近場條件下視覺距離感知對響度的影響

陳竹書，毛東興

(同濟大學聲學研究所，上海200092)

0 引 言

響度是心理聲學中一個非常重要的參量，主要反映人耳對聲音強度的感受。響度主要由聲信號本身的聲壓大小和頻譜決定。但是，其他一些非聲學因素也會對響度帶來影響。

已有研究證明，視覺刺激會對聽覺系統產生影響。Fastl[1]發現，對于同樣的聲信號，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%，動態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，發現試聽者在觀看一個方塊遠近移動一段時間后，聽穩態的聲音也會覺得響度在變化。Syouya等[4]使用大小或亮度變化的圖片作為視覺刺激，響度或音調變化的純音信號作為聽覺刺激。結果發現，視覺刺激中大小和亮度的變化會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的雙耳/單耳響度比。他們發現，耳機回放與揚聲器回放得到的雙耳/單耳響度比不同，視覺信息也會影響雙耳的響度疊加。

本文通過進行對比實驗，在響度匹配值和實測耳道口聲壓級的基礎上，分析研究了近場條件下視覺距離感知對于響度的影響。

1 實驗方法

1.1 主 體

試聽者共8人，編號A～H，4男、4女，年齡在24～28歲之間，均為在校學生且聽力正常。

1.2 設 備

實驗在消聲室中進行，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影響人耳處的聲壓。Yu等[6]計算發現，在頻率 20 kHz以內，要使人耳處聲壓的誤差小于1 dB，當聲源距離不小于0.15 m或0.20 m時，聲源半徑分別不能超過0.03 m或0.05 m。本實驗采用自制的正十二面體聲源，半徑約為0.02 m，完全滿足實驗要求。此外，我們還對聲源的指向性進行了測試。結果表明，當受聲點距離為1 m時，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。

如果將多個聲源安裝在不同距離處進行回放，近處的聲源會遮擋遠處的聲源。因此，實驗中只用一個聲源。將聲源安裝在一個滑軌上，通過前后滑動來改變聲源距離。

實驗場景如圖1所示。試聽者坐在椅子上，面對聲源和支架。椅子上有一個頭靠來固定頭部，使頭部無法自由移動。

圖1 實驗場景Fig.1 The experimental scene

1.3 信 號

實驗中使用中心頻率為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)。每個信號時長2 s，首尾20 ms分別乘以升余弦函數的上升和下降部分，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，分別播放3種頻率的聲信號，并調節其大小使人頭中心處(人不在時)的聲壓級為 60 dB，作為3種頻率的參考信號。參考信號的強度在整個實驗過程中保持不變。聲源位于測試距離時播放的信號叫做測試信號，測試信號的強度在實驗過程中是不斷調整的。

1.4 過 程

聽覺系統不但能感知響度，還可以根據接收到的聲信號對聲源進行距離定位。聽覺系統的距離定位主要依靠以下因素[7]：(1) 聲信號強度；(2) 直達/混響聲能比；(3) 頻譜；(4) 雙耳信息；(5) 動態因素。除此之外，其他非聲學因素(例如視覺信息)也可以輔助聽覺距離定位。在本實驗中，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，測試人員將聲源調節至與試聽者雙耳平齊的高度，并調節支架位置，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。這是因為：(1) 實驗過程中聲源功率是會變化的，且試聽者對聲源不熟悉，無法通過聲信號強度來判斷距離；(2) 在消聲室中沒有反射聲，無法通過直達/混響聲能比來判斷距離；(3) 使用的信號均為窄帶噪聲，無法通過頻譜變化來判斷距離；(4)由于人頭的對稱性，當聲源在正前方時，雙耳聲級差(Interaural Level Difference, ILD)和雙耳時間差(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，無法通過動態因素來判斷距離。

然后測試人員向試聽者簡述實驗的流程，試聽者用15 min熟悉實驗流程。

響度匹配開始，測試人員先播放1 m處的參考信號，時長2 s，間隔1 s后，將聲源移動至某個測試距離處播放測試信號，時長 2 s。測試信號的初始強度是在一個范圍內隨機選取的。試聽者需要比較感知到的兩個信號的響度。如果試聽者認為測試信號更響，則下次測試將調小測試信號；如果試聽者認為參考信號更響，則下次將調大測試信號。聲壓級調節的步距初始為1 dB，兩次反轉之后步距變為0.2 dB。

最初測試信號的響度明顯大于或小于參考信號，調節測試信號的強度直至試聽者認為測試信號與參考信號響度相等(簡稱等響)。重復此過程至少3次，讓試聽者確認兩個信號等響。最后，等響時測試信號的增益值的相反數就作為響度匹配的結果。例如，如果0.5 m處匹配響度的結果為6 dB，則表示0.5 m處的信號增加-6 dB后與1 m處的參考信號等響；也可以表示聲功率不變的情況下，聲源在0.5 m處時比在1 m處時響6 dB。重復上述過程，分別對3種頻率(500 Hz、1 kHz和2 kHz)時，7個距離(0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4 和 0.3 m)處的測試信號都與1 m處的參考信號進行響度匹配。每個試聽者完成每個頻率1個測試距離的響度匹配約耗時8 min。試聽者每天完成1個頻率的7個測試距離的實驗，約耗時8×7=56 min，中間有一次短暫休息。每個試聽者3天可完成全部實驗。

3天后，所有試聽者再進行一輪實驗。與之前實驗的唯一區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驗結果進行對比。

2 實驗結果

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聲信號進行響度匹配的結果。

圖2 8個試聽者睜眼和閉眼條件下500 Hz聲信號響度匹配測試結果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增大的規律一致。其次，8個試聽者的實驗結果存在一定的個體差異，這是由于每個人的頭部形狀不同，從而導致耳道口的聲壓級也不相同。最后，除了試聽者G的對頻率1 kHz的聲信號的響度匹配的測試結果以外，從圖中其他試聽者的測試結果可以看出，隨著聲源的靠近，睜眼時的響度匹配結果要明顯小于閉眼時的響度匹配結果。這說明了視覺距離感知對響度的評價是有影響的。

為了進一步分析各個參量對響度匹配結果的影響，分別以眼睛的狀態、距離和頻率作為因子對全部實驗結果做方差分析(Analysis of Variance,ANOVA)。結果顯示，眼睛的狀態對響度匹配結果有顯著的影響(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個試聽者睜眼和閉眼條件下1 kHz聲信號響度匹配測試結果Fig.3 The loudness matching results of 8 listeners for 1 kHz sound signal in eyes closing and opening

圖4 8個試聽者睜眼和閉眼條件下2 kHz聲信號響度匹配測試結果Fig.4 The loudness matching results of 8 listeners for 2 kHz sound signal in eyes closing and opening

2.2 響度匹配結果與耳道口聲壓級實測值比較

本文還研究了響度匹配結果與試聽者耳朵處接收到的聲壓級之間的關系。由于聲波在耳道內的傳播與聲波入射方向無關[8]，因此一般測量封閉耳道口的聲壓級進行研究。

首先使聲源的聲功率恒定，移動聲源到不同距離處，測量試聽者封閉耳道口的聲壓級。由于人頭部的對稱性，聲源在正前方時，左右耳的聲壓級幾乎相同，可以認為是雙耳同音的情況，因此我們直接對雙耳的聲壓級取平均值來作為測量結果。最后，用每個聲源距離下的測量結果減去參考距離1 m處的結果，把兩者的差值叫做實測值，用于與響度匹配結果進行對比。

圖5為8個試聽者的實測值結果。由圖5可以看出，耳道口的聲壓級總體上是隨著聲源距離的減小而增大的。其次，由于每個人的頭部輪廓不同，實測值的個人差異較大，這也給出了圖 2～4中響度匹配結果出現個人差異的原因。

接著，對8個試聽者的耳道口聲壓級實測值、閉眼響度匹配結果和睜眼響度匹配結果分別進行平均，結果如圖6所示?？梢钥闯?，除了2 kHz的個別幾個距離處以外，實測值與閉眼的響度匹配結果比較一致。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來判斷響度。而圖6中的睜眼響度匹配結果明顯小于實測值和閉眼結果，最大差值超過了 3 dB(500 Hz、0.3 m處)，見圖2～4中。

圖5 8個試聽者耳道口頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz聲信號相對聲壓級的實測值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/睜眼時響度匹配差值與頻率的關系

已知視覺距離感知會對響度匹配結果產生影響，睜眼時響度匹配結果要小于閉眼時。圖7為閉眼響度匹配結果減去睜眼結果的差值，可以更直觀地反映視覺距離感知對響度產生的影響。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時最大，頻率為 1 kHz時次之，頻率為2 kHz時最小。這說明頻率越低，視覺距離信息對響度的影響越大。

圖6 8個試聽者耳道口頻率為500 Hz、1 kHz和2 kHz聲信號相對聲壓級的實測值的平均值及在閉眼和睜眼情況下的響度匹配測試結果的平均值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

通過上述實驗發現，睜眼時響度匹配的結果小于閉眼時的結果。這說明視覺的距離信息對響度的評價產生了影響，造成這種影響的原因為：(1)距離感知可能直接影響了響度感知，在大腦中這兩個系統直接存在相互影響；(2) 當距離減小時，聲源看起來變大了，這種視覺刺激會影響響度[4]；(3) 看到聲源靠近時，試聽者會預感到響度要變大，心理上產生某種保護機制，降低了聽到的響度；(4) 當距離聲源較近時，人可能會產生緊張感、不適感和危險感，這些心理變化可能也會影響響度。除以上幾點外，視覺距離感知對響度產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果。

4 總 結

本文通過對比實驗，研究了視覺距離感知對響度的影響。結果表明，近場條件下，當聲源靠近時，人耳感受到的響度會變大。閉眼時，試聽者無法判斷聲源距離，只能根據耳朵接收到的聲壓級來評價響度。隨著聲源距離的減小，睜眼時的響度增加得要比閉眼時的少一些。這證明了視覺距離感知會對響度評價產生影響，而這種影響最大可以超過3 dB。此外，聲信號的頻率越低，這種視覺信息帶來的影響越大。