近場(chǎng)條件下視覺(jué)距離感知對(duì)響度的影響

陳竹書，毛東興

(同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所，上海200092)

0 引 言

響度是心理聲學(xué)中一個(gè)非常重要的參量，主要反映人耳對(duì)聲音強(qiáng)度的感受。響度主要由聲信號(hào)本身的聲壓大小和頻譜決定。但是，其他一些非聲學(xué)因素也會(huì)對(duì)響度帶來(lái)影響。

已有研究證明，視覺(jué)刺激會(huì)對(duì)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。Fastl[1]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同樣的聲信號(hào)，紅色火車的響度比綠色火車要大15%。靜止的圖片平均可以使響度降低2.5%，動(dòng)態(tài)的圖片則可以降低約5%。并且模擬的場(chǎng)景越逼真，視覺(jué)信息帶來(lái)的響度下降就越大。Aizawa等[2]專門研究了不同顏色的視覺(jué)刺激對(duì)響度的影響，并在此基礎(chǔ)上建立了考慮視覺(jué)刺激的新的響度模型。Kitagawa等[3]研究了視覺(jué)對(duì)聽(tīng)覺(jué)的滯后影響，發(fā)現(xiàn)試聽(tīng)者在觀看一個(gè)方塊遠(yuǎn)近移動(dòng)一段時(shí)間后，聽(tīng)穩(wěn)態(tài)的聲音也會(huì)覺(jué)得響度在變化。Syouya等[4]使用大小或亮度變化的圖片作為視覺(jué)刺激，響度或音調(diào)變化的純音信號(hào)作為聽(tīng)覺(jué)刺激。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，視覺(jué)刺激中大小和亮度的變化會(huì)影響聽(tīng)覺(jué)上對(duì)響度和音高的感知。Epstein等[5]研究了不同回放條件以及有無(wú)視覺(jué)信息時(shí)的雙耳/單耳響度比。他們發(fā)現(xiàn)，耳機(jī)回放與揚(yáng)聲器回放得到的雙耳/單耳響度比不同，視覺(jué)信息也會(huì)影響雙耳的響度疊加。

本文通過(guò)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在響度匹配值和實(shí)測(cè)耳道口聲壓級(jí)的基礎(chǔ)上，分析研究了近場(chǎng)條件下視覺(jué)距離感知對(duì)于響度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主 體

試聽(tīng)者共8人，編號(hào)A～H，4男、4女，年齡在24～28歲之間，均為在校學(xué)生且聽(tīng)力正常。

1.2 設(shè) 備

實(shí)驗(yàn)在消聲室中進(jìn)行，以模擬自由場(chǎng)條件。

近場(chǎng)條件下，如果聲源不夠小，頭和聲源之間的多重散射會(huì)影響人耳處的聲壓。Yu等[6]計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在頻率 20 kHz以內(nèi)，要使人耳處聲壓的誤差小于1 dB，當(dāng)聲源距離不小于0.15 m或0.20 m時(shí)，聲源半徑分別不能超過(guò)0.03 m或0.05 m。本實(shí)驗(yàn)采用自制的正十二面體聲源，半徑約為0.02 m，完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。此外，我們還對(duì)聲源的指向性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)受聲點(diǎn)距離為1 m時(shí)，在4 kHz以下，聲源基本滿足無(wú)指向性的要求，不同方向的差異在0.2 dB以內(nèi)。

如果將多個(gè)聲源安裝在不同距離處進(jìn)行回放，近處的聲源會(huì)遮擋遠(yuǎn)處的聲源。因此，實(shí)驗(yàn)中只用一個(gè)聲源。將聲源安裝在一個(gè)滑軌上，通過(guò)前后滑動(dòng)來(lái)改變聲源距離。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。試聽(tīng)者坐在椅子上，面對(duì)聲源和支架。椅子上有一個(gè)頭靠來(lái)固定頭部，使頭部無(wú)法自由移動(dòng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.1 The experimental scene

1.3 信 號(hào)

實(shí)驗(yàn)中使用中心頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz的三分之一倍頻程的窄帶噪聲(均由白噪聲通過(guò)巴特沃茲(Butterworth)濾波器濾波得到)。每個(gè)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)2 s，首尾20 ms分別乘以升余弦函數(shù)的上升和下降部分，以消除聲壓突變。聲源中心距頭部中心1 m處為參考距離，其他7個(gè)距離(0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4和 0.3 m)為測(cè)試距離。聲源位于參考距離處時(shí)，分別播放3種頻率的聲信號(hào)，并調(diào)節(jié)其大小使人頭中心處(人不在時(shí))的聲壓級(jí)為 60 dB，作為3種頻率的參考信號(hào)。參考信號(hào)的強(qiáng)度在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持不變。聲源位于測(cè)試距離時(shí)播放的信號(hào)叫做測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)的強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是不斷調(diào)整的。

1.4 過(guò) 程

聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)不但能感知響度，還可以根據(jù)接收到的聲信號(hào)對(duì)聲源進(jìn)行距離定位。聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的距離定位主要依靠以下因素[7]：(1) 聲信號(hào)強(qiáng)度；(2) 直達(dá)/混響聲能比；(3) 頻譜；(4) 雙耳信息；(5) 動(dòng)態(tài)因素。除此之外，其他非聲學(xué)因素(例如視覺(jué)信息)也可以輔助聽(tīng)覺(jué)距離定位。在本實(shí)驗(yàn)中，為了研究視覺(jué)距離信息對(duì)響度的影響，就要讓試聽(tīng)者無(wú)法通過(guò)聽(tīng)覺(jué)信息來(lái)判斷距離。

試聽(tīng)者入座后，測(cè)試人員將聲源調(diào)節(jié)至與試聽(tīng)者雙耳平齊的高度，并調(diào)節(jié)支架位置，使滑軌位于試聽(tīng)者正前方。

試聽(tīng)者閉上雙眼并戴上眼罩后，無(wú)法判斷聲源距離。這是因?yàn)椋?1) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聲源功率是會(huì)變化的，且試聽(tīng)者對(duì)聲源不熟悉，無(wú)法通過(guò)聲信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷距離；(2) 在消聲室中沒(méi)有反射聲，無(wú)法通過(guò)直達(dá)/混響聲能比來(lái)判斷距離；(3) 使用的信號(hào)均為窄帶噪聲，無(wú)法通過(guò)頻譜變化來(lái)判斷距離；(4)由于人頭的對(duì)稱性，當(dāng)聲源在正前方時(shí)，雙耳聲級(jí)差(Interaural Level Difference, ILD)和雙耳時(shí)間差(Interaural Time Difference, ITD)都近似為0，無(wú)法通過(guò)雙耳信息來(lái)判斷距離；(5) 頭部固定不動(dòng)，無(wú)法通過(guò)動(dòng)態(tài)因素來(lái)判斷距離。

然后測(cè)試人員向試聽(tīng)者簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)的流程，試聽(tīng)者用15 min熟悉實(shí)驗(yàn)流程。

響度匹配開(kāi)始，測(cè)試人員先播放1 m處的參考信號(hào)，時(shí)長(zhǎng)2 s，間隔1 s后，將聲源移動(dòng)至某個(gè)測(cè)試距離處播放測(cè)試信號(hào)，時(shí)長(zhǎng) 2 s。測(cè)試信號(hào)的初始強(qiáng)度是在一個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)選取的。試聽(tīng)者需要比較感知到的兩個(gè)信號(hào)的響度。如果試聽(tīng)者認(rèn)為測(cè)試信號(hào)更響，則下次測(cè)試將調(diào)小測(cè)試信號(hào)；如果試聽(tīng)者認(rèn)為參考信號(hào)更響，則下次將調(diào)大測(cè)試信號(hào)。聲壓級(jí)調(diào)節(jié)的步距初始為1 dB，兩次反轉(zhuǎn)之后步距變?yōu)?.2 dB。

最初測(cè)試信號(hào)的響度明顯大于或小于參考信號(hào)，調(diào)節(jié)測(cè)試信號(hào)的強(qiáng)度直至試聽(tīng)者認(rèn)為測(cè)試信號(hào)與參考信號(hào)響度相等(簡(jiǎn)稱等響)。重復(fù)此過(guò)程至少3次，讓試聽(tīng)者確認(rèn)兩個(gè)信號(hào)等響。最后，等響時(shí)測(cè)試信號(hào)的增益值的相反數(shù)就作為響度匹配的結(jié)果。例如，如果0.5 m處匹配響度的結(jié)果為6 dB，則表示0.5 m處的信號(hào)增加-6 dB后與1 m處的參考信號(hào)等響；也可以表示聲功率不變的情況下，聲源在0.5 m處時(shí)比在1 m處時(shí)響6 dB。重復(fù)上述過(guò)程，分別對(duì)3種頻率(500 Hz、1 kHz和2 kHz)時(shí)，7個(gè)距離(0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4 和 0.3 m)處的測(cè)試信號(hào)都與1 m處的參考信號(hào)進(jìn)行響度匹配。每個(gè)試聽(tīng)者完成每個(gè)頻率1個(gè)測(cè)試距離的響度匹配約耗時(shí)8 min。試聽(tīng)者每天完成1個(gè)頻率的7個(gè)測(cè)試距離的實(shí)驗(yàn)，約耗時(shí)8×7=56 min，中間有一次短暫休息。每個(gè)試聽(tīng)者3天可完成全部實(shí)驗(yàn)。

3天后，所有試聽(tīng)者再進(jìn)行一輪實(shí)驗(yàn)。與之前實(shí)驗(yàn)的唯一區(qū)別是試聽(tīng)者不再戴眼罩并且睜開(kāi)雙眼，這樣他們就可以看見(jiàn)聲源知道聲源距離。將睜眼和閉眼的兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 閉眼、睜眼對(duì)比

圖2～4分別是8名試聽(tīng)者在睜眼和閉眼條件下對(duì)頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz聲信號(hào)進(jìn)行響度匹配的結(jié)果。

圖2 8個(gè)試聽(tīng)者睜眼和閉眼條件下500 Hz聲信號(hào)響度匹配測(cè)試結(jié)果Fig.2 The loudness matching results of 8 listeners for 500 Hz sound signal in eyes closing and opening

從圖 2～4中我們可以看出，響度匹配值總體上隨著距離的減小而逐漸增大，這與響度隨著距離減小會(huì)增大的規(guī)律一致。其次，8個(gè)試聽(tīng)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的個(gè)體差異，這是由于每個(gè)人的頭部形狀不同，從而導(dǎo)致耳道口的聲壓級(jí)也不相同。最后，除了試聽(tīng)者G的對(duì)頻率1 kHz的聲信號(hào)的響度匹配的測(cè)試結(jié)果以外，從圖中其他試聽(tīng)者的測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著聲源的靠近，睜眼時(shí)的響度匹配結(jié)果要明顯小于閉眼時(shí)的響度匹配結(jié)果。這說(shuō)明了視覺(jué)距離感知對(duì)響度的評(píng)價(jià)是有影響的。

為了進(jìn)一步分析各個(gè)參量對(duì)響度匹配結(jié)果的影響，分別以眼睛的狀態(tài)、距離和頻率作為因子對(duì)全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果做方差分析(Analysis of Variance,ANOVA)。結(jié)果顯示，眼睛的狀態(tài)對(duì)響度匹配結(jié)果有顯著的影響(F(1,7)=17.085,p<0.001)。距離的影響也極為顯著(F(6,42)=295.601,p<0.001)。而頻率則沒(méi)有顯著影響(F(2,14)=2.342,p=0.098)。

圖3 8個(gè)試聽(tīng)者睜眼和閉眼條件下1 kHz聲信號(hào)響度匹配測(cè)試結(jié)果Fig.3 The loudness matching results of 8 listeners for 1 kHz sound signal in eyes closing and opening

圖4 8個(gè)試聽(tīng)者睜眼和閉眼條件下2 kHz聲信號(hào)響度匹配測(cè)試結(jié)果Fig.4 The loudness matching results of 8 listeners for 2 kHz sound signal in eyes closing and opening

2.2 響度匹配結(jié)果與耳道口聲壓級(jí)實(shí)測(cè)值比較

本文還研究了響度匹配結(jié)果與試聽(tīng)者耳朵處接收到的聲壓級(jí)之間的關(guān)系。由于聲波在耳道內(nèi)的傳播與聲波入射方向無(wú)關(guān)[8]，因此一般測(cè)量封閉耳道口的聲壓級(jí)進(jìn)行研究。

首先使聲源的聲功率恒定，移動(dòng)聲源到不同距離處，測(cè)量試聽(tīng)者封閉耳道口的聲壓級(jí)。由于人頭部的對(duì)稱性，聲源在正前方時(shí)，左右耳的聲壓級(jí)幾乎相同，可以認(rèn)為是雙耳同音的情況，因此我們直接對(duì)雙耳的聲壓級(jí)取平均值來(lái)作為測(cè)量結(jié)果。最后，用每個(gè)聲源距離下的測(cè)量結(jié)果減去參考距離1 m處的結(jié)果，把兩者的差值叫做實(shí)測(cè)值，用于與響度匹配結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖5為8個(gè)試聽(tīng)者的實(shí)測(cè)值結(jié)果。由圖5可以看出，耳道口的聲壓級(jí)總體上是隨著聲源距離的減小而增大的。其次，由于每個(gè)人的頭部輪廓不同，實(shí)測(cè)值的個(gè)人差異較大，這也給出了圖 2～4中響度匹配結(jié)果出現(xiàn)個(gè)人差異的原因。

接著，對(duì)8個(gè)試聽(tīng)者的耳道口聲壓級(jí)實(shí)測(cè)值、閉眼響度匹配結(jié)果和睜眼響度匹配結(jié)果分別進(jìn)行平均，結(jié)果如圖6所示。可以看出，除了2 kHz的個(gè)別幾個(gè)距離處以外，實(shí)測(cè)值與閉眼的響度匹配結(jié)果比較一致。這說(shuō)明了試聽(tīng)者在閉眼情況下，獲取不到聲源的距離信息，主要通過(guò)耳道口接收到的聲壓級(jí)來(lái)判斷響度。而圖6中的睜眼響度匹配結(jié)果明顯小于實(shí)測(cè)值和閉眼結(jié)果，最大差值超過(guò)了 3 dB(500 Hz、0.3 m處)，見(jiàn)圖2～4中。

圖5 8個(gè)試聽(tīng)者耳道口頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz聲信號(hào)相對(duì)聲壓級(jí)的實(shí)測(cè)值Fig.5 Measured values of relative sound pressure level at the blocked ear canal entrance of eight listeners for 500 Hz， 1 kHz and 2 kHz sound signals

2.3 閉眼/睜眼時(shí)響度匹配差值與頻率的關(guān)系

已知視覺(jué)距離感知會(huì)對(duì)響度匹配結(jié)果產(chǎn)生影響，睜眼時(shí)響度匹配結(jié)果要小于閉眼時(shí)。圖7為閉眼響度匹配結(jié)果減去睜眼結(jié)果的差值，可以更直觀地反映視覺(jué)距離感知對(duì)響度產(chǎn)生的影響。首先，差值是隨著距離的減小而增大的，這說(shuō)明距離越近，視覺(jué)信息的影響越大。其次，頻率越低，差值越大：頻率為 500 Hz時(shí)最大，頻率為 1 kHz時(shí)次之，頻率為2 kHz時(shí)最小。這說(shuō)明頻率越低，視覺(jué)距離信息對(duì)響度的影響越大。

圖6 8個(gè)試聽(tīng)者耳道口頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz聲信號(hào)相對(duì)聲壓級(jí)的實(shí)測(cè)值的平均值及在閉眼和睜眼情況下的響度匹配測(cè)試結(jié)果的平均值Fig.6 Average measured values of relative sound pressure level at the blocked ear canal entrance and the loudness matching results of the eight listeners in eyes closing and opening for 500 Hz， 1 kHz and 2 kHz sound signals

圖7 閉眼和睜眼情況下響度匹配結(jié)果平均值的差值Fig.7 Difference between the averaged values of loudness matching results in eyes closing and opening

3 討 論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，睜眼時(shí)響度匹配的結(jié)果小于閉眼時(shí)的結(jié)果。這說(shuō)明視覺(jué)的距離信息對(duì)響度的評(píng)價(jià)產(chǎn)生了影響，造成這種影響的原因?yàn)椋?1)距離感知可能直接影響了響度感知，在大腦中這兩個(gè)系統(tǒng)直接存在相互影響；(2) 當(dāng)距離減小時(shí)，聲源看起來(lái)變大了，這種視覺(jué)刺激會(huì)影響響度[4]；(3) 看到聲源靠近時(shí)，試聽(tīng)者會(huì)預(yù)感到響度要變大，心理上產(chǎn)生某種保護(hù)機(jī)制，降低了聽(tīng)到的響度；(4) 當(dāng)距離聲源較近時(shí)，人可能會(huì)產(chǎn)生緊張感、不適感和危險(xiǎn)感，這些心理變化可能也會(huì)影響響度。除以上幾點(diǎn)外，視覺(jué)距離感知對(duì)響度產(chǎn)生影響可能還有其他的原因，也可能是多種因素共同作用的結(jié)果。

4 總 結(jié)

本文通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了視覺(jué)距離感知對(duì)響度的影響。結(jié)果表明，近場(chǎng)條件下，當(dāng)聲源靠近時(shí)，人耳感受到的響度會(huì)變大。閉眼時(shí)，試聽(tīng)者無(wú)法判斷聲源距離，只能根據(jù)耳朵接收到的聲壓級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)響度。隨著聲源距離的減小，睜眼時(shí)的響度增加得要比閉眼時(shí)的少一些。這證明了視覺(jué)距離感知會(huì)對(duì)響度評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響，而這種影響最大可以超過(guò)3 dB。此外，聲信號(hào)的頻率越低，這種視覺(jué)信息帶來(lái)的影響越大。