曹娜鑫，章斯宇

（中國(guó)傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所，北京 100024）

0 引言

生活中語(yǔ)言交流常受到噪聲的干擾。嘈雜語(yǔ)噪聲是一種在餐廳、辦公區(qū)及車(chē)站等公共場(chǎng)所常見(jiàn)的典型噪聲，通常由很多人講話(huà)的聲音構(gòu)成，在時(shí)頻域上既具有噪聲的特點(diǎn)又具有語(yǔ)音的特點(diǎn)。研究中使用的嘈雜語(yǔ)噪聲主要由不同說(shuō)話(huà)人錄制的語(yǔ)音信號(hào)混合而成，但是各研究使用的語(yǔ)音信號(hào)有所不同，既有英語(yǔ)、阿拉伯語(yǔ)及漢語(yǔ)等語(yǔ)言種類(lèi)上的區(qū)別，又有字、詞、句等語(yǔ)言結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。漢語(yǔ)因其獨(dú)特的語(yǔ)言學(xué)特性，作為掩蔽語(yǔ)言和識(shí)別語(yǔ)言時(shí)，其掩蔽特性又存在獨(dú)特的掩蔽規(guī)律。

目前，關(guān)于嘈雜語(yǔ)噪聲對(duì)語(yǔ)言清晰度影響的研究已有一些成果。彭健新［1］和Wang 等人［2］在研究中發(fā)現(xiàn)，8 人嘈雜語(yǔ)噪聲環(huán)境對(duì)漢語(yǔ)語(yǔ)言清晰度的掩蔽作用更強(qiáng)；Simpson 和Cooke［3］以元音-輔音-元音為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)8 個(gè)人說(shuō)話(huà)的嘈雜語(yǔ)噪聲對(duì)應(yīng)的漢語(yǔ)清晰度得分最低，隨著嘈雜語(yǔ)中說(shuō)話(huà)人數(shù)增加到512 人，言語(yǔ)識(shí)別效果明顯提高；魏衛(wèi)剛等人［4］研究了粉紅噪聲和交談聲對(duì)語(yǔ)言清晰度的影響，發(fā)現(xiàn)不同混響半徑下兩者結(jié)果無(wú)顯著性差異；徐燦［5］在研究中發(fā)現(xiàn)被試語(yǔ)言背景對(duì)被試感知漢語(yǔ)元音-聲調(diào)的表現(xiàn)有顯著影響，且噪聲環(huán)境下對(duì)聲調(diào)感知的影響大于對(duì)元音感知的影響。

關(guān)于嘈雜語(yǔ)噪聲下的語(yǔ)言清晰度感知研究還存在一定的局限性。大多研究分析的是嘈雜語(yǔ)噪聲的說(shuō)話(huà)人個(gè)數(shù)、聲學(xué)特性及語(yǔ)料內(nèi)容等因素對(duì)目標(biāo)語(yǔ)音聽(tīng)感清晰度的影響，少有從頻帶調(diào)制的角度去探究嘈雜語(yǔ)噪聲下漢語(yǔ)語(yǔ)言清晰度的感知。因此，以消除嘈雜語(yǔ)噪聲掩蔽效果為研究目的，探究以何種方法可以提升嘈雜語(yǔ)噪聲條件下的語(yǔ)言清晰度。通過(guò)開(kāi)展不同條件下的清晰度聽(tīng)感實(shí)驗(yàn)，分析對(duì)比不同頻段增益調(diào)制后的漢語(yǔ)聽(tīng)感清晰度變化特點(diǎn)，探究頻帶增益調(diào)制水平與語(yǔ)言清晰度提升量之間的關(guān)系，進(jìn)一步理解嘈雜語(yǔ)噪聲下漢語(yǔ)語(yǔ)言感知特性和特定條件下指定相應(yīng)的語(yǔ)言清晰度改善方案。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 嘈雜語(yǔ)噪聲制作

嘈雜語(yǔ)噪聲由多名說(shuō)話(huà)人的語(yǔ)音混合而成。前期實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)，8 人嘈雜語(yǔ)噪聲對(duì)應(yīng)的漢語(yǔ)清晰度得分最低，與前人的結(jié)果［1-2］基本一致。因此，本文實(shí)驗(yàn)使用的嘈雜語(yǔ)噪聲由8 名發(fā)音人錄制的語(yǔ)法正確的有語(yǔ)意的漢語(yǔ)句子隨機(jī)混合而成。漢語(yǔ)語(yǔ)句在錄音間分別由4 名男生和4 名女生以正常語(yǔ)速朗讀錄制而成，無(wú)重復(fù)語(yǔ)句，共500 句。隨后調(diào)整每個(gè)語(yǔ)句的幅度保持一致，并按照一定說(shuō)話(huà)人數(shù)目進(jìn)行混縮?；炜s而成的嘈雜語(yǔ)噪聲中包含的男聲女聲比例相同。

1.2 測(cè)聽(tīng)語(yǔ)料

目標(biāo)聲源材料采用漢語(yǔ)清晰度測(cè)試音節(jié)表——KXY 表［6］。KXY 表包含了漢語(yǔ)普通話(huà)所有可能的音節(jié)結(jié)構(gòu)，其中聲母、韻母及聲調(diào)的出現(xiàn)概率符合漢語(yǔ)日常交流的實(shí)際情況。每張表有75 個(gè)音節(jié)，采用隨機(jī)組合方式分成25 組，每組含3 個(gè)音節(jié)，連讀不具有語(yǔ)意。測(cè)聽(tīng)語(yǔ)料由1 男1 女兩名專(zhuān)業(yè)播音員在錄音間以標(biāo)準(zhǔn)普通話(huà)、標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)速（每秒4 個(gè)音節(jié)）朗讀并保存。錄音間混響時(shí)間低于0.1 s，本底噪聲低于20 dBA，并通過(guò)Audition 軟件將所有語(yǔ)音信號(hào)幅度標(biāo)準(zhǔn)化。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)中頻段條件設(shè)置依據(jù)的是作者所在單位的早期研究結(jié)果。宋慧［7］等人探究了不同頻段的帶通濾波傳輸條件對(duì)漢語(yǔ)清晰度的影響，得到了中心頻率和頻帶寬度與漢語(yǔ)單音節(jié)清晰度的感知關(guān)系。由于本文實(shí)驗(yàn)是在嘈雜語(yǔ)噪聲掩蔽下進(jìn)行頻段有限的清晰度感知評(píng)價(jià)，因此中心頻率和帶寬選擇要難度適中。實(shí)驗(yàn)最終選用中心頻率分別為0.5 kHz、1 kHz、2 kHz及4 kHz的語(yǔ)音信號(hào)，在0.25～1 kHz、0.5～2 kHz、1～4 kHz 及2～8 kHz的頻段范圍內(nèi)做+4 dB、+8 dB 及+12 dB 的增益處理，共12 種信號(hào)處理方式，如表1 所示。

表1 頻段設(shè)置和增益調(diào)制條件

在前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，信噪比在-12 dB 時(shí)聽(tīng)音人的清晰度感知結(jié)果接近0，信噪比在0 dB 時(shí)聽(tīng)音人的清晰度感知結(jié)果接近0.5。因此，本次實(shí)驗(yàn)嘈雜語(yǔ)噪聲掩蔽目標(biāo)語(yǔ)音的信噪比選擇-12 dB、-8 dB、-4 dB 及0 dB 共4 種情況。實(shí)驗(yàn)共有不做處理和12 種頻段增益方式下的語(yǔ)音信號(hào)，4 種信噪比，共52（13×4）種聲學(xué)傳遞條件。每種傳遞條件均選擇2 張不同的音節(jié)表（男女聲各一張），共計(jì)104 張，其中任意2 張都不重復(fù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

語(yǔ)言清晰度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)信號(hào)通過(guò)耳機(jī)重放，重放聲壓級(jí)經(jīng)人工校準(zhǔn)控制在65 dBA。按標(biāo)準(zhǔn)［5］規(guī)定，實(shí)驗(yàn)時(shí)被試以組（每組3 個(gè)音節(jié)）為單位進(jìn)行聽(tīng)音，每組音節(jié)間隔約8 s。聽(tīng)完一組音節(jié)后，聽(tīng)音人記錄下聽(tīng)到的音節(jié)拼音。例如，聽(tīng)到“序號(hào)×發(fā)你 灰”，被試記錄“fa1 ni3 hui1”。只有當(dāng)被試記錄的拼音與實(shí)際播放的發(fā)音一致時(shí)才認(rèn)為聽(tīng)對(duì)，否則記為錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別統(tǒng)計(jì)不同傳遞條件下所有被試聽(tīng)對(duì)的音節(jié)個(gè)數(shù)占所有播放音節(jié)個(gè)數(shù)的比值，即為對(duì)應(yīng)聲學(xué)傳遞條件下的語(yǔ)音清晰度。另外，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析了聲母清晰度、韻母清晰度及聲調(diào)清晰度。參與實(shí)驗(yàn)的有效被試人數(shù)為10 人，男女比例基本平衡。所有被試具有標(biāo)準(zhǔn)普通話(huà)能力且聽(tīng)力正常，熟悉漢語(yǔ)拼音規(guī)則。此外，在正式實(shí)驗(yàn)前對(duì)被試進(jìn)行了訓(xùn)練，使其熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同信噪比下語(yǔ)言清晰度結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)得到了4 種信噪比條件下進(jìn)行12 種頻段增益調(diào)制的漢語(yǔ)單音節(jié)清晰度結(jié)果。單因素方差分析結(jié)果顯示，發(fā)音人性別對(duì)漢語(yǔ)聽(tīng)感清晰度的影響不具有顯著性差異（P＜0.05），因此每種傳遞條件下取男女聲信號(hào)的平均值為最終結(jié)果。清晰度結(jié)果如圖1 所示。

從圖1 可以看出，音節(jié)清晰度感知隨信噪比增加而增大。在各信噪比條件下，經(jīng)過(guò)頻帶增益調(diào)制的清晰度都高于不做處理時(shí)的清晰度。12 種調(diào)制條件對(duì)應(yīng)的音節(jié)清晰度變化曲線(xiàn)走勢(shì)基本一致，即清晰度隨信噪比的增加逐漸提高，信噪比為0 dB 時(shí)音節(jié)清晰度最高。掩蔽信噪比較低時(shí)，音節(jié)清晰度隨信噪比變化的趨勢(shì)較緩。隨著信噪比的提高，清晰度的增長(zhǎng)速度有所增加。隨著信噪比的進(jìn)一步提高，音節(jié)清晰度值增長(zhǎng)趨勢(shì)有所變緩。方差分析表明，掩蔽信噪比對(duì)語(yǔ)言清晰度感知有顯著影響。

將12 種傳遞條件下的清晰度分?jǐn)?shù)減去不做處理時(shí)的清晰度分?jǐn)?shù)，得到每種傳遞條件下的清晰度提升量隨信噪比的變化曲線(xiàn)，如圖2 所示。可以看出，音節(jié)和聲母清晰度提升量隨信噪比變化的趨勢(shì)一致，韻母和聲調(diào)清晰度提升量隨信噪比變化的趨勢(shì)較為一致。四者都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但前兩者清晰度提升量的變化幅度較小，后兩者清晰度提升量的變化幅度較大。

信噪比為-12 dB 時(shí)，音節(jié)清晰度的提升量在1%～15%，聲母清晰度的提升量在1%～20%。隨著信噪比的增大，清晰度提升量繼續(xù)增大。信噪比為-8 dB 時(shí)，音節(jié)清晰度提升量為5%～20%，聲母清晰度的提升量為8%～30%。信噪比為-4 dB 時(shí)，每種傳遞條件下的音節(jié)清晰度提升量達(dá)到最大值為10%～25%，聲母清晰度的提升量為13%～28%。信噪比為0 dB 時(shí)，每種傳遞條件下的清晰度提升量均明顯下降，音節(jié)清晰度提升量為5%～20%，聲母清晰度的提升量為5%～20%。

在信噪比從-12 dB 到-8 dB 變化的過(guò)程中，韻母清晰度提升量從1%～35%上升到11%～51%后持續(xù)下降，并在信噪比為0 dB 時(shí)達(dá)到最低5%～15%；聲調(diào)清晰度提升量從3%～50%上升到15%～65%后大幅下降，并在信噪比為0 dB 時(shí)達(dá)到最低5%～14%。

由此可以看出，不同信噪比下的頻段增益調(diào)制對(duì)音節(jié)、聲母、韻母及聲調(diào)清晰度的提升量改變程度不同。在聽(tīng)聞條件較差的低信噪比嘈雜語(yǔ)噪聲環(huán)境下，頻段增益更有利于提升韻母和聲調(diào)清晰度；在聽(tīng)聞條件相對(duì)較好的次低信噪比嘈雜語(yǔ)噪聲環(huán)境下，頻段增益更有利于提升音節(jié)和聲調(diào)清晰度，且音節(jié)清晰度的提升效果與聲母清晰度的提升效果相關(guān)性較高。當(dāng)聽(tīng)聞環(huán)境較差（信噪比為-12 dB）或較好（信噪比為0 dB）時(shí)，語(yǔ)言清晰度提升量受外部環(huán)境噪聲掩蔽的影響更大，頻段增益調(diào)制的清晰度提升效果在難度適中的聽(tīng)聞條件（信噪比為-8 dB 和-4 dB）下更顯著。

2.2 不同頻帶下語(yǔ)言清晰度結(jié)果對(duì)比

將不同頻段增益調(diào)制后的清晰度分?jǐn)?shù)減去不做處理時(shí)的清晰度分?jǐn)?shù)，得到每種傳遞條件下的清晰度提升量隨頻帶的變化曲線(xiàn)，如圖3 所示。

可以發(fā)現(xiàn)，不同信噪比下清晰度提升量隨頻帶變化的趨勢(shì)有所不同。

如圖3（a）所示，信噪比為0 dB 時(shí)，音節(jié)和聲母清晰度提升量隨頻帶的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，韻母和聲調(diào)清晰度提升量幾乎不隨頻帶的變化而變化。在中心頻率為0.5 kHz、帶寬為0.25～1 kHz 時(shí)，音節(jié)清晰度提升量為7%～14%，聲調(diào)清晰度提升量為5%～14%；在中心頻率為1 kHz、帶寬為0.5～2 kHz 時(shí)，音節(jié)和聲母清晰度提升量為6%～17%；在中心頻率為2 kHz、帶寬為1～4 kHz 時(shí)，音節(jié)和聲母清晰度提升量為2%～23%；在中心頻率為4 kHz、帶寬為2～8 kHz 時(shí)，音節(jié)和聲母清晰度提升量下降至10%～20%。韻母和聲調(diào)清晰度提升量在4 種頻帶調(diào)制下都為10%左右。

如圖3（b）所示，信噪比為-4 dB 時(shí)，音節(jié)和聲母清晰度提升量變化趨勢(shì)同信噪比為0 dB 時(shí)相似，但3 種增益之間的相對(duì)變化量有所增加。韻母和聲調(diào)清晰度提升量隨頻帶增加呈下降趨勢(shì)。

如圖3（c）所示，信噪比為-8 dB 時(shí)，音節(jié)清晰度提升量變化趨勢(shì)同信噪比為-4 dB 時(shí)相似，聲母、韻母及聲調(diào)清晰度提升量隨頻帶變化的下降趨勢(shì)更加明顯。

如圖3（d）所示，信噪比為-12 dB 時(shí)，音節(jié)、聲母、韻母及聲調(diào)清晰度提升量隨頻帶增加呈現(xiàn)下降且收縮的趨勢(shì)，且韻母和聲調(diào)清晰度提升量隨頻帶變化的下降趨勢(shì)在4 種信噪比環(huán)境下最明顯。在中心頻率為0.5 kHz、帶寬為0.25～1 kHz 時(shí)，音節(jié)清晰度提升量為1%～13%，聲母清晰度提升量為1%～18%，韻母清晰度提升量為1%～35%，聲調(diào)清晰度提升量為2%～49%，且每增加4 dB 韻母清晰度提升約18%，聲調(diào)清晰度提升約22%。在中心頻率為4 kHz、帶寬為2～8 kHz 時(shí)，韻母和聲調(diào)清晰度提升量在8%～18%。

可以看出，不同頻帶下的頻段增益調(diào)制對(duì)音節(jié)、聲母、韻母及聲調(diào)清晰度的提升量改變程度不同。音節(jié)和聲母清晰度隨中心頻率和帶寬的增加變化趨勢(shì)較小，且兩種清晰度提升量的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)更相似。韻母和聲調(diào)清晰度提升量隨中心頻率和帶寬的變化趨勢(shì)受信噪比影響較大，但兩種清晰度提升量的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)也很接近，在環(huán)境較好（信噪比為0 dB 和-4 dB）時(shí)幾乎不隨中心頻率和帶寬的變化而變化，在環(huán)境較差（信噪比為-8 dB 和-12 dB）時(shí)隨中心頻率和帶寬的增加而減小。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，音節(jié)和聲母清晰度提升量的變化規(guī)律相似，因此對(duì)不同中心頻率和帶寬的頻帶增益調(diào)制時(shí)，若想提高音節(jié)清晰度的感知，可以從聲母清晰度出發(fā)進(jìn)行研究。聲母清晰度在不同頻帶增益后變化不明顯，可能是因?yàn)闈h語(yǔ)普通話(huà)聲母的能量在頻帶范圍分布廣，從0.2 kHz 到8 kHz 的頻率范圍內(nèi)均有能量分布。低頻段增益調(diào)制對(duì)韻母清晰度提升效果較好，可能是因?yàn)轫嵞钢饕稍魳?gòu)成，而元音的共振峰對(duì)韻母的感知具有重要作用，而漢語(yǔ)普通話(huà)單元音韻母的第一共振峰基本分布都在1 kHz 以下，所以在低頻段做增益更有利于韻母清晰度的提升。聲調(diào)清晰度在低頻段增益提升更有效，因?yàn)槁曊{(diào)的感知由音高決定，而音高受基頻頻率的影響。實(shí)驗(yàn)中男女發(fā)音人的基頻基本分布在300 Hz 左右，因而低頻段調(diào)制更有利于提高聲調(diào)清晰度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)頻段增益的處理方式探究嘈雜語(yǔ)噪聲下漢語(yǔ)語(yǔ)言清晰度感知現(xiàn)象，對(duì)嘈雜語(yǔ)噪聲下增強(qiáng)漢語(yǔ)語(yǔ)言清晰度的研究有一定的參考價(jià)值。但是，本文實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，相較于更加復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境，還有一些實(shí)驗(yàn)條件需要完善。例如，實(shí)際環(huán)境中聲源和噪聲是空間分離的，8 人嘈雜語(yǔ)噪聲的說(shuō)話(huà)人之間是空間分離狀態(tài)，信噪比取值可以更密集以使結(jié)果更精確。因此，下一步可改變這些實(shí)驗(yàn)條件做進(jìn)一步研究。