骨導振子佩戴位置對重放聲的影響?

王杰 嚴志豪 楊喬赫 陸錫坤 陳運達 桑晉秋

(1 廣州大學電子與通信工程學院 廣州 510006)

(2 中國科學院聲學研究所 噪聲與振動重點實驗室 北京 100190)

(3 中國科學院大學 北京 100049)

0 引言

聽覺系統產生聲音的方式分為氣傳導和骨傳導(Bone conduction,BC)兩種。氣傳導中聲音依次經過外耳、中耳和內耳，最終刺激基底膜并且在神經元上產生聽覺。骨傳導則是利用頭骨振動接收和傳遞聲音信號，骨導設備的核心器件為骨導振子，是將電信號轉化為聲振動信號的換能器。骨傳導具有抗干擾能力強、在空氣中聲音不易泄漏等特點，因此在軍事、民用化學、緊急救援等復雜危險的環境中有明顯的優勢。骨傳導傳播的路徑主要有以下5種[1]：(1)骨導振動在耳道中產生輻射聲；(2)骨導振動引起中耳聽小骨運動從而產生聲音；(3)骨導振動引起耳蝸液的慣性運動；(4)骨導振動使耳蝸壁伸縮引起耳蝸液流動；(5)腦脊液的壓力傳遞。人體頭部相當于一個復雜的機械系統[2]，具有多種振動模式和非線性等特性。聲音經過骨導振子在頭部傳輸時，在不同位置的傳輸特性和衰減不同，所以骨導振子的不同佩戴位置會影響骨傳導聲重放的音質和清晰度，從而影響聽音者檢測和識別聲音的能力。目前骨傳導助聽器和耳機已受到越來越多的關注和應用。骨傳導耳機可以避免因耳道長期封閉而對耳膜帶來的損傷，也讓使用者在接收耳機信號的同時能保持對現場環境聲信息的敏感性，因此，在很多場合如運動、駕駛、公共場所以及軍事領域得到了廣泛應用。尋找骨導振子的最佳位置可以減少設備功耗和增長設備使用時間，減輕長時間使用中因音質不佳和清晰度不足帶來的疲勞感，提升用戶的體驗。

聽力閾值是指人感知聲音的最小響度，測量骨導振子在人體頭部不同位置耦合下的聽力閾值可表明不同位置間的靈敏性差距。語言清晰度是衡量信號可理解程度的評價指標，與氣傳導耳機相比，骨傳導耳機在語言清晰度存在差距。音質對于骨導耳機的推廣和應用而言也非常重要，不同位置耦合下的骨導耳機會產生不同的音質。本文將圍繞這3個方面進行實驗研究，為探究骨導振子的最佳佩戴位置提供依據。

近年來骨傳導的非臨床研究獲得了一定的發展，一些研究者在骨傳導的聽力閾值和清晰度方面進行了相關研究。Studebaker[3]測量了前額、乳突和頂點3個位置的純音聽力閾值；McBride等[4]基于軍事應用需求研究骨導耳機在11個位置的聽力閾值，結果顯示髁骨位置聽閾總體最低；Tran等[5]研究骨傳導傳聲器在頭部11個位置和鎖骨佩戴時錄制的信號強度，結果表明信號強度明顯依賴于骨導傳聲器佩戴位置。Dobrev等[6]研究骨傳導助聽器在不經皮傳輸時不同位置佩戴的效果，發現髁骨位置比乳突能產生更低閾值和更高耳蝸鼓岬速度。上述研究僅考慮位置因素對骨傳導靈敏性的影響，沒有考慮對語言清晰度和主觀音質的影響。Gripper等[7]利用呼號測試方法在髁骨位置上進行骨傳導語聲清晰度測試，發現信噪比因素影響語言清晰度得分；Osafo-Yeboah等[8]同樣采用呼號測試方法，實驗表明髁骨和乳突在清晰度得分上沒有顯著統計學差異；Stanley等[9]采用診斷押韻測試方法，實驗顯示髁骨和頂點位置在清晰度得分上存在顯著統計學差異。Fujimoto等[10]使用日本音節字表作為清晰度的測聽材料，發現在堵耳條件下的骨傳導清晰度得分比氣傳導高。呼號測試方法的語聲材料是數字和軍事術語組成，診斷押韻測試的語聲材料是由英語對話組成，以上骨傳導語言清晰度研究主要針對軍事術語或者其他外語，目前對于漢語的測試尚未見有報道。

本文將進行3部分實驗，首先對不同佩戴位置測試聽力閾值，分析靈敏性和傳輸性能；然后采用漢語清晰度測試音節表探討不同佩戴位置情況下的信噪比因素、背景噪聲類型對骨傳導語言清晰度的影響；最后利用對偶比較法對不同佩戴位置下的骨導振子進行重放聲效果的主觀音質評價實驗。綜合3個實驗結果，選擇最佳骨導振子佩戴位置。

1 實驗環境、設備和人員

本文實驗在聽音室內進行，房間大小為6.78 m×3.51 m×2.26 m，混響時間約為250 ms，背景噪聲大小為21 dB SPL。實驗測量儀器包括計算機、聲卡(型號為Fireface UFX II)和骨導振子(RadioEar B81)。選取頭部6個佩戴位置，分別為乳突、髁骨、前額、耳廓上方、下頜骨和太陽穴，如圖1所示。所有實驗均為單耳測試，分別對6個位置的全部或部分進行了測試。受試者均為聽力正常的11名研究生，能夠熟練地讀寫漢語，年齡范圍23～25歲。參加測試人員都沒有進行過主觀聽音訓練和測試。

2 聽力閾值測量實驗

2.1 實驗方案

人體頭部各個位置上的皮膚厚度和頭骨結構都不相同，導致骨導振子在頭部不同位置耦合會引起聲信號的傳輸效率不同。聽力閾值是指人耳感知聲音的最小響度，可用于分析骨導振子在不同位置間的靈敏性差距。本實驗主要目的是通過比較接收純音信號的能力來確定骨導振子B81在受試者頭部的最佳耦合位置和不利的接觸點。選取圖1中的6個位置佩戴骨導振子。

圖1 頭部位置示意圖Fig.1 Head position diagram

聽力閾值測量的國際標準共有兩種，分別為上升法和升降法[11]，本文采用升降法進行閾值測量，圖2為升降法測量的過程。實驗測量選取250 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz、4000 Hz和8000 Hz共6個頻點。相鄰的峰和谷記為一個測量流程(上升過程或者下降過程)，一個測量流程內步長不變，圖2中每個實心圓點代表一個步長。一次聽力閾值測量共需10次測量流程，其中步長在第1、第2、第4、第6、第8個流程后減半，初始的步長為32 dB。

圖2 升降法測量過程Fig.2 Lifting method measurement process

具體步驟如下：首先進行熟悉實驗，調整輸出音量至合適大小，使測試者能清晰聽見并且做出反應，確定該音量為初始值；測試者做出反應后，以規定的步長降低音量，若測試者依然能聽到，則繼續按步長降低音量，直到測試者聽不見，記為下降測量流程；然后以規定步長提高輸出音量，直到做出反應，記為上升測量流程；反復進行下降和上升測量流程，取最后兩次的上升過程的峰和下降過程的谷的平均作為聽力閾值。

2.2 不同位置下聽力閾值的對比和分析

圖3為6個位置的平均聽力閾值的測量結果曲線，橫坐標表示測量頻率，縱坐標表示聽力閾值相對于聲卡內部電壓的相對電平，單位為聽力閾值相對級。每個佩戴位置點的聽力閾值的頻率曲線存在相似的變化范圍特征，250～1000 Hz為下降趨勢，1000～4000 Hz相對平坦，4000～8000 Hz為上升趨勢。低頻段(250 Hz,500 Hz)聽力閾值高于中高頻段，一部分原因可能是骨導振子在低頻的振動容易產生的觸覺，影響到聽力閾值的判斷。聽力閾值在1000～4000 Hz范圍內相對較低，表明在產生同樣響度的條件下骨導振子需要較低的電輸入信號，傳輸效率更高。

圖3 骨傳導6個位置的平均聽力閾值Fig.3 Average hearing threshold of 6 positions of BC

由圖3也可以看出，髁骨的聽力閾值最低，乳突位置次之。乳突位置是美國國家標準協會(ANSI)進行BC聽力測試的標準放置位置。將乳突位置測量值作為參考點，與其他位置的結果進行比較。實驗結果顯示在測試頻域內髁骨位置的聽力閾值均低于乳突位置，平均每個頻率點低8.7 dB；在大部分頻率點上，其余4個位置聽力閾值均高于乳突。這與文獻[4]和文獻[12]中的結論是一致的：文獻[4]的實驗驗證了髁骨位置在各個頻率點上總體最低；文獻[12]表明在耳道開放和堵塞的情況下，髁骨位置的聽力閾值比乳突位置的低，聽力閾值測量曲線總體也呈現“U”的形狀，其中開放耳道時乳突位置在4000 Hz處閾值最低，髁骨位置在1000 Hz處閾值最低，這與本文的實驗結果一致。不同佩戴位置產生不同的聽力閾值的原因，可能是髁骨和乳突位置距離耳蝸最近因而聲信號能量的衰減較其他位置少，前額其他位置最遠所以衰減較大。另外骨導振子佩戴在髁骨時，可能也會引起耳廓附近空氣振動，進而導致一部分聲音信號進入耳內，從而降低聽力閾值，因此髁骨位置聽力閾值最低。

3 骨傳導語言清晰度實驗

3.1 實驗方案

本文的語言清晰度實驗研究在不同背景噪聲類型和信噪比情況下骨導聲的清晰度，通過骨導聲清晰度得分可以進一步驗證骨導設備佩戴位置是否合適。與西方語言屬于無聲調語言不同，漢語是由聲母、韻母和聲調組成的聲韻調結構。漢語在聽感上有拼合感，西方語言如英語則更有滑動感。漢語的音素和聲調都具有不同的時頻特點，能攜帶不同的信息量。復雜的環境中，聲母更容易受到噪聲干擾。本文清晰度實驗的語聲材料使用國家標準GB15508—1995的漢語清晰度測試音節表—KXY表[13]。

標準的KXY表一共有10張，每張75個音節(每個音節對應一個漢字)，選取其中一張的片段如表1所示。為避免測試時記憶和熟悉度影響測試結果，每次實驗都需要將平衡字節表隨機亂序組合再生成測試信號。3個音節為一組，生成時需要使用引導語句，如“第一組是：xxx”，x代表一個音節。利用Neospeech TTS語聲庫生成語聲測試材料，采樣率為16 kHz。語聲測試材料考慮兩種背景噪聲類型(白噪聲和babble噪聲，來自NOISEX-92噪聲庫)和3種信噪比(5 dB、0 dB、?5 dB)。

考慮實際情況中可佩戴的部位，本實驗中受試者僅在圖1中選取3個測量位置(髁骨、乳突、太陽穴)佩戴骨導振子，并且和氣傳導耳機(森海塞爾IE800)進行對比。測試時隨機播放測試音節表，受試者記錄所聽到的音節。語言清晰度得分為正確音節數占測試音節總數的百分比。

表1 一張語言清晰度測試音節表Table 1 Fragment of syllable table of sp eech intelligibility test

3.2 骨傳導語言清晰度實驗結果和分析

為了探究在不同信噪比下的骨傳導的語言清晰度得分的差異，同時比較與氣傳導的差距，將白噪聲分別在5 dB、0 dB和?5 dB三種信噪比條件下加入純凈語聲，并測量髁骨、乳突、太陽穴以及氣傳導佩戴方式下得到的主觀漢語語言清晰度得分，如圖4所示。在3種信噪比下，骨傳導的清晰度得分均比氣傳導低。當信噪比為5 dB時，氣傳導的清晰度得分較太陽穴、乳突和髁骨高22.4%、8.5%和4.7%；信噪比為0 dB時，較3個位置分別高26.6%，6.5%和4.1%；信噪比為?5 dB時為40.2%，15.4%和9.8%。這表明氣傳導的總體性能優于骨傳導。骨傳導的漢語語言清晰度得分總體趨勢隨著信噪比的提高而上升。如圖5所示，babble噪聲也得到了類似的結論。

圖4 白噪聲下漢語語言清晰度得分Fig.4 Chinese speech intelligibility score under white noise

圖5 babble噪聲下漢語語言清晰度得分Fig.5 Chinese speech intelligibility score under babble noise

白噪聲信噪比由?5 dB變化為0 dB時，3個測量位置的平均清晰度得分提升31.3%，信噪比由0 dB變化為5 dB時提升了8.7%，同理babble噪聲，分別提升17.7%、5.9%。在信噪比變化相同的情況下，白噪聲比babble噪聲對骨傳導的清晰度得分影響更大。

進一步，為更好地觀察骨導振子3個佩戴位置的清晰度差異，表2給出不同位置間漢語語言清晰度得分的變化。

表2 不同測量位置下漢語語言清晰度得分變化Table 2 Changes in Chinese language intelligibility scores under different p ositions

由表2可知，髁骨在3個測量位置中清晰度得分最高，乳突位置次之，太陽穴位置最低。測量位置從太陽穴到髁骨變化時，白噪聲下信噪比分別為5 dB、0 dB和?5 dB時，清晰度得分提升了16.8%、21.6%和27.7%；在babble噪聲同樣情況下，提升13.9%、14.7%和15.4%。測量位置從乳突到髁骨變化時，白噪聲下信噪比分別為5 dB、0 dB和?5 dB時，清晰度得分提升3.6%、2.3%和5.1%；在babble噪聲同樣情況下，提升3.5%、1.5%和4.2%。相同的信噪比和背景噪聲時，測量位置的改變會影響清晰度得分。太陽穴位置變化到髁骨時，清晰度得分提升明顯，乳突到髁骨變化時，清晰度提升相對較小。這表明骨導振子的位置對語言清晰度影響較大。

探究骨傳導佩戴位置因素對語言清晰度得分的影響，以及比較不同佩戴位置與氣傳導是否存在顯著性差異，對如圖4所示白噪聲的3種信噪比的清晰度得分進行ANOVA方差因素分析，結果如表3所示。乳突、髁骨、太陽穴和氣傳導的清晰度得分在3種信噪比下均為顯著性差異。事后檢驗(Post hoc test)采用最小顯著性差異法(Least signif icant difference,LSD)，結果顯示在5 dB(P=0.342)、0 dB(P=0.529)和?5 dB(P=0.484)三種條件下，髁骨和乳突的清晰度得分不存在顯著統計學差異，髁骨和太陽穴在3種信噪比下則均存在顯著差異。方差分析結果與已有文獻[8]和文獻[9]的結論類似：文獻[8]使用呼號測試方法也發現髁骨和乳突不存在顯著統計學差異；文獻[9]在黑鷹直升機背景噪聲下使用診斷押韻測試方法，發現位置因素(髁骨、乳突、頂點)在統計學上存在顯著的總體影響，事后多重比較表明髁骨和頂點存在顯著差異，髁骨和乳突不存在顯著差異。由上述分析可知，測量位置對清晰度得分在統計學上存在顯著的總體影響，但需進行事后多重比較分析具體測量位置組別之間的差異。

表3 乳突、髁骨、太陽穴和氣傳導清晰度得分的方差分析Table 3 ANOVA of the intelligibility scores at different p ositions of the BC vibrator

4 骨傳導音質主觀評價實驗

4.1 實驗方案

聽覺的主觀心理實驗是通過實驗用統計分析的方法將模糊的主觀感覺量化，總結出其所蘊含的規律[14]。常用的心理尺度構造方法有對偶比較法、排序法、語義細分法和分級評分法等。在主觀音質評價領域，通常采用如下兩種方式進行：語義細分法和對偶比較。語義細分法是用若干語義不同的形容詞描述被評價對象；對偶比較法則是隨機抽取一對被評價對象讓測試者進行偏好選擇。與語義細分法相比，對偶比較法可以避免測試者對評價標準中的形容詞不確定性引起的影響。因此本文音質主觀評價實驗采用對偶比較法研究骨導聲在不同位置的音質效果。

對偶比較法是通過被評價對象的兩兩比較關系來間接地估計出所有被評價對象地相對心理尺度。具體實驗步驟如下：分別生成3種測聽音樂材料，包含男女聲流行音樂和弦樂。對圖1頭部的6個位置點進行兩兩配對共15組，佩戴B81骨導振子，每組根據骨導聲重放的音質效果，進行偏愛選擇。3種測聽音樂材料按照相同響度進行播放，每次骨傳導音質主觀評價需進行45次實驗，進行比較時不考慮兩兩配對的先后順序組合。

4.2 骨傳導主觀音質評價實驗結果和分析

圖6為在男聲、女聲和弦樂3種測試音樂下6個位置的音質心理尺度得分。對偶比較法構造心理尺度的基本原理是認為心理量是符合正態分布的隨機變量[15]。具體操作為先兩兩比較后統計出偏愛度選擇概率；然后通過正態分布(方差為1，均值為0)將偏愛度選擇概率轉換為偏愛度正態變量，設最偏愛評價對象的心理尺度是100，最不偏愛的心理尺度為0；最后運用線性變換求出其他評價對象的心理尺度。在男聲、女聲和弦樂中，髁骨的心理尺度均為最高分數，乳突位置次之，下頜骨表現最差。男聲的測試結果發現髁骨的評價尺度得分與乳突評價尺度得分相差31，與太陽穴相差39；女聲的測試條件下髁骨和乳突、太陽穴分別相差35、94；弦樂測試條件下髁骨和乳突、太陽穴分別相差49、78。當佩戴位置變化時，女聲和弦樂評價尺度變化范圍比男聲大。位置因素對女聲和弦樂的骨傳導重放的音質影響更加明顯，男聲對于位置因素敏感性相對較低。骨導聲的傳輸是通過頭部的顱骨、軟組織和體液的振動傳播。測量位置不同顱骨和軟組織密度也不相同，聲信號的失真也不相同，這可能是引起不同位置間的音質評價不同的原因。

圖6 主觀聽音評價得分Fig.6 Subjective sound quality evaluation score

5 結論

本文對不同佩戴位置下的骨傳導設備進行聽力閾值測量、骨傳導音質主觀評價和語言清晰度實驗，研究位置因素對骨導重放聲的影響。由聽力閾值測量實驗結果可知，髁骨是靈敏度最高的測量位置，乳突次之，骨導振子在1000～4000 Hz范圍內傳輸效率相對較高。由語言清晰度實驗結果可知，氣傳導在清晰度的總體性能優于骨傳導，背景噪聲類型和信噪比影響骨傳導語言清晰度得分，不同位置的骨傳導語言清晰度得分也存在差異，其中髁骨得分最高。主觀音質評價中，髁骨在3種測試音樂下得分最高，下頜骨表現最差，位置變化對女聲和弦樂的骨傳導重放的音質影響明顯。本文的研究可為骨導振子佩戴位置的選擇及骨傳導耳機/助聽器的設計提供依據，為聲重放質量的改進提供參考，有助于提升骨傳導聲重放的性能。