Это на самом деле довольно сложный и многоплановый процесс, но я постараюсь объяснить попроще.
Направление звука мозг в основном определяет используя тот простой факт, что у человека есть два уха, а значит есть два регистратора сигнала. С которого из них звук более громкий - с того направления, вероятнее всего, и идет звук.
Второй механизм - активное вращение головой. Если при повороте воспринимаемая громкость звука усиливается, значит это направление более верное, если ослабевает, значит источник в другой стороне.