老年人在不同声环境下的声源定位能力初探
赵磊，彭健新*
（华南理工大学物理与光电学院，广州 510640）
摘 要： 在广州市内某养老院选取三间具有不同混响时间的房间，在不同种信噪比、不同种噪声方位角条件下由10位老年人进行声源方位判断，获取其在不同声学条件下的声源定位准确率。结果表明：老年人对0°噪声源的定位准确率最高，90°噪声源次之，45°噪声源的定位准确率最差；老年人的声源定位能力随混响时间增加和听力水平下降而减弱。
关键词： 混响时间；声源定位；信噪比；噪声方位角
1 引言
老年人对言语的感知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大而逐渐降低，通常表现为对中高频声音听力下降及在噪声环境下交流沟通困难，大脑对接收声音的处理变慢并很难对声音定位[4]，从而影响其寻找目标、发现和避免周围潜在危险的能力。
一般来说，言语信号和噪声信号并存，在多噪声源条件下准确定位目标语言，有助于提高对目标语言的识别率。对声源定位能力的评判，通常是在待测环境下布置多个扬声器，选择其中一个随机播放让听音人判别声源方向。本文在不同混响时间、不同种信噪比和不同噪声方位角的条件下探讨老年人的声源定位能力，以期改善老年人在室内的言语交流效果。
2 实验方法
测试在广州某养老院内老年人经常活动的单人房、阅览室和餐厅等3间房内进行。这3间房的平面形状均为矩形，体积分别为41.6m3、101.8m3和437.8m3。房间的墙壁和天花板都为水泥墙面，单人房中铺设木质地板砖，阅览室和餐厅中铺设普通的地板瓷砖，三间房间中的桌椅均采用木质材料，房中均未铺设吸声材料。采用B&K2250便携式手持声分析仪测量3个房间的背景噪声，其噪声级分别为33.7dB（A）、41.1dB（A）、44dB（A）。
利用0.73 mm筛将田间土壤、蛭石和沙子过筛，按土壤∶蛭石∶沙子＝2∶1∶1 混配土，再分别称取 400 g混配土和200 mg列当种子（约6万粒），混合均匀制成接种土备用。
测试时，在被测房间内以听音人所在位置为圆心、1.8m长为半径的半圆弧布置扬声器（JBL—LSR6325P），如图1所示。其中一个扬声器固定于听音人的正前方（方位角为0°），另两个扬声器固定在听音人的右前方（方位角为45°）及正右方（方位角为90°）。听音人坐于椅子上，调节扬声器的高度使其底端和人耳高度基本齐平。语言信号和噪声信号经ROLAND EDIROL 25声卡、功放放大后反馈给正前方的扬声器重放，然后再随机选取一个扬声器播放汉语语言平均频谱噪声，让听音人判断噪声源的方向。实验在关闭门窗、电扇和空调的安静环境下进行，避免听音人受到其他噪声干扰。
文化的迅速变异是20世纪50年代以来极为突出的现象，尤其是文革十年对汉民族传统文化的全面否定，使得很多汉族的年轻人对自己民族的传统文化比较陌生，这也导致了某些谜语的陌生化。这类谜语主要有两类。第一，字谜。字谜对于汉字的学习是有帮助的，但由于汉字简化，黄冈县及其周边流行的一些以繁体字为谜底的谜语，就令年轻人几乎无法猜出：
图1 扬声器布置图
3 结果与讨论
农夫是荫城人，所住村庄，离荫城有三十里。听说胡人要来了，庄子上能跑的都跑了。夜里，他们躲在树林里。下半夜，听到胡人骑兵的奔腾声，甚至可听到他们叽哩咕噜在说话。村民都吓坏了。村民逃难，把老人小孩带出来不说，还有的把鸡也带出来。有只公鸡就在这节骨眼上叫起来，咕咕咯——咕咕咯——，等鸡的主人慌忙去扭公鸡的脖子，胡人已被惊动。村民一哄而散，他没跟着跑，躲到树上，捡了一条命。
在养老院选取10位年龄均在60岁以上且能熟练听说普通话的老年人参加测试，5位男性老年人和5位女性老年人。使用GZ Risound AD-102听力计在背景噪声低于30dB（A）的房间中按照升降法进行250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz、6kHz、8kHz气导纯音听力测试，每个频率下取两耳中听力情况较好的值作为纯音听力阈值，取500Hz、1kHz、2kHz、4kHz这4个频带下的平均结果作为纯音听阈的平均值PTA。国际卫生组织（WHO）1997年颁布听力损失划分的标准：根据500Hz、1kHz、2kHz和4kHz的平均听力将听力损失程度分成5个等级：小于25dB HL为正常，26～40dB HL为轻度，41～60dB HL为中度，60～80dB HL为中重度，大于80dB HL为重度。根据此标准，10位老人中有4位听力正常，6位患有轻度听力损失，听力损失组的平均年龄为65.8岁，听力正常组的平均年龄为78.7岁。
图2 三个房间中老年人对噪声源的定位准确率
不同条件下老年人定位准确率统计表
3.1 噪声方位角对声源定位的影响
由上表可知，无论在单人房、阅览室还是在餐厅中，老年人对0°噪声源的定位准确率远大于对45°和90°，且对90°噪声源的定位准确率大于对45°的。三间房中，老年人对0°噪声源的平均定位准确率比45°噪声源高35.8%，比90°噪声源高25%。当声源位于听音人的中垂面时，人的头部特别是外耳廓对声波产生的频率特性的变化对定位有着重要的作用，当声音信号具有一定频带宽度时，外耳传输函数将对声音信号产生影响，使声音信号频谱发生变化，人耳依据此进行定位，并能获得较高的定位准确率[5]。文中待定位的声源信号为汉语平均频谱噪声，具有一定的频带宽度，由于外耳传输函数的作用，老年人在三间房中对0°噪声源的定位准确率较高，平均结果达78.3%。当声源位于非中垂面时，声源产生的声波经头部等的衍射后到达双耳，从而产生时间差（ITD）和强度差（ILD），这就是所谓的“双耳效应”，听觉系统利用这些信息和过去的经验相比较，从而判断声源的方位[6]，由于听音人容易混淆45°和90°的噪声源，所以导致定位准确率偏低，三间房中对45°和90°噪声源的平均定位准确率仅为42.5%和53.3%。
图2表示三个房间中的10位老年人对不同方位角噪声源的定位准确率，由图2可看出，老年人对方位角为0°噪声源定位准确率最高，90°噪声源次之，45°的定位情况最差；在单人房和阅览室中的定位结果较为接近，且都优于在餐厅中的定位结果。右表为不同条件下老年人定位准确率的统计结果，可以得知，老年人在单人房、阅览室、餐厅中对声源的平均定位准确率分别为64.2%、62.5%、50.8%，对0°、45°、90°噪声源的平均定位准确率分别为78.3%、42.5%和53.3%。同一方位角条件下不同信噪比时的声源定位结果差异不大。
3.2 混响时间对声源定位的影响
三个房间中，老年人的声源定位结果在混响时间较短的单人间和阅览室中较好，在混响时间较长的餐厅中较差。由此可得知，混响时间在一定程度上会影响老年人的声源定位。由于混响时间较长，室内的反射声对老人声源的定位起到一定的干扰作用，在餐厅中老年人的声源定位准确率仅为50.8%，比在单人房和阅览室中的结果分别低13.4%、11.7%。Giguère[7]等人在低混响（0.15～0.2s）和高混响条件下（0.6～1.0s）通过对500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz声源定位的研究表明，在高混响条件下的声源定位得分低于在低混响条件下的，这和本文的结果一致。一般来说，混响时间过长会影响老年人的语言清晰度和声源定位能力，例如，混响除了使目标语音的包络重叠外，还会干扰竞争声源的时间调制，降低了听众的语言识别和定位能力。除此之外，混响会模糊听音人的双耳线索而严重影响声源的定位。
3.3 听力损失对声源定位的影响
图3为10位老年人的纯音听阈与噪声方位判断准确率的关系。其中，老年人纯音听阈的均值为30.0dB HL，标准差为7.0dB HL。声方位判断准确率的均值59.4%，标准差为6.3%；最大值为69.4%，其对应的纯音听阈为19.5dB HL；最小值为50%，对应的纯音听阈为39.3dB HL和36.5dB HL。对老年人的纯音听阈值和噪声方位判断准确率进行相关分析，得Pearson相关系数为-0.76，这说明噪声方位判断的正确率与纯音听阈间存在负相关关系，听力损失在很大程度上影响声源的定位，导致老年人的声源定位能力远不如年轻人，因为听力损失者和听力正常者主要都是依据相同的听觉线索来定位，已有研究[7、8]证实了这一结果。再者，声音在空气的传递过程中会有能量和速度的变化，如果听力损失且阈值不对称，无论来自哪个方向的声音，大多数都会被听力阈值较好一侧的耳朵听到，因而就无法判定声源的方向。
图3 老年人纯音听阈与噪声方位判断准确率的关系
4 结论
在不同混响时间和不同信噪比下，通过获取老年人对不同方位角噪声的定位准确率，探讨不同声学条件对老年人声源定位的影响。结果表明：老年人对0°噪声源的定位准确率最高，90°噪声源次之，45°噪声源的定位准确率最差。老年人的声源定位准确率随混响时间的增加和听力水平的下降而下降。
参考文献：
[1]Fujihira H,Shiraishi K,Remijn G B. Elderly listeners with low intelligibility scores under reverberation show degraded subcortical representation of reverberant speech[J].Neuroscience letters,2017,637: 102-107.
[2]Xia J,Xu B,Pentony S,et al. Effects of reverberation and noise on speech intelligibility in normal-hearing and aided hearing-impaired listeners[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2018,143(3): 1523-1533.
[3]Vermeire K,Knoop A,Boel C,et al. Speech recognition in noise by younger and older adults: effects of age,hearing loss,and temporal resolution[J].Annals of Otology,Rhinology & Laryngology,2016,125(4): 297-302.
[4]Bent S,McShea L,Brennan S. The importance of hearing: a review of the literature on hearing loss for older people with learning disabilities[J].British Journal of Learning Disabilities,2015,43(4): 277-284.
[5]Litovsky R Y,Parkinson A,Arcaroli J. Spatial hearing and speech intelligibility in bilateral cochlear implant users[J].Ear and hearing,2009,30(4): 419.
[6]张春洁.空间听觉定位性能主观评价方法研究[D].天津大学，2014.
[7]Giguère C,Abel S M. Sound localization: Effects of reverberation time,speaker array,stimulus frequency,and stimulus rise/decay[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1993,94(2): 769-776.
[8]Brungart D S,Cohen J I,Zion D,et al.The localization of non-individualized virtual sounds by hearing impaired listeners[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2017,141(4): 2870-2881.
A Preliminary Study on Sound Source Location Ability of Elderly People under Different Acoustical Environment
ZHAO Lei,PENG Jian-xin＊
(School of Physics and Optoelectronics,South China University of Science and Engineering,Guangzhou 510640,China)
Abstract: A nursing home selects three rooms with different reverberation time in Guangzhou.The 10 elderly people obtain the accuracy rate of source location under the different signal-to-noise ratio and different azimuth angles of noise.The results show that the location accuracy rate of 0° noise source is the highest among the elderly,followed by 90° noise source and the location accuracy rate of 45° noise source shows the worst.The location ability of sound source of the elderly people decreases along with the increase of reverberation time and the decrease of hearing level.
Keywords: reverberation time;sound source location;signal-to-noise ratio;noise azimuth
中图分类号： TB53
文献标志码： A
文章编号： 1006-5377（2019）10-0153-03
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（11674104）。
*注：本文通讯作者为彭健新。
标签：混响时间论文; 声源定位论文; 信噪比论文; 噪声方位角论文; 华南理工大学物理与光电学院论文;