聽覺定位對模擬飛行任務中空間態勢感知能力的影響*

程 珊,楊菁華,2,張太輝,叢 林,熊凱文,胡文東△

(1.空軍軍醫大學航空航天醫學系航空航天醫學裝備教研室,西安 710032；2.空軍工程大學基礎部,西安 710051)

人類的空間定向能力與生活息息相關,尤其對于特殊職業如機動車駕駛、飛機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聲源在三維空間內的位置,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、軀干等形成了一個復雜的方向依賴的濾波器,引起聲音信號的濾波效應[4-5],其功能在數學上可用解剖傳遞函數(anatomical transfer function,ATF)表示。這種特殊的濾波效應能夠將復雜的聲源信號轉換為人耳可以處理的定位線索,即兩耳間的時間差、兩耳間的聲級差及濾波后單耳的譜信息[2]。

據報道,盲人可以通過聲音差異等線索加強自我空間感知能力,并進行道路搜索[6]。對于飛機駕駛員而言,飛機在空中高性能機動過程中加速度的改變并不影響聲音定位的準確性,聽覺系統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]。空間聽覺信息也可輔助辨別飛行操作中的口頭信息,降低飛行工作負荷,改善飛行員的操作表現[8]。而基于頭部相關的傳遞函數,研究者通過模擬遠端聲音的感覺運動事件,引導頭部定向于地球磁場北極。而且這種事件模擬反饋方法有巨大潛力，可以創造出感覺增強裝置,獲得快速、真實的感知體驗[9]。

由此可見,人類的聽覺系統可以根據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行任務時的定向感知能力并不清楚。因此,本研究重點探索聲音線索是否能夠改善三維空間內感知表現，報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究招募16名空軍某院校本科學員,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。被試者納入標準為：近1個月內無耳鳴、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倫理學標準,所有研究對象自愿簽訂知情同意書。

1.2 空間聽覺任務

本研究采用的空間聽覺任務系統是由空軍軍醫大學航空航天醫學系自主設計。該系統主要由空間定向任務(spatial orientation task,SOT)場景、外部控制設備與數據處理系統三部分構成。SOT場景包括訓練和測試兩種模式,訓練模式時間為2 min,不記錄成績。而測試模式又進一步分為4種感知模塊(每個模塊2 min),聲源模擬采用純音的滴滴聲(1 000 Hz,500 ms),其呈現方向則根據飛行器的實時狀態改變,始終引導操作者向正確的方向調整(飛行器航向正確且處于平飛狀態)。飛行器狀態、人的感知與聲源方向關系分別為：繞X軸轉動-俯仰感知-冠狀面(聲音線索)、繞Y軸轉動-翻滾感知-矢狀面(聲音線索)、繞Z軸轉動-偏航感知-水平面(聲音線索)與三個軸-綜合感知-三個平面內(聲音線索)。飛行姿態調整主要依靠外置的腳舵和遙桿進行(Saitek X52 PRO,中國香港,美加獅亞洲有限公司),而立體聲模擬主要依靠系統控制聲源方向隨著飛行姿態改變,而輸出依靠7.1聲道的耳機呈現(Strix7.1,臺北,ASUSTek Computer Inc.)。該系統記錄的指標有反應時間及定位誤差。反應時間指每種測試模式下,單次任務呈現至調整完成確定時終止的反應時間(reaction time,RT)。定位誤差指單次的正確位置與調整完成后的實際位置在X軸、Y軸與Z軸上的誤差角度(error angle,EA)。由此,可計算被試者進行空間定向任務的平均反應時間RTmean和標準差RTsd及X軸、Y軸與Z軸上的平均誤差角度(Xmean,Ymean,Zmean)與標準偏差(Xsd,Ysd,Zsd)。

1.3 任務負荷的測量

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

在本試驗中,采用SSS評估被試者的嗜睡程度,該量表將被試者的睡眠質量從完全清醒狀態至入睡狀態分為7個等級,主要評估被試者在測量時段內的主觀警覺水平。完全清醒記1分,處于昏昏欲睡狀態記7分。

1.3.2NASA-TLX量表

NASA-TLX量表是美國航天局開發的多維任務負荷評價表,由心理需求(mental demand)、體力需求(physical demand)、時間需求(time demand)、作業績效(performance)、努力程度(effort level)和挫折程度(frustration level)6個維度負荷因素組成[10]。被試者在每一個負荷因素(分值范圍為1～21分)上進行自我評分,分值越大代表該維度負荷程度越大。同時,被試者還需要對各個負荷因素的重要程度進行排序,賦予不同權重,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權重乘積的總和,總分越大表示負荷水平越高。研究已證實,該量表在負荷評估中具有良好的信度和效度。

1.4 實施流程

本研究采取交叉對照的試驗范式。按試驗次序隨機分為A組與B組。正式開始前,所有被試者進行統一的訓練模式下的空間聽覺任務(2 min)。然后,A組、B組被試者分別進行2次正式測試,第1次A組在有聲音線索提示(+sound cues)的條件下完成相應的SOT任務,而B組完成無聲音線索(-sound cues)下的SOT任務。第2次兩組試驗條件交叉,A組、B組分別在無聲音線索與有聲音線索條件完成SOT任務。兩次測試間隔1 h,每次任務結束后,被試者的任務負荷程度立即通過NASA-TLX量表進行評估，見圖1。

圖1 試驗流程

1.5 統計學處理

2 結 果

2.1 聲音線索對空間感知能力的影響

與無聲音組相比,聲音線索組被試者在水平面內進行偏航感知任務時,反應時間明顯縮短(t=2.245,P=0.032),反應時間的差異也明顯縮小(t=2.299,P=0.029)，見表1和圖2。翻滾感知任務時,聲音線索組的被試者反應時間(t=2.076,P=0.047)和反應時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,矢狀面內俯仰感知和綜合三維感知任務的成績則沒有明顯改變，見表3和表4。

表1 聲音線索組與無聲音組偏航感知任務成績比較

*:P<0.05,與無聲音組比較。

表2 聲音線索組與無聲音組翻滾感知任務成績比較

*:P<0.05,與無聲音組比較。

表3 聲音線索組與無聲音組俯仰感知任務成績比較

表4 聲音線索組與無聲音組綜合三維感知任務成績比較

2.2 聲音線索對空間感知負荷的影響

在正常狀態下,兩組被試的進行空間定向任務操作前的嗜睡程度是一致的(t=0.257,P=0.799)。在任務結束后,聲音線索組被試者的心理需求、體力需求、努力程度、挫折程度要比無聲音組高,而在時間需求、自我績效方面得分較低,但差異均無統計學意義，見表5。

表5 聲音線索組與無聲音組任務負荷水平比較

3 討 論

聲音線索能夠顯著提高水平面內偏航感知和冠狀面內翻滾感知空間定位任務的工作效率。據報道,聽覺系統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間差(interaural time difference,ITD)與耳間聲級差(interaural level difference,ILD)。有研究指出,采用攜帶不同變異的耳間時間差及耳間一致性信息的寬帶噪聲進行定位實驗,驗證了聽覺系統以一定權重整合頻率間的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,可以進行聲音定位、改善在噪聲和回聲等環境中的語音理解、整合多個聲源信息[12]。另一方面,聽覺定位還要靠頭相關傳遞函數(head-related transfer functions,HRTFs)形成的單耳譜信息[13]。當被試者在進行偏航感知任務和翻滾感知任務時,聲音線索主要在水平面內和冠狀面內移動,可以引起耳間時間差和聲級差的改變,同時形成的譜信息也會在雙耳間出現顯著差異。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。

而聲音線索對矢狀面內的俯仰感知定位的效果并不好。有文獻指出,試聽者剖結構如頭部、耳廓、軀干等形成了一個復雜的方向依賴的濾波器,可以引起聲音信號的濾波效應,被試者進行俯仰感知任務過程中,聲音線索則是在矢狀面內進行移動,耳間時間差及聲級差基本不受影響,因此聽覺定位在此種任務模式下主要受到聲音信號經過濾波效應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前后定位困難。另外,由于耳廓等結構是濾波效應的重要組成部分,能夠有效地為聲音信號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揮一定的作用[14]。而解剖結構的異常就會改變了HRTFs形成的譜線索,影響聲音定位的準確性。如果對耳廓進行處理,那么中平面內的方向聽覺就會受到干擾[15-16]。當頭戴耳機及頭盔的情況下,HRTFs同樣會受到影響。輸入信號會失去耳廓濾波作用的有效處理,顯著降低聲音定位的準確率,角度誤差及前后顛倒也明顯增多[17-18]。無論何種類型的頭盔都會引起方位角、仰角定位估計的失誤增大[19]。

此外,本研究還發現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負荷程度。此結果對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注意力去辨別。有研究指出,一般實驗室研究多采用模擬的聲刺激,如滴答聲、純音等,而復雜聲音的空間定位不僅受聲音屬性的影響,也受聲音類別、行為關聯的影響[20]。當聲音線索與行為關聯的水平高時,聽覺對復雜聲音的定位敏感性高,則會花費更多的精力去解讀。由此可見,本實驗采用的純音信號既有好處,但也從另一方面解釋了矢狀面內聽覺定位效果欠佳的問題。

由于以往可供參考的相關研究較少,故不可避免地遇到一些難題,影響了研究的實施。首先,本研究的方案在試驗過程經過了修訂,為了保證試驗流程的同質性,導致最終有效的樣本量并不多。雖然本試驗提供一些有價值的結果,但仍需增加樣本量進一步提高結果的可信度。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題,采用外置立體的聲源呈現方式在實際飛行過程中并不可行。因此,通過耳機呈現虛擬立體聲的方式有助于后期的應用,但在矢狀面內感知效果并不理想。也有報道指出,當聲音線索與行為關聯的水平高時,聽覺對復雜聲音的定位敏感性高[20]。因此,后續研究擬采用具有語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,本研究證實了聲音線索對提高水平面內偏航感知和冠狀面內翻滾感知有一定的效果,可顯著提高工作效率。同時,聲音線索又不會進一步提升空間感知任務的負荷。本研究可以為機動車駕駛員、甚至飛行員提供一種提升空間感知能力的方法和思路,為預防空間定向障礙發揮一定的作用。