应用声能比评价小学教室中的汉语语言清晰度*

彭健新 严南杰

(华南理工大学 物理与光电学院，广东 广州 510640)

对于5～14 岁的儿童来说，其大部分时间是在小学教室中度过的，良好的教室声学环境在培养儿童的学习与认知能力的过程中担负着极其重要的作用.较差的教室声学环境，如过度的混响与噪声将会降低教室的语言清晰度，影响教师与儿童之间的正常言语交流［1］.儿童的听觉功能随着年龄的增长逐渐发育，直到13～15 岁才能达到成年人水平［2-3］.研究表明在相同的室内声学特性与背景噪声条件下，儿童言语识别能力明显差于成年人［4］.与成年人相比，儿童需要更高的信噪比(SNR)来获取相同的语言听觉感受，年龄越小的儿童对教室声学环境的要求越高［5］.

Bradley［6］指出影响语言清晰度的主要因素是混响时间(RT).Lochner 和Burger［7］研究发现直达声及其后50 ms 的早期反射声对语言清晰度有用，而50 ms 之后的反射声及噪声降低了语言清晰度，并提出了有益有害声能比的概念.有益有害声能比同时考虑了噪声和混响对语言清晰度的影响，Bradley等［8］通过进一步研究指出有益有害声能比能够较好预测室内语言清晰度.有益有害声能比可由如下公式计算得到［8］:

式中，t、Ut为早期声能的时间限值(声限值)及该限值条件下的有益有害声能比，E 为t 之前的早期声能，Lt为t 之后的声能，S 为语言声压级，N 为背景噪声声压级.

Bradley［6］在小学教室采用近似人声指向性的声源对12～13 岁的儿童进行主观清晰度评价，研究了主观清晰度得分与有益有害声能比之间的关系.Bradley 等［9］通过对1、3、6年级学生进行语言清晰度评价发现对于小学生来说15 dBA 的SNR 并不足以获得较好的语言清晰度.为了得到同样的语言清晰度分，6 岁的儿童比11 岁儿童需要的SNR 高7 dBA.Astolfi 等［10］通过对意大利3 所小学的2－5年级学生进行语言清晰度主观评价，分别建立了不同年龄段儿童的意大利语语言清晰度得分与语言传输指数之间的关系.

目前以儿童为研究对象的小学教室语言清晰度研究主要是针对西方语言［6-10］，而对小学教室室内汉语语言清晰度的研究很少.由于汉语不同于西方语言，它是一种声调语言，Kang［11］指出当室内语言清晰度满足西方语言时，不一定满足汉语，反之亦然.彭健新等［12］对以汉语为母语的听音人的室内汉语与英语语言清晰度进行比较得到与Kang 类似的结论.Peng 等［13-14］分别通过主观汉语语言清晰度评价发现，有益有害声能比能较好地评价室内汉语语言的清晰度.文中通过对2、4、6年级儿童在小学教室进行汉语语言清晰度的主观评价，探讨不同年龄段儿童的主观汉语语言清晰度得分及其与有益有害声能比之间的关系.

1 实验方法

在广州市选取了9 所小学，每所小学分别选取2、4、6年级教室各一间，由2、4、6年级学生(儿童)在教室内不同听音位置进行汉语语言清晰度主观评价.同时，在其中一所学校另选取一间教室，在该教室天花上安装矿棉吸声板，由该校2、4、6年级儿童依次进行主观汉语语言清晰度评价.主观评价完成后测量各听音位置的客观声学参数.28 间教室中3 间教室平面为正六边形，其余教室平面全部为矩形，体积范围在172～273 m3之间.除一间教室的天花进行了声学处理外，其余教室未进行特殊声学处理，墙壁与天花板涂抹以水泥墙灰，地板铺设瓷砖，教室桌椅均为木质桌椅.

汉语语言清晰度主观评价按照国家标准GB4959—85 采用打圈法进行.每张测试字表25行，每行由5 个声母不同韵母相同的汉字构成.随机播放测试字表，由听音人圈出所听到的字.汉语语言清晰度测试信号由一名男性和一名女性发音人在消声室录制而成，然后采用Cool Edit Pro 编辑测试信号，并插入适当的静音信号，以便听音人记录.

采用粉红噪声产生与测试信号具有相同频谱特性的语言形状噪声信号，并将噪声信号和消声室录制的汉语清晰度测试信号按照给定的信噪比混合通过近似人声指向性生源JBL-LSR6325P 重放.重放时，声源高度为1.5 m，其正前方1 m 处的声压级65 dBA.测试时，每间教室中、后部选取听音位置4 个，所有听音位置都在混响半径以外.测试信号与干扰噪声的SNR 为－5、0、5、10、15 dBA 及无噪声共6 种测试条件，每间教室测试了3－5 种测试条件.

共有480 位无已知听力问题且普通话良好的2、4、6年级学生参加测试，其中2年级学生年龄为7～8 岁，4年级为9～10 岁，6年级为11～12 岁.每种测试条件下，每个听音位置处共4 位听音人参加两张字表(男女声字表各一张)测试，汉语语言清晰度得分为在该条件下4 位听音人8 张字表的汉语语言清晰度得分的平均值.

在进行主观评价的同时，采用传声器记录不同听音条件下每个听音位置的测试信号，根据录音信号计算出听音位置的倍频带噪声声压级以及语言声压级.传声器距离地面位置为1.0～1.2m，与儿童耳朵位置等高.主观评价完成后，保持听音人位置不变，测量每个听音位置的房间脉冲响应，然后应用Dirac声学软件计算出各个听音位置的500～1000Hz倍频带的平均早期衰变时间(EDT(500～1000Hz))和混响时间(T30(500～1000Hz))等，统计结果如表1 所示.根据测量得到的脉冲响应和不同SNR 条件下每个听音位置的倍频带噪声声压级以及语言声压级，分别选取早期声能时间限值t 为20、35、50、80、95 ms，根据式(1)计算出每个听音位置在不同SNR、不同早期声限值条件下的有益有害声能比，其结果如表1所示.由于语言声能量主要集中在500、1000、2000、4000Hz 频带内，因此Ut均为500、1000、2000、4000Hz 4 个频带的Ut的算术平均值.

表1 27 间教室声学参数统计Table 1 Statistics of the acoustical indices in 27 classrooms

2 结果与分析

对于语言清晰度得分与客观声学参数之间的关系通常采用三次多项式曲线、对数曲线和“S”形曲线等对实验数据进行拟合获得［6-7，10-12］，但采用前两者拟合得到的语言清晰度得分可能会随客观声学参数的取值增大而超过100%，这在实际中是不会发生的，而“S”形曲线则不会发生这种情形，因此文中采用“S”形曲线对语言清晰度得分与Ut之间的关系进行拟合.表2 为2、4、6年级儿童在教室内的主观汉语语言清晰度得分与不同早期声能时间限值的Ut的“S”形曲线拟合得相关系数(R)和标准偏差(SD).由表2 可知2、4、6年级儿童的汉语语言清晰度得分与不同早期声限值的Ut均具有较高的相关性.对于不同年级而言:小学2年级儿童的汉语语言清晰度得分与U80相关系数最高，4年级儿童主观汉语语言清晰度得分与U35相关系数最高，6年级儿童主观汉语语言清晰度得分与U95相关系数最高.对同一年级，不同早期声限值的Ut与汉语语言清晰度得分的相关系数在数值上的差异不明显，为了检验不同早期声限值的Ut与汉语语言清晰度得分的相关系数有无显著性差异，文中采用T 检验对不同早期声限值的Ut与汉语语言清晰度得分的相关性进行检验［15］.

式中，t 为时间统计量，r12、r13、r23为三列变量的两两相关系数，n 为样本容量.表3 为根据式(2)检验同一年级不同早期声能时间限值的Ut与汉语语言清晰度得分之间相关性差异的结果.表中“* ”表示二者与汉语语言清晰度得分之间的相关性存在显著性差异.

表2 Ut 与主观汉语语言清晰度得分的相关系数和标准偏差Table 2 Correlation coefficients and standard deviations between Ut and Chinese speech intelligibility scores

表3 Ut 与主观汉语语言清晰度得分的相关性T 检验Table 3 T test of correlation for the relationship between Ut and Chinese speech intelligibility scores

由表3 可知:对于所研究的3 个不同年级(2、4、6年级)的学生而言，他们在教室内的汉语语言清晰度得分与U50的相关性和他们在教室内的汉语语言清晰度得分与U80的相关性无显著性差异，U50、U80与汉语语言清晰度得分均具有较高的相关性，进一步分析发现U50与不同年级的儿童的汉语语言清晰度得分的拟合趋势和U80与不同年级的儿童的汉语语言清晰度得分的拟合曲线趋势相似.这表明U50、U80均能较好地评价儿童在教室室内的汉语语言清晰度.实际上，由式(1)可知，二者之间的差异在于早期声能时间限值不同.由不同听音位置、不同SNR 条件下的U50和U80值，可得它们之间的拟合关系为

其相关性系数为0.990.由式(1)可知早期声能时间限值取值越大时，有用声能量越大，Ut越大，因此对应同一条件下U80的值要高于U50.

图1 为U50与2、4、6年级儿童在教室内的汉语语言清晰度得分之间的“S”形拟合曲线，其拟合相关系数、标准偏差如表2 所示.U50与2、4、6年级儿童的汉语语言清晰度得分的“S”形曲线拟合关系分别为

式中，SI2、SI4、SI6分别表示2、4、6年级儿童的汉语语言清晰度得分.

由图1 可知不同年级儿童的汉语语言清晰度得分随U50增大而增大.在相同的U50条件下，儿童年龄越大，其汉语语言清晰度得分越高.为了探讨不同年龄的儿童在教室内达到良好的言语识别行为的条件，文中以95%的汉语语言清晰度得分为限，比较不同年级儿童达到该限值所需要的U50值.将图1 重画如图2 所示，图2 中给出了不同年级儿童的拟合曲线达到95%的汉语语言清晰度得分所对应的U50值.由图2 可知，为了使不同年级的儿童在教室内获取较好的汉语语言清晰度(95%的汉语语言清晰度得分)，2、4、6年级儿童在教室内需要U50值分别为7.4、4.5、2.8 dB.为了获得良好的汉语语言清晰度，2年级儿童在教室内需要比6年级儿童的U50值高4.6 dB.

图1 U50与2、4、6年级儿童的汉语语言清晰度得分的拟合曲线Fig.1 Fitting curves between U50 and Chinese speech intelligibility scores for grade 2，4 and 6 children

图2 U50与2、4、6年级学生的汉语语言清晰度得分关系的对比Fig.2 Comparison of relationships between U50 and Chinese speech intelligibility scores for grade 2，4 and 6 students

研究表明语言清晰度随着信噪比的增加而提高［9］.有益有害声能比Ut是由信噪比、混响时间等室内声学特性组合成的单一声学参数，由式(1)可以知道当信噪比增加时Ut也随着增加，同时当混响时间增加时会增加早期声限值t 之后的后期反射声声能，间接降低信噪比，从而降低了语言清晰度，同样由式(1)可以知道当混响时间增加时Ut会随着减小.因此儿童汉语语言清晰度得分会随着U50、U80等的增大而增加.

随着年龄的增大，在相同的U50或U80条件下，不同年级的学生的汉语语言清晰度的得分会增加.儿童年龄越小，对语言的理解能力越差，对获取有用听觉信息的注意力越难以集中，这会导致不同年龄段儿童对言语识别能力存在一定差异.更重要的是儿童的听觉功能随着年龄的增长逐渐发育，直到13～15岁才能达到成年人水平［2-3］.年龄越小的儿童对教室声学环境的要求越高，即要求的信噪比越高，混响时间越低［5］.其次汉字是由声母、韵母和声调构成，由于汉语语言主要信息由声母携带，集中在高频部分;韵母的声能较高，主要集中在中低频，因此在混响过长或噪声级过高的听音条件下，语言信号中高频成分容易被掩蔽掉，从而导致声母信息的丢失，造成语言清晰度的降低，由于主观汉语语言清晰度测试中采用的是打圈法，测试字的声母不同，但韵母相同.研究表明对于10～30 ms 内快速的语音频谱变化越敏感对辅音的辨别能力越强，因此在混响过长或噪声级过高的听音条件下，儿童的年龄越小，对辅音的辨别能力越困难［2］.因此在相同声学条件下，儿童在教室内的汉语语言清晰度得分随着年龄的增加而增加.

3 结论

通过对2、4、6年级儿童在9 所小学28 间教室内进行汉语语言清晰度主观评价，得到不同年级儿童的汉语语言清晰度得分与客观语言清晰度参数U50、U80之间的关系，结果表明:U50、U80与儿童在教室内的汉语语言清晰度得分之间具有较高的相关性，能较好地评价儿童在教室内的汉语语言清晰度;在相同的有益有害声能比条件下，儿童汉语语言清晰度得分随着年龄增加而增加.2、4、6年级儿童在教室内达到95%的汉语语言清晰度得分需要的U50值分别为7.4、4.5、2.8 dB.

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