老年人在不同聲環境下的聲源定位能力初探

趙磊，彭健新

（華南理工大學物理與光電學院，廣州 510640）

1 引言

老年人對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，通常表現為對中高頻聲音聽力下降及在噪聲環境下交流溝通困難，大腦對接收聲音的處理變慢并很難對聲音定位[4]，從而影響其尋找目標、發現和避免周圍潛在危險的能力。

一般來說，言語信號和噪聲信號并存，在多噪聲源條件下準確定位目標語言，有助于提高對目標語言的識別率。對聲源定位能力的評判，通常是在待測環境下布置多個揚聲器，選擇其中一個隨機播放讓聽音人判別聲源方向。本文在不同混響時間、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的言語交流效果。

2 實驗方法

測試在廣州某養老院內老年人經常活動的單人房、閱覽室和餐廳等3間房內進行。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，單人房中鋪設木質地板磚，閱覽室和餐廳中鋪設普通的地板瓷磚，三間房間中的桌椅均采用木質材料，房中均未鋪設吸聲材料。采用B&K2250便攜式手持聲分析儀測量3個房間的背景噪聲，其噪聲級分別為33.7dB（A）、41.1dB（A）、44dB（A）。

測試時，在被測房間內以聽音人所在位置為圓心、1.8m長為半徑的半圓弧布置揚聲器（JBL—LSR6325P），如圖1所示。其中一個揚聲器固定于聽音人的正前方（方位角為0°），另兩個揚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，調節揚聲器的高度使其底端和人耳高度基本齊平。語言信號和噪聲信號經ROLAND EDIROL 25聲卡、功放放大后反饋給正前方的揚聲器重放，然后再隨機選取一個揚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。實驗在關閉門窗、電扇和空調的安靜環境下進行，避免聽音人受到其他噪聲干擾。

在養老院選取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聽力計在背景噪聲低于30dB（A）的房間中按照升降法進行250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、6kHz、8kHz氣導純音聽力測試，每個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個頻帶下的平均結果作為純音聽閾的平均值PTA。國際衛生組織（WHO）1997年頒布聽力損失劃分的標準：根據500Hz、1kHz、2kHz和4kHz的平均聽力將聽力損失程度分成5個等級：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。根據此標準，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 揚聲器布置圖

3 結果與討論

圖2表示三個房間中的10位老年人對不同方位角噪聲源的定位準確率，由圖2可看出，老年人對方位角為0°噪聲源定位準確率最高，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果較為接近，且都優于在餐廳中的定位結果。右表為不同條件下老年人定位準確率的統計結果，可以得知，老年人在單人房、閱覽室、餐廳中對聲源的平均定位準確率分別為64.2%、62.5%、50.8%，對0°、45°、90°噪聲源的平均定位準確率分別為78.3%、42.5%和53.3%。同一方位角條件下不同信噪比時的聲源定位結果差異不大。

圖2 三個房間中老年人對噪聲源的定位準確率

不同條件下老年人定位準確率統計表

3.1 噪聲方位角對聲源定位的影響

由上表可知，無論在單人房、閱覽室還是在餐廳中，老年人對0°噪聲源的定位準確率遠大于對45°和90°，且對90°噪聲源的定位準確率大于對45°的。三間房中，老年人對0°噪聲源的平均定位準確率比45°噪聲源高35.8%，比90°噪聲源高25%。當聲源位于聽音人的中垂面時，人的頭部特別是外耳廓對聲波產生的頻率特性的變化對定位有著重要的作用，當聲音信號具有一定頻帶寬度時，外耳傳輸函數將對聲音信號產生影響，使聲音信號頻譜發生變化，人耳依據此進行定位，并能獲得較高的定位準確率[5]。文中待定位的聲源信號為漢語平均頻譜噪聲，具有一定的頻帶寬度，由于外耳傳輸函數的作用，老年人在三間房中對0°噪聲源的定位準確率較高，平均結果達78.3%。當聲源位于非中垂面時，聲源產生的聲波經頭部等的衍射后到達雙耳，從而產生時間差（ITD）和強度差（ILD），這就是所謂的“雙耳效應”，聽覺系統利用這些信息和過去的經驗相比較，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，所以導致定位準確率偏低，三間房中對45°和90°噪聲源的平均定位準確率僅為42.5%和53.3%。

3.2 混響時間對聲源定位的影響

三個房間中，老年人的聲源定位結果在混響時間較短的單人間和閱覽室中較好，在混響時間較長的餐廳中較差。由此可得知，混響時間在一定程度上會影響老年人的聲源定位。由于混響時間較長，室內的反射聲對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確率僅為50.8%，比在單人房和閱覽室中的結果分別低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，這和本文的結果一致。一般來說，混響時間過長會影響老年人的語言清晰度和聲源定位能力，例如，混響除了使目標語音的包絡重疊外，還會干擾競爭聲源的時間調制，降低了聽眾的語言識別和定位能力。除此之外，混響會模糊聽音人的雙耳線索而嚴重影響聲源的定位。

3.3 聽力損失對聲源定位的影響

圖3為10位老年人的純音聽閾與噪聲方位判斷準確率的關系。其中，老年人純音聽閾的均值為30.0dB HL，標準差為7.0dB HL。聲方位判斷準確率的均值59.4%，標準差為6.3%；最大值為69.4%，其對應的純音聽閾為19.5dB HL；最小值為50%，對應的純音聽閾為39.3dB HL和36.5dB HL。對老年人的純音聽閾值和噪聲方位判斷準確率進行相關分析，得Pearson相關系數為-0.76，這說明噪聲方位判斷的正確率與純音聽閾間存在負相關關系，聽力損失在很大程度上影響聲源的定位，導致老年人的聲源定位能力遠不如年輕人，因為聽力損失者和聽力正常者主要都是依據相同的聽覺線索來定位，已有研究[7、8]證實了這一結果。再者，聲音在空氣的傳遞過程中會有能量和速度的變化，如果聽力損失且閾值不對稱，無論來自哪個方向的聲音，大多數都會被聽力閾值較好一側的耳朵聽到，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確率的關系

4 結論

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