應(yīng)用聲能比評價小學(xué)教室中的漢語語言清晰度*

彭健新 嚴(yán)南杰

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510640)

對于5～14 歲的兒童來說，其大部分時間是在小學(xué)教室中度過的，良好的教室聲學(xué)環(huán)境在培養(yǎng)兒童的學(xué)習(xí)與認(rèn)知能力的過程中擔(dān)負(fù)著極其重要的作用.較差的教室聲學(xué)環(huán)境，如過度的混響與噪聲將會降低教室的語言清晰度，影響教師與兒童之間的正常言語交流［1］.兒童的聽覺功能隨著年齡的增長逐漸發(fā)育，直到13～15 歲才能達(dá)到成年人水平［2-3］.研究表明在相同的室內(nèi)聲學(xué)特性與背景噪聲條件下，兒童言語識別能力明顯差于成年人［4］.與成年人相比，兒童需要更高的信噪比(SNR)來獲取相同的語言聽覺感受，年齡越小的兒童對教室聲學(xué)環(huán)境的要求越高［5］.

Bradley［6］指出影響語言清晰度的主要因素是混響時間(RT).Lochner 和Burger［7］研究發(fā)現(xiàn)直達(dá)聲及其后50 ms 的早期反射聲對語言清晰度有用，而50 ms 之后的反射聲及噪聲降低了語言清晰度，并提出了有益有害聲能比的概念.有益有害聲能比同時考慮了噪聲和混響對語言清晰度的影響，Bradley等［8］通過進(jìn)一步研究指出有益有害聲能比能夠較好預(yù)測室內(nèi)語言清晰度.有益有害聲能比可由如下公式計算得到［8］:

式中，t、Ut為早期聲能的時間限值(聲限值)及該限值條件下的有益有害聲能比，E 為t 之前的早期聲能，Lt為t 之后的聲能，S 為語言聲壓級，N 為背景噪聲聲壓級.

Bradley［6］在小學(xué)教室采用近似人聲指向性的聲源對12～13 歲的兒童進(jìn)行主觀清晰度評價，研究了主觀清晰度得分與有益有害聲能比之間的關(guān)系.Bradley 等［9］通過對1、3、6年級學(xué)生進(jìn)行語言清晰度評價發(fā)現(xiàn)對于小學(xué)生來說15 dBA 的SNR 并不足以獲得較好的語言清晰度.為了得到同樣的語言清晰度分，6 歲的兒童比11 歲兒童需要的SNR 高7 dBA.Astolfi 等［10］通過對意大利3 所小學(xué)的2－5年級學(xué)生進(jìn)行語言清晰度主觀評價，分別建立了不同年齡段兒童的意大利語語言清晰度得分與語言傳輸指數(shù)之間的關(guān)系.

目前以兒童為研究對象的小學(xué)教室語言清晰度研究主要是針對西方語言［6-10］，而對小學(xué)教室室內(nèi)漢語語言清晰度的研究很少.由于漢語不同于西方語言，它是一種聲調(diào)語言，Kang［11］指出當(dāng)室內(nèi)語言清晰度滿足西方語言時，不一定滿足漢語，反之亦然.彭健新等［12］對以漢語為母語的聽音人的室內(nèi)漢語與英語語言清晰度進(jìn)行比較得到與Kang 類似的結(jié)論.Peng 等［13-14］分別通過主觀漢語語言清晰度評價發(fā)現(xiàn)，有益有害聲能比能較好地評價室內(nèi)漢語語言的清晰度.文中通過對2、4、6年級兒童在小學(xué)教室進(jìn)行漢語語言清晰度的主觀評價，探討不同年齡段兒童的主觀漢語語言清晰度得分及其與有益有害聲能比之間的關(guān)系.

1 實驗方法

在廣州市選取了9 所小學(xué)，每所小學(xué)分別選取2、4、6年級教室各一間，由2、4、6年級學(xué)生(兒童)在教室內(nèi)不同聽音位置進(jìn)行漢語語言清晰度主觀評價.同時，在其中一所學(xué)校另選取一間教室，在該教室天花上安裝礦棉吸聲板，由該校2、4、6年級兒童依次進(jìn)行主觀漢語語言清晰度評價.主觀評價完成后測量各聽音位置的客觀聲學(xué)參數(shù).28 間教室中3 間教室平面為正六邊形，其余教室平面全部為矩形，體積范圍在172～273 m3之間.除一間教室的天花進(jìn)行了聲學(xué)處理外，其余教室未進(jìn)行特殊聲學(xué)處理，墻壁與天花板涂抹以水泥墻灰，地板鋪設(shè)瓷磚，教室桌椅均為木質(zhì)桌椅.

漢語語言清晰度主觀評價按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB4959—85 采用打圈法進(jìn)行.每張測試字表25行，每行由5 個聲母不同韻母相同的漢字構(gòu)成.隨機(jī)播放測試字表，由聽音人圈出所聽到的字.漢語語言清晰度測試信號由一名男性和一名女性發(fā)音人在消聲室錄制而成，然后采用Cool Edit Pro 編輯測試信號，并插入適當(dāng)?shù)撵o音信號，以便聽音人記錄.

采用粉紅噪聲產(chǎn)生與測試信號具有相同頻譜特性的語言形狀噪聲信號，并將噪聲信號和消聲室錄制的漢語清晰度測試信號按照給定的信噪比混合通過近似人聲指向性生源JBL-LSR6325P 重放.重放時，聲源高度為1.5 m，其正前方1 m 處的聲壓級65 dBA.測試時，每間教室中、后部選取聽音位置4 個，所有聽音位置都在混響半徑以外.測試信號與干擾噪聲的SNR 為－5、0、5、10、15 dBA 及無噪聲共6 種測試條件，每間教室測試了3－5 種測試條件.

共有480 位無已知聽力問題且普通話良好的2、4、6年級學(xué)生參加測試，其中2年級學(xué)生年齡為7～8 歲，4年級為9～10 歲，6年級為11～12 歲.每種測試條件下，每個聽音位置處共4 位聽音人參加兩張字表(男女聲字表各一張)測試，漢語語言清晰度得分為在該條件下4 位聽音人8 張字表的漢語語言清晰度得分的平均值.

在進(jìn)行主觀評價的同時，采用傳聲器記錄不同聽音條件下每個聽音位置的測試信號，根據(jù)錄音信號計算出聽音位置的倍頻帶噪聲聲壓級以及語言聲壓級.傳聲器距離地面位置為1.0～1.2m，與兒童耳朵位置等高.主觀評價完成后，保持聽音人位置不變，測量每個聽音位置的房間脈沖響應(yīng)，然后應(yīng)用Dirac聲學(xué)軟件計算出各個聽音位置的500～1000Hz倍頻帶的平均早期衰變時間(EDT(500～1000Hz))和混響時間(T30(500～1000Hz))等，統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示.根據(jù)測量得到的脈沖響應(yīng)和不同SNR 條件下每個聽音位置的倍頻帶噪聲聲壓級以及語言聲壓級，分別選取早期聲能時間限值t 為20、35、50、80、95 ms，根據(jù)式(1)計算出每個聽音位置在不同SNR、不同早期聲限值條件下的有益有害聲能比，其結(jié)果如表1所示.由于語言聲能量主要集中在500、1000、2000、4000Hz 頻帶內(nèi)，因此Ut均為500、1000、2000、4000Hz 4 個頻帶的Ut的算術(shù)平均值.

表1 27 間教室聲學(xué)參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of the acoustical indices in 27 classrooms

2 結(jié)果與分析

對于語言清晰度得分與客觀聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系通常采用三次多項式曲線、對數(shù)曲線和“S”形曲線等對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得［6-7，10-12］，但采用前兩者擬合得到的語言清晰度得分可能會隨客觀聲學(xué)參數(shù)的取值增大而超過100%，這在實際中是不會發(fā)生的，而“S”形曲線則不會發(fā)生這種情形，因此文中采用“S”形曲線對語言清晰度得分與Ut之間的關(guān)系進(jìn)行擬合.表2 為2、4、6年級兒童在教室內(nèi)的主觀漢語語言清晰度得分與不同早期聲能時間限值的Ut的“S”形曲線擬合得相關(guān)系數(shù)(R)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD).由表2 可知2、4、6年級兒童的漢語語言清晰度得分與不同早期聲限值的Ut均具有較高的相關(guān)性.對于不同年級而言:小學(xué)2年級兒童的漢語語言清晰度得分與U80相關(guān)系數(shù)最高，4年級兒童主觀漢語語言清晰度得分與U35相關(guān)系數(shù)最高，6年級兒童主觀漢語語言清晰度得分與U95相關(guān)系數(shù)最高.對同一年級，不同早期聲限值的Ut與漢語語言清晰度得分的相關(guān)系數(shù)在數(shù)值上的差異不明顯，為了檢驗不同早期聲限值的Ut與漢語語言清晰度得分的相關(guān)系數(shù)有無顯著性差異，文中采用T 檢驗對不同早期聲限值的Ut與漢語語言清晰度得分的相關(guān)性進(jìn)行檢驗［15］.

式中，t 為時間統(tǒng)計量，r12、r13、r23為三列變量的兩兩相關(guān)系數(shù)，n 為樣本容量.表3 為根據(jù)式(2)檢驗同一年級不同早期聲能時間限值的Ut與漢語語言清晰度得分之間相關(guān)性差異的結(jié)果.表中“* ”表示二者與漢語語言清晰度得分之間的相關(guān)性存在顯著性差異.

表2 Ut 與主觀漢語語言清晰度得分的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 Correlation coefficients and standard deviations between Ut and Chinese speech intelligibility scores

表3 Ut 與主觀漢語語言清晰度得分的相關(guān)性T 檢驗Table 3 T test of correlation for the relationship between Ut and Chinese speech intelligibility scores

由表3 可知:對于所研究的3 個不同年級(2、4、6年級)的學(xué)生而言，他們在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分與U50的相關(guān)性和他們在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分與U80的相關(guān)性無顯著性差異，U50、U80與漢語語言清晰度得分均具有較高的相關(guān)性，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)U50與不同年級的兒童的漢語語言清晰度得分的擬合趨勢和U80與不同年級的兒童的漢語語言清晰度得分的擬合曲線趨勢相似.這表明U50、U80均能較好地評價兒童在教室室內(nèi)的漢語語言清晰度.實際上，由式(1)可知，二者之間的差異在于早期聲能時間限值不同.由不同聽音位置、不同SNR 條件下的U50和U80值，可得它們之間的擬合關(guān)系為

其相關(guān)性系數(shù)為0.990.由式(1)可知早期聲能時間限值取值越大時，有用聲能量越大，Ut越大，因此對應(yīng)同一條件下U80的值要高于U50.

圖1 為U50與2、4、6年級兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分之間的“S”形擬合曲線，其擬合相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2 所示.U50與2、4、6年級兒童的漢語語言清晰度得分的“S”形曲線擬合關(guān)系分別為

式中，SI2、SI4、SI6分別表示2、4、6年級兒童的漢語語言清晰度得分.

由圖1 可知不同年級兒童的漢語語言清晰度得分隨U50增大而增大.在相同的U50條件下，兒童年齡越大，其漢語語言清晰度得分越高.為了探討不同年齡的兒童在教室內(nèi)達(dá)到良好的言語識別行為的條件，文中以95%的漢語語言清晰度得分為限，比較不同年級兒童達(dá)到該限值所需要的U50值.將圖1 重畫如圖2 所示，圖2 中給出了不同年級兒童的擬合曲線達(dá)到95%的漢語語言清晰度得分所對應(yīng)的U50值.由圖2 可知，為了使不同年級的兒童在教室內(nèi)獲取較好的漢語語言清晰度(95%的漢語語言清晰度得分)，2、4、6年級兒童在教室內(nèi)需要U50值分別為7.4、4.5、2.8 dB.為了獲得良好的漢語語言清晰度，2年級兒童在教室內(nèi)需要比6年級兒童的U50值高4.6 dB.

圖1 U50與2、4、6年級兒童的漢語語言清晰度得分的擬合曲線Fig.1 Fitting curves between U50 and Chinese speech intelligibility scores for grade 2，4 and 6 children

圖2 U50與2、4、6年級學(xué)生的漢語語言清晰度得分關(guān)系的對比Fig.2 Comparison of relationships between U50 and Chinese speech intelligibility scores for grade 2，4 and 6 students

研究表明語言清晰度隨著信噪比的增加而提高［9］.有益有害聲能比Ut是由信噪比、混響時間等室內(nèi)聲學(xué)特性組合成的單一聲學(xué)參數(shù)，由式(1)可以知道當(dāng)信噪比增加時Ut也隨著增加，同時當(dāng)混響時間增加時會增加早期聲限值t 之后的后期反射聲聲能，間接降低信噪比，從而降低了語言清晰度，同樣由式(1)可以知道當(dāng)混響時間增加時Ut會隨著減小.因此兒童漢語語言清晰度得分會隨著U50、U80等的增大而增加.

隨著年齡的增大，在相同的U50或U80條件下，不同年級的學(xué)生的漢語語言清晰度的得分會增加.兒童年齡越小，對語言的理解能力越差，對獲取有用聽覺信息的注意力越難以集中，這會導(dǎo)致不同年齡段兒童對言語識別能力存在一定差異.更重要的是兒童的聽覺功能隨著年齡的增長逐漸發(fā)育，直到13～15歲才能達(dá)到成年人水平［2-3］.年齡越小的兒童對教室聲學(xué)環(huán)境的要求越高，即要求的信噪比越高，混響時間越低［5］.其次漢字是由聲母、韻母和聲調(diào)構(gòu)成，由于漢語語言主要信息由聲母攜帶，集中在高頻部分;韻母的聲能較高，主要集中在中低頻，因此在混響過長或噪聲級過高的聽音條件下，語言信號中高頻成分容易被掩蔽掉，從而導(dǎo)致聲母信息的丟失，造成語言清晰度的降低，由于主觀漢語語言清晰度測試中采用的是打圈法，測試字的聲母不同，但韻母相同.研究表明對于10～30 ms 內(nèi)快速的語音頻譜變化越敏感對輔音的辨別能力越強(qiáng)，因此在混響過長或噪聲級過高的聽音條件下，兒童的年齡越小，對輔音的辨別能力越困難［2］.因此在相同聲學(xué)條件下，兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分隨著年齡的增加而增加.

3 結(jié)論

通過對2、4、6年級兒童在9 所小學(xué)28 間教室內(nèi)進(jìn)行漢語語言清晰度主觀評價，得到不同年級兒童的漢語語言清晰度得分與客觀語言清晰度參數(shù)U50、U80之間的關(guān)系，結(jié)果表明:U50、U80與兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分之間具有較高的相關(guān)性，能較好地評價兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度;在相同的有益有害聲能比條件下，兒童漢語語言清晰度得分隨著年齡增加而增加.2、4、6年級兒童在教室內(nèi)達(dá)到95%的漢語語言清晰度得分需要的U50值分別為7.4、4.5、2.8 dB.

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