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)對響度帶來影響。

已有研究證明，視覺刺激會(huì)對聽覺系統(tǒng)產(chǎn)生影響。Fastl[1]發(fā)現(xiàn)，對于同樣的聲信號(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%。并且模擬的場景越逼真，視覺信息帶來的響度下降就越大。Aizawa等[2]專門研究了不同顏色的視覺刺激對響度的影響，并在此基礎(chǔ)上建立了考慮視覺刺激的新的響度模型。Kitagawa等[3]研究了視覺對聽覺的滯后影響，發(fā)現(xiàn)試聽者在觀看一個(gè)方塊遠(yuǎn)近移動(dòng)一段時(shí)間后，聽穩(wěn)態(tài)的聲音也會(huì)覺得響度在變化。Syouya等[4]使用大小或亮度變化的圖片作為視覺刺激，響度或音調(diào)變化的純音信號(hào)作為聽覺刺激。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，視覺刺激中大小和亮度的變化會(huì)影響聽覺上對響度和音高的感知。Epstein等[5]研究了不同回放條件以及有無視覺信息時(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，視覺信息也會(huì)影響雙耳的響度疊加。

本文通過進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，在響度匹配值和實(shí)測耳道口聲壓級(jí)的基礎(chǔ)上，分析研究了近場條件下視覺距離感知對于響度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主 體

試聽者共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，以模擬自由場條件。

近場條件下，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，我們還對聲源的指向性進(jìn)行了測試。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，通過前后滑動(dòng)來改變聲源距離。

實(shí)驗(yàn)場景如圖1所示。試聽者坐在椅子上，面對聲源和支架。椅子上有一個(gè)頭靠來固定頭部，使頭部無法自由移動(dòng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)場景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(均由白噪聲通過巴特沃茲(Butterworth)濾波器濾波得到)。每個(gè)信號(hào)時(shí)長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)過程中保持不變。聲源位于測試距離時(shí)播放的信號(hào)叫做測試信號(hào)，測試信號(hào)的強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)過程中是不斷調(diào)整的。

1.4 過 程

聽覺系統(tǒng)不但能感知響度，還可以根據(jù)接收到的聲信號(hào)對聲源進(jìn)行距離定位。聽覺系統(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(例如視覺信息)也可以輔助聽覺距離定位。在本實(shí)驗(yàn)中，為了研究視覺距離信息對響度的影響，就要讓試聽者無法通過聽覺信息來判斷距離。

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

試聽者閉上雙眼并戴上眼罩后，無法判斷聲源距離。這是因?yàn)椋?1) 實(shí)驗(yàn)過程中聲源功率是會(huì)變化的，且試聽者對聲源不熟悉，無法通過聲信號(hào)強(qiáng)度來判斷距離；(2) 在消聲室中沒有反射聲，無法通過直達(dá)/混響聲能比來判斷距離；(3) 使用的信號(hào)均為窄帶噪聲，無法通過頻譜變化來判斷距離；(4)由于人頭的對稱性，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，無法通過雙耳信息來判斷距離；(5) 頭部固定不動(dòng)，無法通過動(dòng)態(tài)因素來判斷距離。

然后測試人員向試聽者簡述實(shí)驗(yàn)的流程，試聽者用15 min熟悉實(shí)驗(yàn)流程。

響度匹配開始，測試人員先播放1 m處的參考信號(hào)，時(shí)長2 s，間隔1 s后，將聲源移動(dòng)至某個(gè)測試距離處播放測試信號(hào)，時(shí)長 2 s。測試信號(hào)的初始強(qiáng)度是在一個(gè)范圍內(nèi)隨機(jī)選取的。試聽者需要比較感知到的兩個(gè)信號(hào)的響度。如果試聽者認(rèn)為測試信號(hào)更響，則下次測試將調(diào)小測試信號(hào)；如果試聽者認(rèn)為參考信號(hào)更響，則下次將調(diào)大測試信號(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。

最初測試信號(hào)的響度明顯大于或小于參考信號(hào)，調(diào)節(jié)測試信號(hào)的強(qiáng)度直至試聽者認(rèn)為測試信號(hào)與參考信號(hào)響度相等(簡稱等響)。重復(fù)此過程至少3次，讓試聽者確認(rèn)兩個(gè)信號(hào)等響。最后，等響時(shí)測試信號(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)上述過程，分別對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)試聽者完成每個(gè)頻率1個(gè)測試距離的響度匹配約耗時(shí)8 min。試聽者每天完成1個(gè)頻率的7個(gè)測試距離的實(shí)驗(yàn)，約耗時(shí)8×7=56 min，中間有一次短暫休息。每個(gè)試聽者3天可完成全部實(shí)驗(yàn)。

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 閉眼、睜眼對比

圖2～4分別是8名試聽者在睜眼和閉眼條件下對頻率為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)試聽者睜眼和閉眼條件下500 Hz聲信號(hào)響度匹配測試結(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，除了試聽者G的對頻率1 kHz的聲信號(hào)的響度匹配的測試結(jié)果以外，從圖中其他試聽者的測試結(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。這說明了視覺距離感知對響度的評(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)。而頻率則沒有顯著影響(F(2,14)=2.342,p=0.098)。

圖3 8個(gè)試聽者睜眼和閉眼條件下1 kHz聲信號(hào)響度匹配測試結(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)試聽者睜眼和閉眼條件下2 kHz聲信號(hào)響度匹配測試結(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)測值比較

本文還研究了響度匹配結(jié)果與試聽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關(guān)[8]，因此一般測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，測量試聽者封閉耳道口的聲壓級(jí)。由于人頭部的對稱性，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，因此我們直接對雙耳的聲壓級(jí)取平均值來作為測量結(jié)果。最后，用每個(gè)聲源距離下的測量結(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)測值，用于與響度匹配結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5為8個(gè)試聽者的實(shí)測值結(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8個(gè)試聽者的耳道口聲壓級(jí)實(shí)測值、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?？梢钥闯?，除了2 kHz的個(gè)別幾個(gè)距離處以外，實(shí)測值與閉眼的響度匹配結(jié)果比較一致。這說明了試聽者在閉眼情況下，獲取不到聲源的距離信息，主要通過耳道口接收到的聲壓級(jí)來判斷響度。而圖6中的睜眼響度匹配結(jié)果明顯小于實(shí)測值和閉眼結(jié)果，最大差值超過了 3 dB(500 Hz、0.3 m處)，見圖2～4中。

圖5 8個(gè)試聽者耳道口頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz聲信號(hào)相對聲壓級(jí)的實(shí)測值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

已知視覺距離感知會(huì)對響度匹配結(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距離感知對響度產(chǎn)生的影響。首先，差值是隨著距離的減小而增大的，這說明距離越近，視覺信息的影響越大。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。這說明頻率越低，視覺距離信息對響度的影響越大。

圖6 8個(gè)試聽者耳道口頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz聲信號(hào)相對聲壓級(jí)的實(shí)測值的平均值及在閉眼和睜眼情況下的響度匹配測試結(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。這說明視覺的距離信息對響度的評(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)，聲源看起來變大了，這種視覺刺激會(huì)影響響度[4]；(3) 看到聲源靠近時(shí)，試聽者會(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，視覺距離感知對響度產(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)

本文通過對比實(shí)驗(yàn)，研究了視覺距離感知對響度的影響。結(jié)果表明，近場條件下，當(dāng)聲源靠近時(shí)，人耳感受到的響度會(huì)變大。閉眼時(shí)，試聽者無法判斷聲源距離，只能根據(jù)耳朵接收到的聲壓級(jí)來評(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。這證明了視覺距離感知會(huì)對響度評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響，而這種影響最大可以超過3 dB。此外，聲信號(hào)的頻率越低，這種視覺信息帶來的影響越大。