音の立体感はどのように形成されるのか
1 立体音響（ステレオ）の概念
立体とは三次元空間において位置を占める事物を指す幾何学的概念です。では、音も立体的なのでしょうか？類推的には、その答えは肯定的です。なぜなら、音源には明確な空間的位置があり、音には明確な方向性の源があり、人間の聴覚には音源の方向を識別する能力があるからです。特に複数の音源が同時に発音する場合、聴覚によって音群の空間的分布状況を感知できます。したがって、音は「立体的」であると言えます。しかし、より適切な表現は「原音は立体的である」です。なぜなら、音が記録、増幅などの処理を経て再生される場合、全ての音が一つのスピーカーから出力される可能性があり、この再生音は立体的ではありません。この場合、全ての音が同じスピーカーから発せられるため、元の空間感、特に音群の空間的分布感が失われます。この再生音は「モノラル音（Mono）」と呼ばれます。再生システムがある程度原音の空間感を回復できる場合、その再生音は「立体音響（ステレオ：Stereo）」と呼ばれます。原音が言うまでもなく「立体的」であるため、「立体音響」という用語は特定の空間感（または方向感）を持つ再生音を特に指します。
2 両耳効果（バイノーラル効果）
再生音に空間感を取り戻すためには、まず人間の聴覚システムがなぜ音源の方向を識別できるのかを理解する必要があります。研究によれば、主な理由は、人間が一つの耳ではなく二つの耳を持っているためです。
耳は頭部の両側に位置し、空間的に距離があるだけでなく頭部によって遮られるため、両耳が受信する音には様々な差異が生じる可能性があります。主にこれらの差異に基づいて、人間は音源の空間的位置を識別できます。主な差異は以下の通りです：
（1）両耳への音の到達時間差
左右の耳の間には一定の距離があるため、真正面および真後ろからの音を除き、他の方向からの音は両耳に到達する時間に差が生じ、時間差を引き起こします。音源が右側にある場合、音は必ず右耳に先に到達し、次に左耳に到達します。逆の場合、音は必ず左耳に先に到達し、次に右耳に到達します。音源が片側に偏るほど、時間差は大きくなります。実験により、人工的に両耳の聴音に時間差を作り出すと、音源が偏っているという錯覚が生じることが証明されています。時間差が約0.6msに達すると、音が完全に片側から来ているように感じられます。
（2）両耳への音の到達音圧レベル差
両耳の距離はそれほど離れていませんが、頭部による音の遮蔽作用により、両耳に到達する音の音圧レベルが異なる可能性があります。音源に近い側の音圧レベルは大きく、反対側は小さくなります。実験により、最大音圧レベル差は約25dBに達することが証明されています。
（3）両耳への音の到達位相差
音は波の形で伝播し、音波は空間内の異なる位置で位相が異なることが知られています（ちょうど1波長分離れている場合を除く）。両耳が空間的に距離があるため、音波が両耳に到達する時の位相には差が生じる可能性があります。耳内の鼓膜は音波に伴って振動し、この振動の位相差も音源の方向を判断する一つの要素となります。実験により、音が両耳に到達する時の音圧レベルと時間が同じであっても、位相だけを変化させると、音源の方向が大きく異なって感じられることが証明されています。
（4）両耳への音の到達音色差
音波が右側の特定の方向から来る場合、頭部の一部を回り込んで左耳に到達する必要があります。波の回折能力は波長と障害物の大きさの比率に関係することが知られており、人間の頭部の直径は約20cmで、空気中の1,700Hz音波の波長に相当します。したがって、頭部は約1,000Hz以上の音の成分に対して遮蔽作用を持ちます。つまり、同じ音の中の各成分が頭部を回り込む能力はそれぞれ異なり、周波数が高い成分ほど減衰が大きくなります。その結果、左耳で聞く音色と右耳で聞く音色には差が生じます。音が真正面から来ない限り、両耳で聞く音色は異なり、これが音源の方向を判断するための一つの根拠となります。
（5）直接音と連続反射音群によって生じる差
音源から発せられた音は、両耳に直接到達する直接音に加えて、周囲の障害物による一回または複数回の反射を経て反射音群を形成し、連続的に両耳に到達します。したがって、直接音と反射音群の差は、音源の空間的分布に関する情報を提供します。
（6）耳介（耳たぶ）によって生じる差
耳介は前方を向いており、明らかに前後を区別することを可能にします。一方、耳介の形状は非常に微妙で、異なる方向から来る音はその中で複雑な効果を引き起こし、間違いなく一定の方向情報を提供します。
実践により、上記の種々の差異の中では、音圧レベル差、時間差、位相差の3つが聴覚定位に最も大きな影響を与えることが証明されています。ただし、条件によってその作用は異なります。一般的に、音声の低・中域周波数帯域では位相差の作用が大きく、中・高域周波数帯域では音圧レベル差の作用が主となります。衝撃音（インパルス音）に対しては、時間差の作用が特に顕著です。垂直方向の定位に関しては、耳介の作用がより重要です。実際、両耳効果は総合的であり、人間の聴覚システムは総合的な効果に基づいて音源の方向を判断していると考えられます。
付記として、人間の聴覚システムは、音量感、音色感、方向感などの他にも多くの効果を持っています。その中で今後の解説と密接に関係する効果の一つが、「優先効果（Precedence Effect）」（または「ハース効果（Haas Effect）」）です。実験から、同一の音が2つあり、一方が遅延され両耳に順次到達する場合、遅延時間が30ms以内であれば、遅延音の存在は感じられず、音色や音量の変化のみが認識されることが分かっています。ただし、遅延時間が長すぎると状況は異なります。既に述べたように、2つの音が到達する時間差が50ms-60ms（音路差17m以上に相当）を超えると、聴取者はそれを別の音として認識します。
立体とは三次元空間において位置を占める事物を指す幾何学的概念です。では、音も立体的なのでしょうか？類推的には、その答えは肯定的です。なぜなら、音源には明確な空間的位置があり、音には明確な方向性の源があり、人間の聴覚には音源の方向を識別する能力があるからです。特に複数の音源が同時に発音する場合、聴覚によって音群の空間的分布状況を感知できます。したがって、音は「立体的」であると言えます。しかし、より適切な表現は「原音は立体的である」です。なぜなら、音が記録、増幅などの処理を経て再生される場合、全ての音が一つのスピーカーから出力される可能性があり、この再生音は立体的ではありません。この場合、全ての音が同じスピーカーから発せられるため、元の空間感、特に音群の空間的分布感が失われます。この再生音は「モノラル音（Mono）」と呼ばれます。再生システムがある程度原音の空間感を回復できる場合、その再生音は「立体音響（ステレオ：Stereo）」と呼ばれます。原音が言うまでもなく「立体的」であるため、「立体音響」という用語は特定の空間感（または方向感）を持つ再生音を特に指します。
2 両耳効果（バイノーラル効果）
再生音に空間感を取り戻すためには、まず人間の聴覚システムがなぜ音源の方向を識別できるのかを理解する必要があります。研究によれば、主な理由は、人間が一つの耳ではなく二つの耳を持っているためです。
耳は頭部の両側に位置し、空間的に距離があるだけでなく頭部によって遮られるため、両耳が受信する音には様々な差異が生じる可能性があります。主にこれらの差異に基づいて、人間は音源の空間的位置を識別できます。主な差異は以下の通りです：
（1）両耳への音の到達時間差
左右の耳の間には一定の距離があるため、真正面および真後ろからの音を除き、他の方向からの音は両耳に到達する時間に差が生じ、時間差を引き起こします。音源が右側にある場合、音は必ず右耳に先に到達し、次に左耳に到達します。逆の場合、音は必ず左耳に先に到達し、次に右耳に到達します。音源が片側に偏るほど、時間差は大きくなります。実験により、人工的に両耳の聴音に時間差を作り出すと、音源が偏っているという錯覚が生じることが証明されています。時間差が約0.6msに達すると、音が完全に片側から来ているように感じられます。
（2）両耳への音の到達音圧レベル差
両耳の距離はそれほど離れていませんが、頭部による音の遮蔽作用により、両耳に到達する音の音圧レベルが異なる可能性があります。音源に近い側の音圧レベルは大きく、反対側は小さくなります。実験により、最大音圧レベル差は約25dBに達することが証明されています。
（3）両耳への音の到達位相差
音は波の形で伝播し、音波は空間内の異なる位置で位相が異なることが知られています（ちょうど1波長分離れている場合を除く）。両耳が空間的に距離があるため、音波が両耳に到達する時の位相には差が生じる可能性があります。耳内の鼓膜は音波に伴って振動し、この振動の位相差も音源の方向を判断する一つの要素となります。実験により、音が両耳に到達する時の音圧レベルと時間が同じであっても、位相だけを変化させると、音源の方向が大きく異なって感じられることが証明されています。
（4）両耳への音の到達音色差
音波が右側の特定の方向から来る場合、頭部の一部を回り込んで左耳に到達する必要があります。波の回折能力は波長と障害物の大きさの比率に関係することが知られており、人間の頭部の直径は約20cmで、空気中の1,700Hz音波の波長に相当します。したがって、頭部は約1,000Hz以上の音の成分に対して遮蔽作用を持ちます。つまり、同じ音の中の各成分が頭部を回り込む能力はそれぞれ異なり、周波数が高い成分ほど減衰が大きくなります。その結果、左耳で聞く音色と右耳で聞く音色には差が生じます。音が真正面から来ない限り、両耳で聞く音色は異なり、これが音源の方向を判断するための一つの根拠となります。
（5）直接音と連続反射音群によって生じる差
音源から発せられた音は、両耳に直接到達する直接音に加えて、周囲の障害物による一回または複数回の反射を経て反射音群を形成し、連続的に両耳に到達します。したがって、直接音と反射音群の差は、音源の空間的分布に関する情報を提供します。
（6）耳介（耳たぶ）によって生じる差
耳介は前方を向いており、明らかに前後を区別することを可能にします。一方、耳介の形状は非常に微妙で、異なる方向から来る音はその中で複雑な効果を引き起こし、間違いなく一定の方向情報を提供します。
実践により、上記の種々の差異の中では、音圧レベル差、時間差、位相差の3つが聴覚定位に最も大きな影響を与えることが証明されています。ただし、条件によってその作用は異なります。一般的に、音声の低・中域周波数帯域では位相差の作用が大きく、中・高域周波数帯域では音圧レベル差の作用が主となります。衝撃音（インパルス音）に対しては、時間差の作用が特に顕著です。垂直方向の定位に関しては、耳介の作用がより重要です。実際、両耳効果は総合的であり、人間の聴覚システムは総合的な効果に基づいて音源の方向を判断していると考えられます。
付記として、人間の聴覚システムは、音量感、音色感、方向感などの他にも多くの効果を持っています。その中で今後の解説と密接に関係する効果の一つが、「優先効果（Precedence Effect）」（または「ハース効果（Haas Effect）」）です。実験から、同一の音が2つあり、一方が遅延され両耳に順次到達する場合、遅延時間が30ms以内であれば、遅延音の存在は感じられず、音色や音量の変化のみが認識されることが分かっています。ただし、遅延時間が長すぎると状況は異なります。既に述べたように、2つの音が到達する時間差が50ms-60ms（音路差17m以上に相当）を超えると、聴取者はそれを別の音として認識します。