪声下聆听能力。

• 声学与虚拟现实： 双耳录音和3D音频技术正是通过精确再现到达双耳的ITD（以及ILD、频谱线索），在耳机中创造出逼真的三维声场。

参考文献

1. Jeffress, L. A. (1948). A place theory of sound localization. Journal of Comparative and Physiological Psychology, 41(1), 35-39.

2. Grothe, B., Pecka, M., & McAlpine, D. (2010). Mechanisms of sound localization in mammals. Physiological Reviews, 90(3), 983-1012.

3. Yin, T. C., & Chan, J. C. (1990). Interaural time sensitivity in medial superior olive of cat. Journal of Neurophysiology, 64(2), 465-488.