彭健新 呂永鑫 劉小俊 路曉東

(1.華南理工大學(xué)理學(xué)院，廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640;3.大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧大連116023)

對于語言用廳堂，尤其是會(huì)議室、報(bào)告廳、教室等主要用于言語交流的場合，衡量其廳堂音質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)是盡可能讓聽眾區(qū)域達(dá)到最大的語言清晰度.對于語言傳輸系統(tǒng)，一個(gè)或幾個(gè)發(fā)音人所說的語言單位(音節(jié)、單字、句子等)或其失真可忽略的錄音信號(hào)，經(jīng)被測系統(tǒng)傳輸后，能為聽眾正確辨認(rèn)的百分?jǐn)?shù)稱語言清晰度或可懂度［1］.語言清晰度客觀評價(jià)是通過測量廳堂內(nèi)的客觀聲學(xué)參數(shù)(如早遲聲能比C50、語言傳輸指數(shù)STI等)來評價(jià)廳堂內(nèi)的語言清晰度.語言清晰度主觀評價(jià)是最終的判斷.但是，主觀評價(jià)只能由聽音小組的主觀測聽來進(jìn)行評價(jià)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力.許多研究者通過語言清晰度主觀評價(jià)和客觀聲學(xué)測量，建立語言清晰度主客觀參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，通過客觀語言清晰度參數(shù)預(yù)測廳堂內(nèi)的主觀語言清晰度［2-5］.

由于大部分客觀語言清晰度評價(jià)參數(shù)，如STI，都是基于西方語言建立起來的［2-3］，而西方語言不像漢語那樣聲調(diào)明顯突出，當(dāng)室內(nèi)語言清晰度對英語滿足要求時(shí)，并不一定滿足漢語的情況，反之亦然［5］.有關(guān)實(shí)際廳堂中關(guān)于漢語與英語兩種語言的主觀語言清晰度評價(jià)結(jié)果的差異較少見報(bào)道，Kang［5］采用母語發(fā)音人和聽音人在一走廊和研究室(早期衰變時(shí)間(EDT)范圍為0.6～1.3s)進(jìn)行主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)，比較了漢語和英語主觀語言清晰度與客觀聲學(xué)參數(shù)STI關(guān)系的差異，得到了一些很有意義的結(jié)果.研究表明，主觀英語語言清晰度評價(jià)采用母語為英語發(fā)音人和聽音人，與采用以其它語言為母語的聽音人相比，其結(jié)果會(huì)存在一些差異［6-7］.

隨著國際交流合作的日益廣泛，英語作為第二語言，在國內(nèi)越來越受到人們的重視;而且同時(shí)使用漢語和英語兩種語言的場所越來越多，如學(xué)校教室、車站、機(jī)場、會(huì)議室(廳)等.對西方語言的研究表明，對于非母語的聽音人或發(fā)音人，為保證良好語言清晰度，要求廳堂具有更高的STI值［8］.文中在較寬的(不同信噪比、不同混響時(shí)間)范圍內(nèi)、相同的測試條件下采用以漢語為母語的聽音人來評價(jià)漢語和英語測試字的清晰度和句子的可懂度，比較分析漢語和英語兩種語言的主觀語言清晰度(可懂度)得分差異及其與客觀語言清晰度參數(shù)STI的關(guān)系，為語言用廳堂(尤其是中小學(xué)教室)的聲學(xué)設(shè)計(jì)和聲環(huán)境改善提供重要的參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

研究表明，采用室內(nèi)聲場仿真和可聽化技術(shù)來評價(jià)室內(nèi)語言清晰度是可行的［9-10］.文中應(yīng)用建筑聲學(xué)仿真軟件ODEON，針對兩個(gè)教室模型，通過改變教室內(nèi)各界面材料的布置獲取5個(gè)具有不同聲學(xué)特性的聽音位置處的客觀聲學(xué)參數(shù)和雙耳房間脈沖響應(yīng).表1為仿真得到的這些聽音位置處的一些聲學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，包括早期衰變時(shí)間EDT、混響時(shí)間T30、清晰度D50、語言傳輸指數(shù)STI(無噪聲)等.通過調(diào)節(jié)背景噪聲級改變信噪比，獲得不同信噪比條件下的語言傳輸指數(shù)STI值.

表1 5個(gè)聽音位置的聲學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of acoustical indices at five listening positions

語言清晰度測試采用韻律測試字表進(jìn)行.漢語的測試材料由5張基本字表派生的11張發(fā)音字表組成，每張25行，每行5個(gè)字［11］.英語的測試材料與漢語相似，由6張基本字表派生12張發(fā)音字表，每張50行，每行6個(gè)字［9］.測試時(shí)，隨機(jī)播放測試字表，由引導(dǎo)句將被讀字帶出，聽音人圈出所聽到的字，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評分［12］.語言可懂度測試句表采用噪聲下言語測試材料(HINT)，它由24個(gè)等價(jià)句表和4－6個(gè)練習(xí)句表組成，每個(gè)句表內(nèi)包含10個(gè)簡單句.每個(gè)英語句子包含4～7個(gè)英文單詞，每個(gè)漢語句子包含10個(gè)漢字.文中選用10張測試句表和1張練習(xí)句表.測試時(shí)，聽音人寫出所聽到的句子中的漢字(英文單詞)，然后統(tǒng)計(jì)記錄正確的字(詞)百分率.

漢語和英語測試信號(hào)分別由以漢語、英語為母語的男性發(fā)音人在消聲室錄制而成，然后采用Cooledit Pro編輯測試信號(hào)，并插入適當(dāng)?shù)撵o音，以便聽音人記錄.同時(shí)采用粉紅噪聲產(chǎn)生與測試信號(hào)具有相同頻譜特性的語言形狀噪聲信號(hào).將在消聲室錄制的漢語和英語語言清晰度測試聲信號(hào)和相對應(yīng)的噪聲信號(hào)分別與ODEON仿真得到的雙耳房間脈沖響應(yīng)卷積后，通過Cooledit Pro按照給定的信噪比混合，通過耳機(jī)(Sennheiser HD580)重放，供聽音人進(jìn)行語言清晰度主觀評價(jià).英語和漢語字/句的語言清晰度/可懂度測試分別采用5種信噪比(－5、0、5、10和15dB(A))，5個(gè)不同的聽音位置(中頻混響時(shí)間分別為0.3、0.6、1.0、1.5和2.0 s)，共25種測試條件，由ODEON計(jì)算得到這些測試條件的STI值范圍為0.16～0.82，這個(gè)范圍包括了實(shí)際應(yīng)用中STI可能的取值范圍.聽音人均為以漢語為母語、聽力正常的大學(xué)生，其中漢語測試要求聽音人能聽說正確的普通話，英語測試采用通過國家英語4級考試的大學(xué)生.每種測試條件下共4位聽音人參加測試，每個(gè)測試條件播放2張測試字(句)表，語言清晰度(可懂度)得分為該條件下8張字(句)表主觀語言清晰度(可懂度)得分的平均值.

2 結(jié)果與討論

圖1為由聽音人在相同的聽音條件下對漢語和英語測試(韻律)字表進(jìn)行主觀評價(jià)得到的語言清晰度得分，及其與客觀語言清晰度參數(shù)STI之間的三次多項(xiàng)式擬合曲線，判定系數(shù) R2分別為0.96 (P＜0.001)、0.95(P＜0.001)，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.2%、4.5%.圖2為由聽音人在相同的聽音條件下對漢語和英語測試句(HINT)表進(jìn)行主觀評價(jià)得到的語言可懂度得分，及其與STI之間的擬合(采用Logisitc非線性擬合)曲線，R2分別為0.91(P＜0.001)、0.95(P＜0.001)，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.0%、6.3%.這些數(shù)據(jù)表明，采用漢語普通話為母語的聽音人評價(jià)得到的漢語和英語語言清晰度(可懂度)得分與STI之間具有較高的相關(guān)性.

圖1 漢語和英語語言清晰度得分(字表)及其與STI的擬合曲線Fig.1 Chinese and English speech intelligibility scores(word lists)and the fitting curves between the scores and STI

圖2 漢語和英語語言可懂度得分(句表)及其與STI的擬合曲線Fig.2 Chinese and English speech intelligibility scores(sentence lists)and the fitting curves between the scores and STI

表2為25種測試條件下得到的英語和漢語字(句)表的語言清晰度(可懂度)得分方差分析結(jié)果.表2表明，聽音位置的混響時(shí)間B和信噪比A對漢語和英語語言清晰度(可懂度)有顯著影響(P＜0.001)，信噪比因素的F值比混響時(shí)間特性的F值大得多，表明信噪比比混響時(shí)間特性對語言清晰度(可懂度)有更加顯著的影響.混響時(shí)間特性和信噪比的交互作用對漢語和英語字表的語言清晰度和漢語句表的可懂度也有顯著影響(P＜0.001)，但其F值均比相同條件下的混響時(shí)間和信噪比因素小得多，其影響比混響時(shí)間和信噪比因素的作用弱;而混響時(shí)間特性和信噪比的交互作用對英語句表的可懂度無顯著影響(F=1.59，P=0.117).

表2 漢語英語語言清晰度(可懂度)得分方差分析Table 2 Analysis of variance for Chinese and English speech intelligibility scores

Kang［5］指出，當(dāng)STI較大時(shí)，對應(yīng)的信噪比較高，此時(shí)混響是影響語言可懂度的主要因素.在混響條件下，一些英語輔音，如像破擦音、摩擦音、鼻音和爆破音，非常容易混淆，而漢語普通話中的聲調(diào)對漢語語言可懂度是有益的，由混響所造成的英語語言可懂度的下降比漢語語言可懂度的下降要大.而當(dāng)STI較低時(shí)，對應(yīng)的信噪比較低，由于英語語言聲壓級的動(dòng)態(tài)范圍比漢語普通話的要大很多，例如同樣的等效A聲級，英語的峰值電平比漢語普通話的大約要高3dB.這樣在低信噪比條件下一些英語單詞可以只根據(jù)一些峰值就能理解.由圖1可知，以母語為漢語普通話的聽音人得到的漢語韻律測試的主觀語言清晰度得分容易飽和，出現(xiàn)天花板效應(yīng)，這與Bradley［3］以英語為母語的聽音人在教室采用韻律測試得到的英語語言清晰度得分相似.由于天花板效應(yīng)，當(dāng)STI較高時(shí)，無論是英語還是漢語，對母語聽音人采用韻律測試均可得到100%語言清晰度得分.但是，當(dāng)STI較低時(shí)，漢語語言清晰度得分比Bradley的結(jié)果低，這與Kang［5］得到的在走廊的結(jié)果一致.

對比以漢語為母語的聽音人得到的漢語和英語韻律測試的主觀語言清晰度得分與STI的擬合曲線(圖1)可知，當(dāng)STI較低時(shí)，語言清晰度得分均隨STI的增加而迅速增加，當(dāng)STI＞0.5時(shí)，增加較緩慢.當(dāng)STI＞0.61時(shí)，其漢語語言清晰度得分達(dá)到100%.在相同測試條件下，漢語語言清晰度得分比英語語言清晰度得分高.Bent等［13］針對英語采用母語聽音人和非母語聽音人(美國西北大學(xué)留學(xué)生，約80%來自中國)進(jìn)行主觀語言清晰度評價(jià)，非英語母語聽音人的分比英語母語聽音人的得分低20%以上.考慮這一因素的影響，對以漢語為母語的聽音人得到的英語語言清晰度得分進(jìn)行修正，當(dāng)STI較高時(shí)，其結(jié)果與Bradley的結(jié)果基本一致，但當(dāng)STI較低時(shí)，其得分比與Bradley的結(jié)果略低，這與聽音人(針對Bent等采用的聽音人而言)對英語掌握的熟練程度、發(fā)音人為男性以及Bradley采用的詞表為5個(gè)單詞選1而文中詞表采用6個(gè)單詞選1等因素有關(guān).

由圖2可知，以漢語為母語的聽音人評價(jià)得到的漢語語言可懂度先隨STI的增加而迅速增加，隨后基本不變(已達(dá)到100%的清晰度).當(dāng)STI＞0.5時(shí)，漢語句子可懂度基本達(dá)到100%.而由以漢語為母語的聽音人評價(jià)得到的英語語言可懂度隨STI的增加而增加.Bent和Bradlow發(fā)現(xiàn)在相同測試條件下，采用修改的BKB測試句子，英語母語聽音人得到的主觀可懂度比非母語聽音人的結(jié)果要高30% ～40%［6，14］.考慮非母語聽音人對英語句子的理解的影響，由圖2可知，存在一個(gè)分界點(diǎn)，當(dāng)STI值小于該分界點(diǎn)所對應(yīng)的STI值時(shí)，英語句子可懂度比漢語句子可懂度高;當(dāng)STI值大于該分界點(diǎn)所對應(yīng)的STI值時(shí)，漢語句子可懂度比英語句子可懂度高.這一結(jié)果亦與Kang［5］采用母語聽音人得到的結(jié)果相似.

對比圖1和2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)STI較低(小于0.3)時(shí)，漢語句子的可懂度比韻律測試得到的清晰度低.由于漢語句子評分是統(tǒng)計(jì)單個(gè)漢字的正確率，一個(gè)漢字一個(gè)音節(jié)，當(dāng)STI較高時(shí)，聽音人可根據(jù)理解來推斷，當(dāng)一個(gè)句子個(gè)別字未聽清楚時(shí)，句子的意思完全可以理解并記錄，因而句子可懂度得分比字表清晰度得分高.但是，當(dāng)STI較低時(shí)，對于句子測試，聽音人需要完整地寫出整個(gè)句子(十個(gè)漢字)，由于混響和噪聲的連續(xù)掩蔽作用，聽音人雖能聽到幾個(gè)孤立的漢字，但無法理解并寫出整個(gè)句子;而對于韻律測試，聽音人僅需圈出引導(dǎo)句帶出的一個(gè)關(guān)鍵字，其注意力只集中于一個(gè)字，混響和噪聲對關(guān)鍵字的掩蔽作用相對小一些，在相同測試條件下，漢語韻律測試得到的清晰度比句子的可懂度高.

由以上分析可知，對以漢語為母語的聽音人，為了達(dá)到相同的英語清晰度，其所需要的STI值比英語母語聽音人所需要的STI值高得多.這表明，對以漢語為母語的聽音人而言，必須提高聽音人位置的客觀語言清晰度參數(shù)值(如STI等)，才能達(dá)到與英語母語聽音人同樣高的英語語言清晰度.針對以漢語普通話為母語聽音人需要進(jìn)行英語交流的場合(如教室、會(huì)議室)，可以通過改善室內(nèi)的聲環(huán)境(如降低混響時(shí)間和背景噪聲、提高信噪比)以獲得較高的STI值等措施來提高英語語言清晰度;同時(shí)減慢發(fā)音速度，加強(qiáng)對英語音系結(jié)構(gòu)、詞匯結(jié)構(gòu)的掌握［15］，以進(jìn)一步改善以漢語為母語的聽音人聽英語時(shí)的語言清晰度.

需要指出的是，語言清晰度主觀評價(jià)受到諸多因素的影響，如測試材料、發(fā)音人的發(fā)聲方式和風(fēng)格、聽音人的語言背景、對語言的掌握程度等.

3 結(jié)語

文中通過建立教室仿真模型，應(yīng)用ODEON軟件仿真獲取教室中具有不同聲學(xué)特性的聽音位置的客觀聲學(xué)參數(shù)和雙耳房間脈沖響應(yīng)，在較寬的STI (不同信噪比、不同混響時(shí)間)范圍內(nèi)比較相同的測試條件下，英語和漢語兩種語言的主觀語言清晰度(可懂度)得分及其與客觀語言清晰度參數(shù)STI的關(guān)系.結(jié)果表明，采用漢語為母語的聽音人評價(jià)得到的漢語和英語語言清晰度(可懂度)得分與STI具有較高的相關(guān)性，主觀語言清晰度(可懂度)隨STI增大而增加.采用韻律測試字表進(jìn)行測試時(shí)，漢語清晰度得分比英語高;采用HINT句表進(jìn)行可懂度測試，當(dāng)STI較高(對應(yīng)于信噪比較高)時(shí)，漢語句子的可懂度比英語的高，而當(dāng)STI較低(信噪比較低)時(shí)，英語可懂度比漢語的高.以漢語為母語的聽音人需要進(jìn)行英語交流的場合，必須盡可能改善聽音人位置的客觀聲環(huán)境，以保證較高的STI值，獲取良好的語言清晰度(可懂度).這些結(jié)果將為語言用廳堂的聲學(xué)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù).

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