重放方式对老年人语言清晰度评价的影响

彭健新 赵磊 蒋燕梅

(华南理工大学 物理与光电学院，广东 广州 510640)

老年人对言语的感知容易受到混响和噪声的干扰[1- 3]。研究表明，老年人的听力随着年龄的增长而逐渐下降，通常表现为对中高频声音听力下降和在噪声环境下交流沟通困难，大脑对收到的声音的处理变慢且很难对声音定位[4]。Harris等[5]证实：在加入噪声的混响条件下，听力正常的老年人的语言清晰度得分比听力正常的年轻受试者明显差很多。

存在竞争声源的情况下，通过对听力正常的年轻人进行语言清晰度的研究，Dirks等[6]指出，语言信号和噪声分离角度仅为10°时，语言清晰度就会产生显著的变化。Hawley等[7]进一步证实了这一结论，并指出无论是扬声器重放还是耳机重放，听音人的语言清晰度得分都随语言信号和噪声的空间分离而得到提高。Marrone等[8]指出，当噪声与语言信号之间的分离角度为±15°时，年轻人的去掩蔽值平均为8 dB，分离角度更大时去掩蔽值可超过12 dB。Bronkhorst等[9]通过耳机重放方式比较了听力损失的老年人和听力正常的年轻人在存在竞争声源条件下的言语接受阈值(SRT)，发现在相同条件下，有听力损失的老年人的SRT比听力正常的年轻人高4.2～10.0 dB。这些研究表明，在良好的语言交流环境中，老年人比听力正常的年轻人需要更高的室内语言清晰度。

室内语言清晰度主观评价是室内语言清晰度好坏的最终判据。对老年人使用空间的语言清晰度主观评价，需老年听音人在被评价厅堂进行现场评价，这会给听音人带来不便。采用扬声器在被试厅堂播放测试字表，借助人工头记录被测试位置的听音信号，再由耳机重放录音信号供听音人评价则比较方便。但是，采用扬声器重放进行现场评价和采用人工头录音再通过耳机重放进行评价这两种方式所得到的老年人语言清晰度结果有无差异尚未见报道。文中在不同混响时间、不同信噪比和不同噪声方位角条件下，通过老年人进行听音评价，探讨现场扬声器重放方式和在现场采用人工头录音然后在实验室通过耳机重放方式对老年人汉语语言清晰度评价的影响。

1 方法

选取大小分别为10.53 m×7.72 m×3.23 m、3.44 m×4.96 m×3.35 m的两个房间供现场扬声器重放所用。两个房间的墙壁和天花板均粉刷涂漆。测试时，在小房间内放置分散的吸声块以获得较短的混响时间，而对大房间不作任何声学处理。采用无指向性扬声器通过扫频法测得大、小两个房间内500～1 000 Hz倍频带的平均混响时间T30分别为1.4 s和0.8 s，采用B&K2250声分析仪测得大、小房间的背景噪声分别为38.5 dBA和36.2 dBA。

汉语语言清晰度主观评价测试按照国家标准GB 4959—85采用打圈法进行[10]。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。测试时，在以听音人位置为圆心、半径为2.0 m的180°半圆弧上每隔45°布置1个扬声器(共5个)。语言清晰度测试信号由正前方的扬声器(JBL LSR6325P)播放，噪声信号则从方位角为0°、45°和90°的扬声器中随机选择一个进行播放。测试时，每次1位听音人坐于圆心位置，该位置的噪声级为60 dB，测试信号信噪比分别为0 dB和15 dB，即语言声级分别为60 dB和75 dB。现场测试完后，将01 dB MK2B仿真人工头置于听音人所在的位置，记录扬声器播放的测试信号，同时测量人工头双耳处的测试信号声级。然后，在背景噪声低于30 dBA的房间内使用耳机(Sennheiser HD580)重放所记录的信号供听音人评价。测试时，听音人双耳处的声级与人工头记录的声级一致。

共有6位60～75岁的男性老年人和6位听力正常的年轻人(22～30岁的研究生)参与测试。他们均能熟练听说普通话。根据ISO 6189规范测得老年人和年轻人在250、500、1 000、2 000、4 000、6 000 Hz的纯音听阈如图1所示。每位听音人分别完成扬声器重放和耳机重放下12种不同测试条件(0.8 s和1.4 s混响时间，0 dB和15 dB信噪比，0°、45°和90°噪声方位角)的汉语语言清晰度评价实验。

2 结果和讨论

首先对12种测试条件下的288个数据进行邻差型检验[11]，结果表明，所有测试数据均有效。然后统计每种测试条件下6位老年人和6位年轻人的语言清晰度平均得分，结果如图2所示。由图2可知，老年人和年轻人的汉语语言清晰度得分均随混响时间的增加而降低，随信噪比的增加、语言信号与噪声的空间分离而提高。这与先前研究得到的结果一致[12- 13]，文中重点探讨两种重放方式对老年人进行汉语语言清晰度评价的影响。对不同测试条件下的汉语语言清晰度得分进行多因素方差分析，结果表明：重放方式(F(1,286)=2.8)对汉语语言清晰度得分没有显著性影响(P>0.05)，年龄(F(1,286)=321.9)、信噪比SNR(F(1,286)=211.4)、噪声方位角(F(2,285)=46.8)和混响时间T30(F(1,286)=35.1)对语言清晰度得分均有显著性影响(P<0.001)，其中，年龄差异对语言清晰度得分的影响最大，其余依次是信噪比、噪声方位角、混响时间。年龄和信噪比之间具有显著交互作用(P<0.001)，年龄和混响之间具有统计意义上的差异(P<0.05)，其余因素间的交互作用不显著(P>0.05)。表1为老年人和年轻人在扬声器重放和耳机重放方式下的汉语语言清晰度得分差异统计。从图2和表1可知，无论老年人还是年轻人，相同测试条件下通过扬声器重放方式和耳机重放方式得到的汉语语言清晰度得分差异较小。老年人在12种测试条件下通过扬声器重放方式得到的汉语语言清晰度得分比通过耳机重放方式得到的汉语语言清晰度得分高2.6%，标准偏差为2.6%；年轻人在12种测试条件下通过扬声器重放方式得到的汉语语言清晰度得分比通过耳机重放方式得到的汉语语言清晰度得分高1.0%，标准偏差为2.0%。

图1 老年人和年轻人的纯音听阈比较

Fig.1 Comparison of pure tone thresholds between the elderly and young adults

图2 不同重放方式下老年人和年轻人的语言清晰度得分

Fig.2 Chinese speech intelligibility scores in different reproduction modes

表1 老年人和年轻人在两种重放方式下的汉语语言清晰度得分差异统计

Table 1 Differences in Chinese speech intelligibility scores between the elderly and young adults in two reproduction modes

噪声方位角/(°)测试对象汉语语言清晰度得分差值/%T30=0.8s时T30=1.4s时SNR=0dBSNR=15dBSNR=0dBSNR=15dB04590老年人-0.33.31.36.8年轻人02.5-0.82.5老年人3.75.02.73.3年轻人0.82.5-3.32.5老年人3.33.31.8-3.3年轻人3.32.5-0.80.8

图3为听音人在12种测试条件、两种重放方式下的汉语语言清晰度得分之间的关系。由图3可知，在12种测试条件下老年人和听力正常的年轻人通过耳机重放和扬声器重放得到的结果基本一致，所有数据点均分布在直线y=x附近。为了进一步分析老年人在两种重放方式下汉语语言清晰度得分的差异，文中将在不同测试条件下听音人的汉语语言清晰度得分按照y=x+b进行拟合，其中x、y分别代表扬声器、耳机重放模式下的汉语语言清晰度得分，系数b、相关系数r和标准偏差SD的结果如表2所示(P<0.001)。表2进一步对比了老年人和年轻人在不同测试条件和两种重放方式下汉语语言清晰度得分的偏差，从中可发现，无论是老年人组还是年轻人，他们在两种重放方式下的汉语语言清晰度得分均具有高相关性，但耳机重放方式下的各种测试条件的汉语语言清晰度得分略低于扬声器重放方式下的汉语语言清晰度得分(b<0)。

图3 扬声器重放与耳机重放条件下的汉语语言清晰度得分之间的关系

Fig.3 Relationship of speech intelligibility scores between loudspeaker and headphone reproduction modes

表2 不同测试条件下的拟合结果Table 2 Fitting results under different test conditions

另一方面，由表1和2可知，年轻人在两种重放方式、不同测试条件下的汉语语言清晰度得分差异比老年人的小。由于年轻人听觉功能正常，其室内汉语语言清晰度得分主要受室内混响、信噪比、目标声源与噪声源是否空间分离等因素的影响，尽管通过耳机重放人工头记录的被测空间听音位置的双耳信号时存在“头中定位”现象，导致定位时的前后方向产生混淆，但由于语言清晰度评价具有鲁棒性，这并不会对耳机重放方式下的语言清晰度得分造成影响。而老年人随着年龄的增长高频听力逐渐损失(如图1所示)，造成输入信号的衰减和失真，其语言清晰度得分比年轻人要低得多，尤其在较差的听音环境下，比如信噪比较低、混响时间较长的环境。而且，老年人对声音的空间定位能力比年轻人弱，相比于扬声器重放时，耳机重放下其定位准确率的下降程度远大于年轻人[14]，而对声音的准确定位在一定程度上有助于提高语言清晰度[15]。这些因素将导致老年人在两种重放方式下汉语语言清晰度的得分差异比年轻人略大。

Anderson等[16]指出，扬声器重放下得到的语言识别阈值比耳机重放下的结果低6 dB左右，他们认为使用耳机重放时耳朵周围的生理活动可能会引入噪声，尤其当所听的信号为低频信号时。有研究指出：由于耳机在2～6 kHz的频响平坦度比扬声器差，所以导致两种重放方式得到的结果存在差异[17]。图4所示为JBL LSR6325P扬声器和Sennheiser HD580耳机的频响曲线。尽管1 000～4 000 Hz中高频范围对语言清晰度起主要作用，但由图可以看出：扬声器频响在大于100 Hz以上的范围相对平直；耳机频响在比较大的范围内频率响应变化不大，但在4 000 Hz以上的高频有一定的衰减，降低了部分声母信号的声级(文中采用的测试词的韵母相同，声母不同)，扬声器重放下的语言清晰度得分略高于耳机重放下的汉语语言清晰度得分，但目前为止尚未有研究表明这两种重放方式下的语言清晰度有显著差异。

Yost等[18]通过采用扬声器重放、单只耳机重放、使用KEMAR人工头录音再通过两只耳机重放这3种不同的重放方式让听音人识别所听到的单词、字母、数字以及语音的位置，证实扬声器重放下的言语识别效果优于单只耳机和使用KEMAR人工头录音再通过两只耳机重放下的言语识别效果，这和文中结果一致。Koehnke等[19]通过模拟听音环境、语言和噪声的相对位置，采用耳机重放方式测量听音人在噪声环境下语言清晰度达到50%时的信噪比，其结果也证明了耳机重放方式应用在科学研究中的合理性。尽管文中两种重放方式下的汉语语言清晰度得分的关系与y=x关系之间存在较小的偏离，但双样本t检验和前面的方差分析证明两种重放方式下的汉语语言清晰度得分无显著性差异。这些结果表明，采用人工头录音再通过耳机重放由老年人进行室内汉语语言清晰度评价得到的结果与直接在厅堂现场评价得到的结果基本相符。由于耳机重放方式下听音人可在实验室进行测试，这为老年用厅堂的语言清晰度评价提供了一种便捷可行的方法。

图4 扬声器和耳机的频响曲线

Fig.4 Frequency response curves of loudspeaker and headphone

3 结论

文中在两个房间内通过扬声器重放和采用人工头录音然后再通过耳机重放，由老年人进行汉语语言清晰度评价，探讨在不同混响时间、不同信噪比和不同噪声方位角条件下扬声器重放和耳机重放方式对老年人的语言清晰度评价的影响。结果表明，采用耳机重放和采用扬声器重放对老年人语言清晰度得分无显著性影响。采用人工头录音再通过耳机重放由老年人进行室内汉语语言清晰度评价得到的结果与直接在厅堂现场评价得到的结果基本一致。文中研究为老年用厅堂的语言清晰度评价提供了一种便捷可行的方法。