高靖，牛歡，孟子厚

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側(cè)臥狀態(tài)下人體垂直軸向感知距離實(shí)驗(yàn)

高靖，牛歡，孟子厚

(中國傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所，北京 100024)

為了探討人體側(cè)臥狀態(tài)下垂直軸向距離感知的規(guī)律，在消聲室中進(jìn)行了聽音實(shí)驗(yàn)，并將其和仰臥狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，側(cè)臥狀態(tài)下垂直軸向距離感知與信號頻率及信號種類相關(guān)。在人體下方的距離感知中，純音信號的距離感知趨勢和窄帶信號的距離感知趨勢大體相同，在人體上方的距離感知中，窄帶信號的距離感知趨勢較純音信號的距離感知趨勢有一定的提升。

側(cè)臥；垂直軸向；距離感知

0 引言

早期研究表明，人耳對于聲源垂直方位的估計(jì)是源于對聲音信號頻響中波峰和波谷出現(xiàn)的位置。1968年K. Roffler等[1]就嘗試通過人耳對不同頻率白噪聲的垂直方位感知，從生理上揭示了人耳對于聲源垂直方位的感知是基于聲音信號的高頻部分。1974年，Hebrank等[2]在針對濾波后的噪聲進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)后，得出垂直軸向上方的定位主要由7～9 kHz之間的頻譜線索決定。1977年Butler等[3]針對前方中垂面定位的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在聲源于中垂面從上(30°)到下(-]30°)移動(dòng)時(shí)，頻譜線索中最重要的波谷(5～8 kHz)特征出現(xiàn)位置逐漸移向低頻。

垂直軸向定位感知的實(shí)驗(yàn)中，Prattt[4]實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)高頻信號在空間定位上比低頻信號有所提升。Roffler等[5]的后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指出被試有無高、低的先驗(yàn)知識對高頻信號空間定位較高這種現(xiàn)象不具有影響性。Blauert[6]的水平中垂面（正前方和正后方）定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明中心頻率的變化對1/3倍頻帶的噪聲定位存在一定的影響。直到2010年Matsui等[7]通過主觀實(shí)驗(yàn)測試人耳對揚(yáng)聲器重建的聲像的高度分辨，發(fā)現(xiàn)當(dāng)揚(yáng)聲器在側(cè)邊時(shí)，隨著聲源高度的增加，聲像的高度感知分辨率逐漸增加；揚(yáng)聲器在前或后時(shí)，隨著聲源高度的增加，聲像的高度感知分辨率逐漸下降。申少雄等[8]在仰臥狀態(tài)下人體垂直軸向的距離感知實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)頻率與距離感知不存在線性關(guān)系，信號的種類以及頻率的變化對于人體垂直軸向的距離感知存在一定的影響，且上下空間距離感知規(guī)律不同。由于人體直立狀態(tài)下受空間限制，在垂直軸向上難以進(jìn)行聲源模擬，為了探究人體的躺臥姿勢對距離感知是否有影響，本實(shí)驗(yàn)探討了側(cè)臥狀態(tài)下人體垂直軸向的距離感知，并與人體仰臥狀態(tài)下垂直軸向距離感知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 聽音實(shí)驗(yàn)

采用白噪聲、頻率范圍為250～8 000 Hz按倍頻程遞增的純音，以及按中心頻率250～8 000 Hz倍頻程遞增的窄帶粉紅噪聲，共計(jì)13種實(shí)驗(yàn)信號。實(shí)驗(yàn)的被試共14名，男女生各7人，年齡在22～27歲之間，均為在讀研究生，所有被試聽力正常。

人體垂直軸向在被試正常站立姿勢時(shí)，聲源距離變化難以進(jìn)行真實(shí)模擬。因而為了研究側(cè)臥狀態(tài)下人體垂直軸向的距離感知的變化，在全消聲室的水平面上移動(dòng)聲源，以此來模擬垂直軸向的聲源。實(shí)驗(yàn)布局圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局圖

聽音實(shí)驗(yàn)采用尺度估計(jì)法[9]，實(shí)驗(yàn)信號隨機(jī)放。實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行校準(zhǔn)，使每個(gè)信號在聽音點(diǎn)處的聲壓級為75 dB(A)，使被試側(cè)臥狀態(tài)下頭部保持固定不動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過程中被試在每個(gè)序號后會(huì)聽到兩個(gè)相同的信號，時(shí)間間隔為2.0 s，序號和序號間間隔約3.0 s，被試的任務(wù)是在聽到實(shí)驗(yàn)信號后對距離進(jìn)行判斷。

2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

對所有被試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重測信度檢驗(yàn)[10]，采用兩倍標(biāo)準(zhǔn)差原則剔除不合格的數(shù)據(jù)，再對所留數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)間具有顯著性差異。

2.1 垂直軸向上方的距離感知

對垂直軸向上方不同聲源位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同聲源位置處頻率對距離感知的影響，如圖2所示(C代表純音，Z代表窄帶)。圖2中橫坐標(biāo)表示純音/窄帶頻率，縱坐標(biāo)表示被試主觀感知距離(單位為m)。

當(dāng)聲源位于0.5 m時(shí)，純音頻率為250 Hz時(shí)的主觀感知距離為0.3 m；1 000 Hz時(shí)的感知距離為0.5 m；8 000 Hz時(shí)的感知距離接近1 m。聲源位于2、4、5 m時(shí)存在同樣的變化趨勢。因而，隨著純音頻率的增加，被試垂直軸向的主觀感知距離增加并最終趨于平穩(wěn)。

圖2 頻率對上方距離感知的影響

對于窄帶信號，當(dāng)聲源位于0.5 m處，隨著信號頻率的增加，被試垂直軸向的感知距離也隨之增加。同樣對于聲源位于其他位置處，也存在同樣的變化趨勢，并且最終都趨于平穩(wěn)。

聲源位于同一位置時(shí)，對比純音信號與窄帶信號，兩者關(guān)于頻率與聲源位置的變化趨勢大體一致，都呈線性上升趨勢。

分析不同頻率的純音信號和窄帶信號以及白噪聲在不同位置的距離感知如圖3所示，BZ代表白噪聲，橫坐標(biāo)為聲源位置。

純音頻率為250 Hz時(shí)，聲源位置在0.5～5 m之間變化，被試的垂直軸向感知距離在0.5～3 m之間變化。并且被試的距離感知隨聲源位置的增加而增加，但均小于聲源距離，純音頻率為1 000、4 000 Hz時(shí)，存在相同的變化趨勢。對比純音頻率為250 Hz和4 000 Hz的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示高頻處距離感知相對低中頻有一定的提升，但依然小于實(shí)際聲源距離。

窄帶信號中心頻率為250 Hz時(shí)，聲源位置從0.5～5 m漸進(jìn)變化，被試的垂直軸向感知距離從0.5～3.8 m遞增變化，因此被試垂直軸向感知距離隨聲源位置距離的增加而增加，但依然小于實(shí)際聲源距離。在其他頻率處存在相同的變化趨勢，但高頻的垂直軸向距離感知相對于低中頻存在一定的提升。上方聲源位置時(shí)，窄帶和純音距離感知有相同的趨勢，但存在一定差異。

圖3 聲源位置對上方距離感知的影響

同時(shí)也對白噪聲進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨實(shí)際聲源距離的增加，垂直軸向距離感知趨勢的變化與純音、窄帶信號的低頻信號結(jié)果具有相似性。

2.2 垂直軸向下方的距離感知

對垂直軸向下方不同聲源位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同聲源位置處，頻率對距離感知的影響，如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)表示純音/窄帶信號頻率，縱坐標(biāo)表示被試主觀感知距離(單位為m)。

圖4 頻率對下方距離感知的影響

當(dāng)聲源位于2.5 m時(shí)，純音頻率為250 Hz時(shí)的主觀感知距離為1.2 m；500 Hz時(shí)的感知距離為2 m；8 000 Hz時(shí)的感知距離接近3 m。聲源位于3.5、5.5、7.5 m時(shí)存在同樣的變化趨勢。因而，隨著純音頻率的增加，被試垂直軸向的主觀感知距離增加并最終趨于平穩(wěn)。

對于窄帶信號，當(dāng)聲源位于2.5 m時(shí)，隨著信號頻率的增加，被試垂直軸向的感知距離也隨之增加。同樣對于聲源位于其他位置處，也存在相同的變化趨勢，并且最終都趨于平穩(wěn)。

聲源位于同一位置時(shí)，對比純音信號與窄帶信號，兩者關(guān)于頻率與聲源位置的變化趨勢大體一致，都呈線性上升趨勢。但窄帶信號的變化趨勢相對比較緩慢，趨勢線平穩(wěn)，總體的感知距離數(shù)值低于純音感知距離數(shù)值。

由圖5可知，在不同聲源位置對不同頻率的純音信號和窄帶信號以及白噪聲信號進(jìn)行分析(橫坐標(biāo)為聲源位置)。

圖5 聲源位置對下方距離感知的影響

純音頻率為250 Hz時(shí)，聲源位置由2.5～7 m之間變化，被試的垂直軸向感知距離為1.5～4 m之間變化。并且被試的感知距離隨聲源位置的增加而增加，但均小于聲源距離。純音信號頻率為1 000、8 000 Hz時(shí)，存在相同的變化趨勢。對比純音信號頻率為500 Hz和8 000 Hz的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示高頻處距離感知相對低中頻有一定的提升，但依然小于實(shí)際聲源距離。

窄帶信號中心頻率為250 Hz時(shí)，聲源位置從2.5～7 m漸進(jìn)變化，被試的垂直軸向感知距離從1.6～4 m遞增變化，因此被試垂直軸向感知距離隨聲源位置距離的增加而增加，但依然小于實(shí)際聲源距離。在其他頻率處存在相同的變化趨勢，但高頻的垂直軸向距離感知相對于低中頻存在一定的提升。下方聲源位置時(shí)，窄帶和純音距離感知有相同的趨勢，但存在一定差異。同時(shí)也對白噪聲進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與垂直軸向上方結(jié)論存在一致性。

3 對比分析

對側(cè)臥和仰臥兩種不同狀態(tài)下垂直軸向上方距離感知進(jìn)行對比分析。

頻率不同時(shí)，純音信號和窄帶信號垂直軸向距離感知對比如圖6所示。

圖6 側(cè)臥和仰臥狀態(tài)下頻率對距離感知的影響對比

當(dāng)聲源位置為1 m、純音信號頻率從250～8 000 Hz進(jìn)行變化時(shí)，仰臥和側(cè)臥兩種狀態(tài)下垂直軸向感知距離從0.5～1 m呈上升變化趨勢，但變化較為平緩。其他聲源位置變化趨勢相同。由此可得，相同聲源位置在兩種狀態(tài)下，純音信號趨勢變化基本一致，且聲源距離越短，趨勢線重合性越好。隨聲源距離的增加，兩種狀態(tài)下距離感知變化趨于穩(wěn)定。

當(dāng)聲源位置在2.5 m、窄帶信號中心頻率從250～8 000 Hz變化時(shí)，兩種狀態(tài)下垂直軸向距離感知均呈上升變化趨勢，但側(cè)臥狀態(tài)下存在微小的距離感知壓縮，故聲源位于遠(yuǎn)距離時(shí)，側(cè)臥狀態(tài)下的感知距離更接近聲源距離。由此可得，相同聲源距離兩種狀態(tài)下窄帶信號趨勢變化基本一致。

對比純音信號和窄帶信號兩種狀態(tài)垂直軸向距離感知的一致性，純音信號比窄帶信號效果好，聲源距離較遠(yuǎn)處雖有一定差異，但都不是顯著性的。

不同聲源位置時(shí)，純音信號和窄帶信號垂直軸向距離感知對比如圖7所示(橫坐標(biāo)為聲源位置)。

圖7 側(cè)臥和仰臥狀態(tài)下聲源位置對距離感知的影響對比

對于頻率為500 Hz的純音信號，當(dāng)聲源位置從0.5～5 m間變化時(shí)，仰臥和側(cè)臥兩種狀態(tài)下垂直軸向感知距離從0.5～3 m呈上升趨勢，同時(shí)2 000、4 000 Hz等頻率均存在相同的變化趨勢。由此可得，在不同聲源距離兩種狀態(tài)下，純音頻率的垂直軸向距離感知變化趨勢基本一致，且均隨著聲源距離增加而增加，最終趨于平穩(wěn)。

對于中心頻率為2 000 Hz的窄帶信號，當(dāng)聲源位置從0.5～5 m變化時(shí)，仰臥和側(cè)臥兩種狀態(tài)下垂直軸向感知距離從0.5～3 m呈上升變化趨勢，同時(shí)500、4 000 Hz等頻率也存在相同的變化趨勢。由此可得，在不同聲源距離，兩種狀態(tài)下窄帶頻率在垂直軸向距離感知上趨勢基本一致，也隨聲源距離增加而增加直到趨于平穩(wěn)，但均小于實(shí)際聲源距離。但窄帶垂直軸向感知距離相較于純音更接近聲源距離。

同時(shí)由圖7中白噪聲的變化趨勢圖可得，兩種狀態(tài)下白噪趨勢線基本重合。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)探討了被試在側(cè)臥狀態(tài)下垂直軸向的距離感知變化，并與仰臥狀態(tài)下進(jìn)行對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 不同頻率的信號以及不同種類的信號源對于側(cè)臥狀態(tài)下的垂直軸向距離感知具有一定的相關(guān)性。

(2) 聲源位置作為垂直軸向距離感知影響因子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對于純音信號距離感知，上方的窄帶信號對距離感知有提升的效果，但下方二者并無太大差別。(3) 頻率作為垂直軸向距離感知影響因子的結(jié)果表明，相同頻率的純音信號與窄帶信號在上方存在明顯差異，但在下方都呈現(xiàn)大體相同的趨勢。中高頻的純音信號與窄帶信號在垂直軸向上的距離感知均高于低頻。

綜上可知在側(cè)臥狀態(tài)下，可能由于上下空間距離感知機(jī)理的不同，從而呈現(xiàn)不同的規(guī)律性。對比兩種狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上下空間垂直軸向距離感知中，側(cè)臥和仰臥狀態(tài)垂直軸向距離感知趨勢基本趨于一致，存在一定的差異，但是這種差異不顯著。

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Experiment of vertical axial distance perception in lateral lying state of human body

GAO Jing, NIU Huan, MENG Zi-hou

(Communication Acoustics Laboratory, Communication University of China, Beijing 100024, China)

In order to explore the law of vertical axial distance perception in the lateral lying state of human body, the subjective listening experiment is carried out in the anechoic chamber, and the experimental data are compared with the experimental data in the supine state. The experimental results show that the vertical axial distance perception in the lateral lying state is correlated with the signal frequency and the signal type. There is no significant difference between the pure and narrowband signals in the distance perception when the sound source is below the body. However, the distance perception trend of narrowband signal is improved to a certain extent compared with the pure tone signal when the sound source is above the body.

lateral state; vertical axial; distance perception

TP391.4

A

1000-3630(2018)-06-0579-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.012

2017-11-02;

2017-12-17

高靖(1992－), 女, 陜西榆林人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槿奥暭夹g(shù)。

孟子厚, E-mail: mzh@cuc.edu.cn