成人水平方位角度辨別閾值的測定

張明生 劉茉 張娟

聲源定位（sound localization, SL）是人和動物的一項基本聽覺功能，與聽敏度共同構成完整的聽覺功能。聲源定位錯誤不僅影響人與人之間的交流，而且在繁忙的交通等環境中可能給自己及他人帶來危險。隨著聽力受損人群從人工耳蝸和助聽設備的應用中受益，關于聲源定位方面的研究越來越多。在這些研究中，常用的聲源定位研究方法是讓受試者從水平方位或垂直方位數個聲源中指出正確的發聲聲源。研究者們進行這些研究的重要依據之一是雙耳耳間時間差（interaural time differences, ITDs）[1,2]和耳間強度差（interaural level differences, ILDs）[3～6]。耳間時間差和 強 度 差 與聲源的位置、距離、刺激頻率有關。頭相關傳輸函數（head-related transfer function, HRTF）是聲源方向、距離、頻率的連續函數。HRTF描述了自由場聲波從聲源到雙耳的傳輸過程，它反映了頭部、耳廓和軀干等構成的生理系統對聲波散射的結果，研究表明當聽音者距聲源的位置大于1.2m時，HRTF對聲源定位的影響可以忽略[7～9]。在低頻（0.5～2kHz）聲源定位時，人對耳間時間差或耳間相位差（interaural phase difference， IPD）敏感，而在高頻（4～16kHz）聲源定位時，人對耳間強度差敏感。因此，時間差是低頻聲水平方位聲源定位的主要依據，強度差是高頻聲水平方位聲源定位的主要依據。眾所周知，角度辨別閾（minimum audible angle，MAA）是聲源定位研究中常用的方法[10～12]，國外關于聲源定位方面的研究眾多，水平方位角度辨別閾值數據亦有記載，但由于實驗完成并非同一時期，實驗者、受試者國籍不同，所用實驗條件及行為測聽方法不盡相同，因此參考價值有限。目前國內尚無完整的成人水平方位角度辨別閾數據及水平方位聲源定位能力的研究，因此我們設計了測定成人水平方位角度辨別閾值的實驗。

本研究借鑒國內外聲源定位研究方法[13,14]，利用Audio3.0音頻編輯軟件中科學濾波器濾過高斯白噪音[15,16]，獲得 0.25～1.2kHz的低頻音[17]和2～8kHz的高頻音。通過測定水平方位 0°、±45°、±90°5個角度[2,14]的角度辨別閾值，以期了解正常聽力成年人水平方位聲源定位能力,建立本實驗室成人水平方位角度辨別閾數據庫；為國內以后的水平方位聲源定位研究提供參考；結合本實驗室兒童水平方位角度辨別閾數據[18]及未來老年人水平方位角度辨別閾數據，初步探究人類聲源定位能力的發展變化規律，提升對聽覺功能及中樞可塑性的全面認識。

1 材料與方法

1.1 研究對象北京朝陽醫院耳鼻喉科門診招募耳科檢查正常的受試者32人，青年組(18～40歲）17人， 中年組（41～60 歲）15人[13,14]，所有人在 SCL90（Symptom Check-list90）評估中表現正常。無耳疾患及頸椎疾病，可自由轉頭。電耳鏡檢查外耳道及鼓膜未見異常。采用純音測聽方法，受試者0.25～8kHz 6個頻率的平均聽閾聽力級均≤20dB。雙耳聲導抗為A型曲線。本研究已通過北京朝陽醫院倫理委員會審批。

1.2 測試儀器、環境和材料

1.2.1 測試儀器 測試儀器為自制的聲源定位測試儀（國家專利號200520017252.1），該測試儀器主體分為三部分：上半部為一不銹鋼材質的水平半圓形軌道，水平軌道的半徑為1.2m，軌道的內面有凹槽，內嵌有鋼質標準刻度尺，根據弧長公式[弧長=θ×r（θ為角度，r為半徑）]，計算出θ=1°對應的弧長。將軌道中心處標記為0°，對應水平軌道凹槽內的標準刻度尺，依次在水平軌道上兩側對稱性的用防褪色標記筆標記角度，左側部分角度為負值，右側部分為正值，角度精確到1.0°。下半部為一圓弧形水平固定物。中間部分為可升降的柱狀支撐物，將上下兩部分從中心部位連接起來，使上下兩部分保持水平。為將揚聲器固定在水平測試軌道上，我們特制了可在水平測試軌道上自由滑動的揚聲器支架。

1.2.2 測試環境 測試環境為符合GBT16403的標準測聽室（面積5.5m×6.0m）。測聽室內測試布局見圖1。測試者主要負責播放刺激聲，觀察受試者對聲音刺激的反應，記錄測試結果，分析聲源辨別情況及控制聲源移動。

圖1 測聽室內布局

1.2.3 測試音 測試材料主頻為0.25～1.2kHz的低頻音和2～8kHz的高頻音。兩種測試音為Audio3.0音頻編輯軟件中科學濾波器濾過的白噪音。測試音由Audio3.0音頻編輯軟件編輯控制，通過固定在水平測試軌道上的揚聲器A和揚聲器B播放，采用的揚聲器為瑞士LIFETRONS DrumBassⅢ揚聲器，該揚聲器呈圓柱形，直徑41mm。在受試者頭部雙耳水平位置用聲級計（丹麥D&K公司）測量的白噪音頻譜見圖2，揚聲器A和揚聲器B的頻譜誤差小于3%，測試過程中采用同一條傳輸線、同一種測試音、不同揚聲器的方法測試。每個揚聲器隨機播放6次，采用隨機數列的方法編輯揚聲器的播放次序，低頻測試音與高頻測試音均采用兩組隨機數列編輯，選擇低頻測試音測試時隨機選擇一組播放，高頻測試音測試時亦同。測試音為聲壓級58～61dB[16,19～22]，每次聲音持續時間為 250ms[20,22,23]，間隔為5s，每個角度的測試時間為10～15min，完成所有角度的測試所需時間約為2h。

圖2 白噪音的頻譜曲線

1.3 方法

1.3.1 測試方法 借鑒國內外角度辨別閾測試方法并加以改進。角度辨別閾值[24]（minimum audible angle，MAA）是受試者對聲源方位所能辨別的最小角度值。對受試者進行水平方位0°、±45°、±90°5個標準方位的測試。測試0°角度辨別閾時，受試者平視弧形支架上0刻度處的標志物，A聲源和B聲源分別對稱置于標志物兩側，測試過程中分別從兩側對稱性地向標志物移動，直到受試者不能分辨聲音來源為止，此時弧形支架上的A聲源和B聲源之間的角度即為0°的角度辨別閾值。測試45°角度辨別閾時，受試者平視弧形支架上0刻度處的標志物，耳朵平對水平測試軌道上45°刻度處，A聲源和B聲源分別從兩側向水平測試軌道45°刻度處對稱性移動，直到受試者不能分辨聲音來源為止，此時弧形支架上A聲源和B聲源之間的角度即為45°的角度辨別閾值。余測試方法同上。測試方位示意見圖3。

圖3 測試方位示意圖

測試前向受試者說明測試規則及注意事項，并培訓30min，與受試者良好溝通。測試時受試者端坐于特制的測試椅子上，頸部依靠在椅子上的弧形支架上，調節水平測試軌道的高度，并用測試椅子上的激光標志筆使受試者雙耳與聲源同一水平。每次測試前有20s的緩沖時間，讓受試者調整自己的狀態，以求最佳狀態參加測試，在聽到“準備”的指示音后，測試正式開始。要求受試者在聽到聲刺激后雙眼仍平視正前方，聲刺激停止后行為指向或言語確認發聲的聲源。如果受試者判斷正確，則調節A聲源和B聲源之間的角度繼續測試直至受試者不能辨別為止。此種測試方法較為簡單，受試者需要重復上述測試練習，直至受試者完全掌握后開始測試。測試時，首先選擇0°作為測試角度，以便受試者配合，其余4個角度的測試順序為隨機選取。

測試時，按上述測試方法，選用低頻測試音，A、B聲源隨機發聲（A、B聲源各發聲6次），受試者分辨聲源位置正確率超過75%，即認為能夠順利分辨這兩個聲源的位置。測試者逐漸縮小兩聲源的角度間隔，重復上述測試，直至不能分辨為止。反之，如受試者分辨聲源位置的正確率不足75%，測試者將逐漸增加兩聲源的角度間隔，重復上述測試，直至找出閾值角度。正確率為75%的臨界角度就是受試者所能分辨的最小角度值，即MAA，同法測試另一側的MAA。每個角度測試結束后休息約10min。同樣方法選用高頻測試音測試各角度的角度辨別閾值。測試方法見圖4。

圖4 角度辨別閾測試方法

1.3.2 初始角度設置及調整A、B聲源角度間隔的原則 A、B兩聲源初始角度間隔設置較為靈活。如果初始角度間隔設置較大，受試者較為容易和準確地分辨兩聲源的位置，有利于減輕受試者對測試的陌生感和緊張心理。但如初始角度間隔設置過大，又必然會增加測試時間。通過預實驗發現，A、B兩聲源最佳初始角度間隔在0°時為20°，45°方位角時為30°，90°方位角時為40°。調整A、B聲源角度間隔遵循“1/2原則”[18]。假設A、B兩聲源對稱分布在0°兩側，二者之間的角度間隔為20°，A、B聲源隨機給聲6次，如受試者9次可順利區分兩聲源位置，則兩聲源分別從兩側對稱移動二者之間角度間隔的1/2角度，即兩聲源角度間隔為10°，如還可分辨聲源位置，再使兩聲源對稱移動至角度間隔為5°。如此反復測試（約6～10次），直至某一位置時，受試者判斷聲源位置正確率剛為75%的兩聲源角度間隔，即為0°時的MAA。

1.4 統計學方法采用SPSS 21.0統計軟件進行數據統計學分析，計量資料以±s表示。比較受試者同一角度差異時采用獨立樣本t檢驗或獨立樣本校正t檢驗；比較受試者不同角度平均MAA差異時采用Kruskal-Wallis檢驗；P＜0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 青年組和中年組低頻聲刺激下相同方位角度辨別閾值比較青年組和中年組在低頻聲刺激下相同方位角度辨別閾值差異無統計學意義（P＞0.05）。0°方位角角度辨別閾值最小，90°方位角角度辨別閾值最大，見表1。

表1 青年組和中年組低頻聲刺激下不同方位角度辨別閾值

2.2 青年組和中年組高頻聲刺激下相同方位角度辨別閾值比較青年組和中年組在高頻聲刺激下相同方位角度辨別閾值差異無統計學意義（P＞0.05）。0°方位角角度辨別閾值最小，90°方位角角度辨別閾值最大，見表2。

表2 青年組和中年組高頻聲刺激下不同方位角度辨別閾值

3 討論

聲源定位是指聽覺系統對聲源位置的識別過程，包括對聲源水平方位、垂直方位以及與聽者距離的識別，這是人和動物感知環境的基本方式，在人和動物的日常生活中具有重要意義。聲源定位測試多采用主觀聽力測試方法，包括角度識別法（source azimuth identification）[25,26]和角度辨別法（source azimuth discrimination）[27]。角度識別法是評估受試者直接判斷聲源位置的能力，這是測量聲源定位絕對精確度的方法。角度辨別法是通過測量同一方位兩個相同聲源可被受試者識別的最小角度值，進而評估受試者聲源定位能力的敏銳性，這是測量聲源定位相對精確度的方法。

目前，大量研究采用上述兩種方法研究人聲源定位能力[2,11,14]，為進一步提高本實驗的準確性、可靠性，除了對受試者的嚴格篩選外，對實驗設備的選擇同樣重要，我們采用瑞士LIFETRONS DrumBass Ⅲ 直徑41mm 揚聲器；為確定兩揚聲器的頻譜誤差小于3%，采用同一條傳輸線、同一種測試音、不同揚聲器的方法測試兩揚聲器的頻響曲線；為避免受試者對刺激聲播放順序產生記憶，采取隨機數列的方法編輯兩組揚聲器的播放次序；為了保證測試時受試者的雙耳與水平測試軌道同高，采用激光標記頭部位置的方法；為避免受試者在測試過程中產生聽覺疲勞及注意力不集中現象，每次測試10～15min后休息一段時間；為了保證測試的時效性和準確性選擇有經驗的測聽師完成測試，在測試過程中借鑒國內外聲源定位研究方法，調節A、B聲源角度間隔的方法遵循聲源角度間隔的“1/2原則”，測試聲源從兩側對稱性地向方位角移動[10]。

國內外研究表明，測試音的聲壓級過高或過低，均會影響受試者對水平聲源位置判斷的準確性[16,19～22]；測試音持續時間過短致“水平負效應（negative effect of level）”的發生同樣會影響聲源位置判斷的準確性[20,22,23]。為避免上述影響實驗準確性因素的出現，采用測試音為聲壓級58～61dB，每次聲音持續時間為250ms[23]。

通過研究發現在低頻聲和高頻聲分別刺激下，受試者青年組和中年組相同方位的MAA無統計學差異。對青年組實驗數據分析中發現，青年組中各受試者在低頻聲和高頻聲分別刺激下0°時MAA最小， 45°時次之，90°時最大；對中年組實驗數據分析中發現與青年組相同的規律，該結論與Smith等[2]的研究一致，說明在水平中線位置人們的聲源定位能力最好，水平側方90°的聲源定位能力最差。上述研究結果為聽力受損的青年人和中年人在助聽技術干預后的療效評估提供了參考依據，并且用測量MAA來評估聲源定位能力的方法亦易于實施。盡管本研究結果表明正常聽力的青年人和中年人在水平方位聲源定位能力無明顯差異，但是在實驗過程中我們發現，在幾乎完全相同的實驗條件及忽略了HRTF影響的情況下，受試者水平聲源定位的能力存在著個體差異，導致這些差異的因素可能與受試者在測試過程中尤其是較長的測試過程中頭部和身體的輕微移動有關，也可能與受試者在測試過程中不自覺的產生的噪音有關。雖然Dobreva[13]和Abel等[28]研究表明人類的聲源定位能力隨著年齡增長而下降，Briley等[29]用腦電圖描記儀方法得出導致老年人聲源定位能力下降的因素為相關聽覺皮層的活動力下降。但是由于實驗條件的限制，在受試者選擇方面，本實驗未能將正常聽力老年人納入實驗范疇。這對我們掌握正常聽力成年人聲源定位能力變化規律方面及對聽力受損的老年人在助聽技術干預后的療效評估方面不利，希望在將來的實驗中能夠完成對正常聽力老年人聲源定位能力的研究，彌補上述不足。