聽覺定位對(duì)模擬飛行任務(wù)中空間態(tài)勢(shì)感知能力的影響*

程 珊,楊菁華,2,張?zhí)x,叢 林,熊凱文,胡文東△

(1.空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系航空航天醫(yī)學(xué)裝備教研室,西安 710032；2.空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部,西安 710051)

人類的空間定向能力與生活息息相關(guān),尤其對(duì)于特殊職業(yè)如機(jī)動(dòng)車駕駛、飛機(jī)操縱等具有重大的安全意義[1]。聽覺定位能力主要指人耳判斷一個(gè)聲源在三維空間內(nèi)的位置,即方位角、仰角高度及距離等[2],可以作為空間定向能力的一種重要輔助線索[3]。試聽者的頭部、耳廓、軀干等形成了一個(gè)復(fù)雜的方向依賴的濾波器,引起聲音信號(hào)的濾波效應(yīng)[4-5],其功能在數(shù)學(xué)上可用解剖傳遞函數(shù)(anatomical transfer function,ATF)表示。這種特殊的濾波效應(yīng)能夠?qū)?fù)雜的聲源信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳可以處理的定位線索,即兩耳間的時(shí)間差、兩耳間的聲級(jí)差及濾波后單耳的譜信息[2]。

據(jù)報(bào)道,盲人可以通過(guò)聲音差異等線索加強(qiáng)自我空間感知能力,并進(jìn)行道路搜索[6]。對(duì)于飛機(jī)駕駛員而言,飛機(jī)在空中高性能機(jī)動(dòng)過(guò)程中加速度的改變并不影響聲音定位的準(zhǔn)確性,聽覺系統(tǒng)由此被看作飛行員感受空間信息的一種較為可靠的方式[7]?？臻g聽覺信息也可輔助辨別飛行操作中的口頭信息,降低飛行工作負(fù)荷,改善飛行員的操作表現(xiàn)[8]。而基于頭部相關(guān)的傳遞函數(shù),研究者通過(guò)模擬遠(yuǎn)端聲音的感覺運(yùn)動(dòng)事件,引導(dǎo)頭部定向于地球磁場(chǎng)北極。而且這種事件模擬反饋方法有巨大潛力，可以創(chuàng)造出感覺增強(qiáng)裝置,獲得快速、真實(shí)的感知體驗(yàn)[9]。

由此可見,人類的聽覺系統(tǒng)可以根據(jù)聲音傳遞的空間線索提高自身的空間感知能力。但該線索是否有助于提高飛行人員在空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)的定向感知能力并不清楚。因此,本研究重點(diǎn)探索聲音線索是否能夠改善三維空間內(nèi)感知表現(xiàn)，報(bào)道如下。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究招募16名空軍某院校本科學(xué)員,年齡21～23歲，平均(22.3±0.9)歲,身高1.68～1.85 m，平均(1.78±0.05)m,體重56～92 kg，平均(71.50±11.04)kg。被試者納入標(biāo)準(zhǔn)為：近1個(gè)月內(nèi)無(wú)耳鳴、聽力下降或其他影響聽覺功能的疾病。本研究符合人體試驗(yàn)倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn),所有研究對(duì)象自愿簽訂知情同意書。

1.2 空間聽覺任務(wù)

本研究采用的空間聽覺任務(wù)系統(tǒng)是由空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系自主設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由空間定向任務(wù)(spatial orientation task,SOT)場(chǎng)景、外部控制設(shè)備與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成。SOT場(chǎng)景包括訓(xùn)練和測(cè)試兩種模式,訓(xùn)練模式時(shí)間為2 min,不記錄成績(jī)。而測(cè)試模式又進(jìn)一步分為4種感知模塊(每個(gè)模塊2 min),聲源模擬采用純音的滴滴聲(1 000 Hz,500 ms),其呈現(xiàn)方向則根據(jù)飛行器的實(shí)時(shí)狀態(tài)改變,始終引導(dǎo)操作者向正確的方向調(diào)整(飛行器航向正確且處于平飛狀態(tài))。飛行器狀態(tài)、人的感知與聲源方向關(guān)系分別為：繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)-俯仰感知-冠狀面(聲音線索)、繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)-翻滾感知-矢狀面(聲音線索)、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)-偏航感知-水平面(聲音線索)與三個(gè)軸-綜合感知-三個(gè)平面內(nèi)(聲音線索)。飛行姿態(tài)調(diào)整主要依靠外置的腳舵和遙桿進(jìn)行(Saitek X52 PRO,中國(guó)香港,美加獅亞洲有限公司),而立體聲模擬主要依靠系統(tǒng)控制聲源方向隨著飛行姿態(tài)改變,而輸出依靠7.1聲道的耳機(jī)呈現(xiàn)(Strix7.1,臺(tái)北,ASUSTek Computer Inc.)。該系統(tǒng)記錄的指標(biāo)有反應(yīng)時(shí)間及定位誤差。反應(yīng)時(shí)間指每種測(cè)試模式下,單次任務(wù)呈現(xiàn)至調(diào)整完成確定時(shí)終止的反應(yīng)時(shí)間(reaction time,RT)。定位誤差指單次的正確位置與調(diào)整完成后的實(shí)際位置在X軸、Y軸與Z軸上的誤差角度(error angle,EA)。由此,可計(jì)算被試者進(jìn)行空間定向任務(wù)的平均反應(yīng)時(shí)間RTmean和標(biāo)準(zhǔn)差RTsd及X軸、Y軸與Z軸上的平均誤差角度(Xmean,Ymean,Zmean)與標(biāo)準(zhǔn)偏差(Xsd,Ysd,Zsd)。

1.3 任務(wù)負(fù)荷的測(cè)量

1.3.1斯坦福嗜睡量表(Stanford sleepiness scale,SSS)

在本試驗(yàn)中,采用SSS評(píng)估被試者的嗜睡程度,該量表將被試者的睡眠質(zhì)量從完全清醒狀態(tài)至入睡狀態(tài)分為7個(gè)等級(jí),主要評(píng)估被試者在測(cè)量時(shí)段內(nèi)的主觀警覺水平。完全清醒記1分,處于昏昏欲睡狀態(tài)記7分。

1.3.2NASA-TLX量表

NASA-TLX量表是美國(guó)航天局開發(fā)的多維任務(wù)負(fù)荷評(píng)價(jià)表,由心理需求(mental demand)、體力需求(physical demand)、時(shí)間需求(time demand)、作業(yè)績(jī)效(performance)、努力程度(effort level)和挫折程度(frustration level)6個(gè)維度負(fù)荷因素組成[10]。被試者在每一個(gè)負(fù)荷因素(分值范圍為1～21分)上進(jìn)行自我評(píng)分,分值越大代表該維度負(fù)荷程度越大。同時(shí),被試者還需要對(duì)各個(gè)負(fù)荷因素的重要程度進(jìn)行排序,賦予不同權(quán)重,依次為：1/21、2/21、3/21、4/21、5/21、6/21。該量表的總分則為維度分與相應(yīng)權(quán)重乘積的總和,總分越大表示負(fù)荷水平越高。研究已證實(shí),該量表在負(fù)荷評(píng)估中具有良好的信度和效度。

1.4 實(shí)施流程

本研究采取交叉對(duì)照的試驗(yàn)范式。按試驗(yàn)次序隨機(jī)分為A組與B組。正式開始前,所有被試者進(jìn)行統(tǒng)一的訓(xùn)練模式下的空間聽覺任務(wù)(2 min)。然后,A組、B組被試者分別進(jìn)行2次正式測(cè)試,第1次A組在有聲音線索提示(+sound cues)的條件下完成相應(yīng)的SOT任務(wù),而B組完成無(wú)聲音線索(-sound cues)下的SOT任務(wù)。第2次兩組試驗(yàn)條件交叉,A組、B組分別在無(wú)聲音線索與有聲音線索條件完成SOT任務(wù)。兩次測(cè)試間隔1 h,每次任務(wù)結(jié)束后,被試者的任務(wù)負(fù)荷程度立即通過(guò)NASA-TLX量表進(jìn)行評(píng)估，見圖1。

圖1 試驗(yàn)流程

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié) 果

2.1 聲音線索對(duì)空間感知能力的影響

與無(wú)聲音組相比,聲音線索組被試者在水平面內(nèi)進(jìn)行偏航感知任務(wù)時(shí),反應(yīng)時(shí)間明顯縮短(t=2.245,P=0.032),反應(yīng)時(shí)間的差異也明顯縮小(t=2.299,P=0.029)，見表1和圖2。翻滾感知任務(wù)時(shí),聲音線索組的被試者反應(yīng)時(shí)間(t=2.076,P=0.047)和反應(yīng)時(shí)間的差異也明顯縮小(t=2.224,P=0.034)，見表2和圖3。而聲音提示條件下,矢狀面內(nèi)俯仰感知和綜合三維感知任務(wù)的成績(jī)則沒有明顯改變，見表3和表4。

表1 聲音線索組與無(wú)聲音組偏航感知任務(wù)成績(jī)比較

*:P<0.05,與無(wú)聲音組比較。

表2 聲音線索組與無(wú)聲音組翻滾感知任務(wù)成績(jī)比較

*:P<0.05,與無(wú)聲音組比較。

表3 聲音線索組與無(wú)聲音組俯仰感知任務(wù)成績(jī)比較

表4 聲音線索組與無(wú)聲音組綜合三維感知任務(wù)成績(jī)比較

2.2 聲音線索對(duì)空間感知負(fù)荷的影響

在正常狀態(tài)下,兩組被試的進(jìn)行空間定向任務(wù)操作前的嗜睡程度是一致的(t=0.257,P=0.799)。在任務(wù)結(jié)束后,聲音線索組被試者的心理需求、體力需求、努力程度、挫折程度要比無(wú)聲音組高,而在時(shí)間需求、自我績(jī)效方面得分較低,但差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表5。

表5 聲音線索組與無(wú)聲音組任務(wù)負(fù)荷水平比較

3 討 論

聲音線索能夠顯著提高水平面內(nèi)偏航感知和冠狀面內(nèi)翻滾感知空間定位任務(wù)的工作效率。據(jù)報(bào)道,聽覺系統(tǒng)的聲源定位主要依靠聲音與頭部交互作用形成的單耳和耳間屬性改變的信息[10]。一方面，水平面上的定位主要線索為耳間時(shí)間差(interaural time difference,ITD)與耳間聲級(jí)差(interaural level difference,ILD)。有研究指出,采用攜帶不同變異的耳間時(shí)間差及耳間一致性信息的寬帶噪聲進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了聽覺系統(tǒng)以一定權(quán)重整合頻率間的ITD信息去定位聲源[11]。由此可見,ITD與ILD是雙耳聽覺的重要線索,可以進(jìn)行聲音定位、改善在噪聲和回聲等環(huán)境中的語(yǔ)音理解、整合多個(gè)聲源信息[12]。另一方面,聽覺定位還要靠頭相關(guān)傳遞函數(shù)(head-related transfer functions,HRTFs)形成的單耳譜信息[13]。當(dāng)被試者在進(jìn)行偏航感知任務(wù)和翻滾感知任務(wù)時(shí),聲音線索主要在水平面內(nèi)和冠狀面內(nèi)移動(dòng),可以引起耳間時(shí)間差和聲級(jí)差的改變,同時(shí)形成的譜信息也會(huì)在雙耳間出現(xiàn)顯著差異。因此,聲音線索可顯著提高偏航感知和翻滾感知的定位效率。

而聲音線索對(duì)矢狀面內(nèi)的俯仰感知定位的效果并不好。有文獻(xiàn)指出,試聽者剖結(jié)構(gòu)如頭部、耳廓、軀干等形成了一個(gè)復(fù)雜的方向依賴的濾波器,可以引起聲音信號(hào)的濾波效應(yīng),被試者進(jìn)行俯仰感知任務(wù)過(guò)程中,聲音線索則是在矢狀面內(nèi)進(jìn)行移動(dòng),耳間時(shí)間差及聲級(jí)差基本不受影響,因此聽覺定位在此種任務(wù)模式下主要受到聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波效應(yīng)后提供的位置線索影響。然而頭部的前部、頂部、后部等近似為球形,其濾波后的聲音線索攜帶的位置信息基本相似,故而可能造成聲音信號(hào)前后定位困難。另外,由于耳廓等結(jié)構(gòu)是濾波效應(yīng)的重要組成部分,能夠有效地為聲音信號(hào)增加方向依賴的頻譜波谷與波峰,且這些特征聲音定位的確能夠發(fā)揮一定的作用[14]。而解剖結(jié)構(gòu)的異常就會(huì)改變了HRTFs形成的譜線索,影響聲音定位的準(zhǔn)確性。如果對(duì)耳廓進(jìn)行處理,那么中平面內(nèi)的方向聽覺就會(huì)受到干擾[15-16]。當(dāng)頭戴耳機(jī)及頭盔的情況下,HRTFs同樣會(huì)受到影響。輸入信號(hào)會(huì)失去耳廓濾波作用的有效處理,顯著降低聲音定位的準(zhǔn)確率,角度誤差及前后顛倒也明顯增多[17-18]。無(wú)論何種類型的頭盔都會(huì)引起方位角、仰角定位估計(jì)的失誤增大[19]。

此外,本研究還發(fā)現(xiàn)聲音線索的增加并未顯著提高被試者空間定向操作的任務(wù)負(fù)荷程度。此結(jié)果對(duì)于聽覺定位輔助飛行員的空間定向則十分有利。本研究中,使用的聲音刺激為間斷的滴滴聲,被試者并不需要刻意花費(fèi)注意力去辨別。有研究指出,一般實(shí)驗(yàn)室研究多采用模擬的聲刺激,如滴答聲、純音等,而復(fù)雜聲音的空間定位不僅受聲音屬性的影響,也受聲音類別、行為關(guān)聯(lián)的影響[20]。當(dāng)聲音線索與行為關(guān)聯(lián)的水平高時(shí),聽覺對(duì)復(fù)雜聲音的定位敏感性高,則會(huì)花費(fèi)更多的精力去解讀。由此可見,本實(shí)驗(yàn)采用的純音信號(hào)既有好處,但也從另一方面解釋了矢狀面內(nèi)聽覺定位效果欠佳的問(wèn)題。

由于以往可供參考的相關(guān)研究較少,故不可避免地遇到一些難題,影響了研究的實(shí)施。首先,本研究的方案在試驗(yàn)過(guò)程經(jīng)過(guò)了修訂,為了保證試驗(yàn)流程的同質(zhì)性,導(dǎo)致最終有效的樣本量并不多。雖然本試驗(yàn)提供一些有價(jià)值的結(jié)果,但仍需增加樣本量進(jìn)一步提高結(jié)果的可信度。其次,本研究主要考慮飛行人員的空間定位感知能力提升的問(wèn)題,采用外置立體的聲源呈現(xiàn)方式在實(shí)際飛行過(guò)程中并不可行。因此,通過(guò)耳機(jī)呈現(xiàn)虛擬立體聲的方式有助于后期的應(yīng)用,但在矢狀面內(nèi)感知效果并不理想。也有報(bào)道指出,當(dāng)聲音線索與行為關(guān)聯(lián)的水平高時(shí),聽覺對(duì)復(fù)雜聲音的定位敏感性高[20]。因此,后續(xù)研究擬采用具有語(yǔ)音意義的聲音線索替代純音滴答聲作為聲音刺激,希望能夠進(jìn)一步提升空間聽覺在定位感知中的作用。

綜上所述,本研究證實(shí)了聲音線索對(duì)提高水平面內(nèi)偏航感知和冠狀面內(nèi)翻滾感知有一定的效果,可顯著提高工作效率。同時(shí),聲音線索又不會(huì)進(jìn)一步提升空間感知任務(wù)的負(fù)荷。本研究可以為機(jī)動(dòng)車駕駛員、甚至飛行員提供一種提升空間感知能力的方法和思路,為預(yù)防空間定向障礙發(fā)揮一定的作用。