老年人在不同聲環(huán)境下的聲源定位能力初探

趙磊，彭健新

（華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣州 510640）

1 引言

老年人對(duì)言語的感知易受到混響和噪聲的干擾[1～3]。研究表明，老年人的聽力隨著年齡的增大而逐漸降低，通常表現(xiàn)為對(duì)中高頻聲音聽力下降及在噪聲環(huán)境下交流溝通困難，大腦對(duì)接收聲音的處理變慢并很難對(duì)聲音定位[4]，從而影響其尋找目標(biāo)、發(fā)現(xiàn)和避免周圍潛在危險(xiǎn)的能力。

一般來說，言語信號(hào)和噪聲信號(hào)并存，在多噪聲源條件下準(zhǔn)確定位目標(biāo)語言，有助于提高對(duì)目標(biāo)語言的識(shí)別率。對(duì)聲源定位能力的評(píng)判，通常是在待測環(huán)境下布置多個(gè)揚(yáng)聲器，選擇其中一個(gè)隨機(jī)播放讓聽音人判別聲源方向。本文在不同混響時(shí)間、不同種信噪比和不同噪聲方位角的條件下探討老年人的聲源定位能力，以期改善老年人在室內(nèi)的言語交流效果。

2 實(shí)驗(yàn)方法

測試在廣州某養(yǎng)老院內(nèi)老年人經(jīng)常活動(dòng)的單人房、閱覽室和餐廳等3間房內(nèi)進(jìn)行。這3間房的平面形狀均為矩形，體積分別為41.6m3、101.8m3和437.8m3。房間的墻壁和天花板都為水泥墻面，單人房中鋪設(shè)木質(zhì)地板磚，閱覽室和餐廳中鋪設(shè)普通的地板瓷磚，三間房間中的桌椅均采用木質(zhì)材料，房中均未鋪設(shè)吸聲材料。采用B&K2250便攜式手持聲分析儀測量3個(gè)房間的背景噪聲，其噪聲級(jí)分別為33.7dB（A）、41.1dB（A）、44dB（A）。

測試時(shí)，在被測房間內(nèi)以聽音人所在位置為圓心、1.8m長為半徑的半圓弧布置揚(yáng)聲器（JBL—LSR6325P），如圖1所示。其中一個(gè)揚(yáng)聲器固定于聽音人的正前方（方位角為0°），另兩個(gè)揚(yáng)聲器固定在聽音人的右前方（方位角為45°）及正右方（方位角為90°）。聽音人坐于椅子上，調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的高度使其底端和人耳高度基本齊平。語言信號(hào)和噪聲信號(hào)經(jīng)ROLAND EDIROL 25聲卡、功放放大后反饋給正前方的揚(yáng)聲器重放，然后再隨機(jī)選取一個(gè)揚(yáng)聲器播放漢語語言平均頻譜噪聲，讓聽音人判斷噪聲源的方向。實(shí)驗(yàn)在關(guān)閉門窗、電扇和空調(diào)的安靜環(huán)境下進(jìn)行，避免聽音人受到其他噪聲干擾。

在養(yǎng)老院選取10位年齡均在60歲以上且能熟練聽說普通話的老年人參加測試，5位男性老年人和5位女性老年人。使用GZ Risound AD-102聽力計(jì)在背景噪聲低于30dB（A）的房間中按照升降法進(jìn)行250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、6kHz、8kHz氣導(dǎo)純音聽力測試，每個(gè)頻率下取兩耳中聽力情況較好的值作為純音聽力閾值，取500Hz、1kHz、2kHz、4kHz這4個(gè)頻帶下的平均結(jié)果作為純音聽閾的平均值PTA。國際衛(wèi)生組織（WHO）1997年頒布聽力損失劃分的標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)500Hz、1kHz、2kHz和4kHz的平均聽力將聽力損失程度分成5個(gè)等級(jí)：小于25dB HL為正常，26～40dB HL為輕度，41～60dB HL為中度，60～80dB HL為中重度，大于80dB HL為重度。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，10位老人中有4位聽力正常，6位患有輕度聽力損失，聽力損失組的平均年齡為65.8歲，聽力正常組的平均年齡為78.7歲。

圖1 揚(yáng)聲器布置圖

3 結(jié)果與討論

圖2表示三個(gè)房間中的10位老年人對(duì)不同方位角噪聲源的定位準(zhǔn)確率，由圖2可看出，老年人對(duì)方位角為0°噪聲源定位準(zhǔn)確率最高，90°噪聲源次之，45°的定位情況最差；在單人房和閱覽室中的定位結(jié)果較為接近，且都優(yōu)于在餐廳中的定位結(jié)果。右表為不同條件下老年人定位準(zhǔn)確率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得知，老年人在單人房、閱覽室、餐廳中對(duì)聲源的平均定位準(zhǔn)確率分別為64.2%、62.5%、50.8%，對(duì)0°、45°、90°噪聲源的平均定位準(zhǔn)確率分別為78.3%、42.5%和53.3%。同一方位角條件下不同信噪比時(shí)的聲源定位結(jié)果差異不大。

圖2 三個(gè)房間中老年人對(duì)噪聲源的定位準(zhǔn)確率

不同條件下老年人定位準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)表

3.1 噪聲方位角對(duì)聲源定位的影響

由上表可知，無論在單人房、閱覽室還是在餐廳中，老年人對(duì)0°噪聲源的定位準(zhǔn)確率遠(yuǎn)大于對(duì)45°和90°，且對(duì)90°噪聲源的定位準(zhǔn)確率大于對(duì)45°的。三間房中，老年人對(duì)0°噪聲源的平均定位準(zhǔn)確率比45°噪聲源高35.8%，比90°噪聲源高25%。當(dāng)聲源位于聽音人的中垂面時(shí)，人的頭部特別是外耳廓對(duì)聲波產(chǎn)生的頻率特性的變化對(duì)定位有著重要的作用，當(dāng)聲音信號(hào)具有一定頻帶寬度時(shí)，外耳傳輸函數(shù)將對(duì)聲音信號(hào)產(chǎn)生影響，使聲音信號(hào)頻譜發(fā)生變化，人耳依據(jù)此進(jìn)行定位，并能獲得較高的定位準(zhǔn)確率[5]。文中待定位的聲源信號(hào)為漢語平均頻譜噪聲，具有一定的頻帶寬度，由于外耳傳輸函數(shù)的作用，老年人在三間房中對(duì)0°噪聲源的定位準(zhǔn)確率較高，平均結(jié)果達(dá)78.3%。當(dāng)聲源位于非中垂面時(shí)，聲源產(chǎn)生的聲波經(jīng)頭部等的衍射后到達(dá)雙耳，從而產(chǎn)生時(shí)間差（ITD）和強(qiáng)度差（ILD），這就是所謂的“雙耳效應(yīng)”，聽覺系統(tǒng)利用這些信息和過去的經(jīng)驗(yàn)相比較，從而判斷聲源的方位[6]，由于聽音人容易混淆45°和90°的噪聲源，所以導(dǎo)致定位準(zhǔn)確率偏低，三間房中對(duì)45°和90°噪聲源的平均定位準(zhǔn)確率僅為42.5%和53.3%。

3.2 混響時(shí)間對(duì)聲源定位的影響

三個(gè)房間中，老年人的聲源定位結(jié)果在混響時(shí)間較短的單人間和閱覽室中較好，在混響時(shí)間較長的餐廳中較差。由此可得知，混響時(shí)間在一定程度上會(huì)影響老年人的聲源定位。由于混響時(shí)間較長，室內(nèi)的反射聲對(duì)老人聲源的定位起到一定的干擾作用，在餐廳中老年人的聲源定位準(zhǔn)確率僅為50.8%，比在單人房和閱覽室中的結(jié)果分別低13.4%、11.7%。Giguère[7]等人在低混響（0.15～0.2s）和高混響條件下（0.6～1.0s）通過對(duì)500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz聲源定位的研究表明，在高混響條件下的聲源定位得分低于在低混響條件下的，這和本文的結(jié)果一致。一般來說，混響時(shí)間過長會(huì)影響老年人的語言清晰度和聲源定位能力，例如，混響除了使目標(biāo)語音的包絡(luò)重疊外，還會(huì)干擾競爭聲源的時(shí)間調(diào)制，降低了聽眾的語言識(shí)別和定位能力。除此之外，混響會(huì)模糊聽音人的雙耳線索而嚴(yán)重影響聲源的定位。

3.3 聽力損失對(duì)聲源定位的影響

圖3為10位老年人的純音聽閾與噪聲方位判斷準(zhǔn)確率的關(guān)系。其中，老年人純音聽閾的均值為30.0dB HL，標(biāo)準(zhǔn)差為7.0dB HL。聲方位判斷準(zhǔn)確率的均值59.4%，標(biāo)準(zhǔn)差為6.3%；最大值為69.4%，其對(duì)應(yīng)的純音聽閾為19.5dB HL；最小值為50%，對(duì)應(yīng)的純音聽閾為39.3dB HL和36.5dB HL。對(duì)老年人的純音聽閾值和噪聲方位判斷準(zhǔn)確率進(jìn)行相關(guān)分析，得Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.76，這說明噪聲方位判斷的正確率與純音聽閾間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，聽力損失在很大程度上影響聲源的定位，導(dǎo)致老年人的聲源定位能力遠(yuǎn)不如年輕人，因?yàn)槁犃p失者和聽力正常者主要都是依據(jù)相同的聽覺線索來定位，已有研究[7、8]證實(shí)了這一結(jié)果。再者，聲音在空氣的傳遞過程中會(huì)有能量和速度的變化，如果聽力損失且閾值不對(duì)稱，無論來自哪個(gè)方向的聲音，大多數(shù)都會(huì)被聽力閾值較好一側(cè)的耳朵聽到，因而就無法判定聲源的方向。

圖3 老年人純音聽閾與噪聲方位判斷準(zhǔn)確率的關(guān)系

4 結(jié)論

在不同混響時(shí)間和不同信噪比下，通過獲取老年人對(duì)不同方位角噪聲的定位準(zhǔn)確率，探討不同聲學(xué)條件對(duì)老年人聲源定位的影響。結(jié)果表明：老年人對(duì)0°噪聲源的定位準(zhǔn)確率最高，90°噪聲源次之，45°噪聲源的定位準(zhǔn)確率最差。老年人的聲源定位準(zhǔn)確率隨混響時(shí)間的增加和聽力水平的下降而下降。