扩声系统对小学教室汉语语言清晰度的影响*

彭健新 王丹

(华南理工大学 物理与光电学院， 广东 广州 510640)

扩声系统对小学教室汉语语言清晰度的影响*

彭健新 王丹

(华南理工大学 物理与光电学院， 广东 广州 510640)

在3间不同混响时间的小学教室内通过汉语语言清晰度评价，研究小学课堂教学中使用扩声系统与不使用扩声系统时不同年龄的儿童在教室内的汉语语言清晰度得分.结果表明：不管是3年级儿童还是5年级儿童，室内干扰噪声级较高(60 dBA)时，与使用扩声系统使听音位置声压级达到75 dBA时的汉语语言清晰度得分相比，不使用扩声系统和使用扩声系统但听音位置的声压级为70 dBA时的汉语语言清晰度得分得到明显改善；但与在较低的教室环境噪声条件下、教师采用正常语言声压级授课时的汉语语言清晰度得分无显著差异.为了得到与不使用扩声系统时相同的汉语语言清晰度得分，教室内使用扩声系统时所需信噪比应比不使用扩声系统时高.

扩声系统；混响时间；汉语语言清晰度；信噪比；小学教室

小学教室是儿童学习知识、获取知识的主要场所，良好的教室声环境能够保证儿童在课堂上听清教师的授课内容，实现师生间正常的言语交流.为了保证教室内具有较高的语言清晰度，一些研究者提出在教室内采用声音放大系统来改善信噪比，以提高室内语言清晰度[1- 6].Larsen等[2]比较研究了在大学教室安装扩声系统与否对语言识别的影响，结果表明安装扩声系统后提高了大学生的言语识别率.大量研究证实[6- 11]扩声系统能改善听力正常儿童和具有听力发育障碍儿童的言语识别效果，提高他们的课堂学习效果.但是，Dockrell等[12]通过研究指出：声音放大系统只有在教室声学环境较差的条件下能改善儿童对教师授课内容的理解.由于使用声音放大系统提高了室内的语言声压级，为了保护儿童听力并避免干扰邻室，美国声学学会和有关官方机构[13]建议：对于典型的主流小教室，声音放大不应该作常规使用，而应通过声学处理(如在教室天花上敷设吸声材料)来降低室内混响和噪声，保证良好的师生语言交流环境.但是，这些结果均是采用西方语言进行研究，而汉语是声调语言，它有别于西方语言，已有研究表明，相同条件下不同语言的语言清晰度存在差异[14].文中在广州市选取3间不同混响时间的小学教室并安装相同的扩声系统，通过汉语语言清晰度评价，在小学课堂教学中使用扩声系统与不使用扩声系统条件下，比较研究不同年龄的儿童在教室内的汉语语言清晰度得分，为营造良好的小学教室听闻环境提供实验依据.

1 实验方法

在广州市选取3间具有不同混响时间的小学教室，教室尺寸分别为9.35 m×7.90 m×3.70 m(A)，8.60 m×6.15 m×3.25 m(B)，9.35 m×7.90 m×3.15 m(C).3间教室平面均为矩形，其中A、B两间教室未做吸声处理，两侧墙除窗户外，均为抹灰涂漆；前后墙各有一块黑板，其余为抹灰涂漆，天花为抹灰涂漆，地面铺瓷砖，并放置45张课桌；教室C经过吸声处理，天花上装有矿棉吸音板，其余界面与A、B相同.每间教室内安装了一套WDA-700无线教学扩声系统，该扩声系统的两个扬声器(LS1、LS2)安装在教室前墙的上方.在教室后墙两角离地面1.5 m高处放置两个播放噪声的扬声器(NS1、NS2).测试时，每间教室选取4个听音位置(R1-R4)，听音位置和扬声器布置如图1所示.图中位于讲台的声源S为近似人嘴指向性的扬声器以模拟人声声源(JBL-LSR6325P).汉语语言清晰度测试前，在使用和不使用扩声系统条件下分别测量各听音位置的房间脉冲响应，采用Dirac声学软件计算各听音位置的500～1 000 Hz倍频带的混响时间T30，3间教室的T30平均结果统计如表1所示.

图1 听音位置及扬声器布置

教室T30/s不扩声扩声环境噪声级/dBA语谱干扰噪声级/dBAA0.981.0049.861.8B0.810.8151.860.0C0.440.4248.160.4

汉语语言清晰度评价按照国家标准GB4959—85采用打圈法进行.每张测试字表25行，每行由5个声母不同、韵母相同的汉字构成.随机播放测试字表，由听音人圈出所听到的字.汉语语言言语识别评价所用的测试信号在消声室录制而成，然后采用Cool Edit Pro编辑测试信号，并插入适当的静音信号，以便听音人记录.同时采用粉红噪声产生与测试信号具有相同频谱特性的语谱噪声信号供测试用.

测试在自然教室环境噪声(测试条件T1)和语谱噪声(测试条件T2至T4)条件下进行.语谱噪声由放置在教室后墙的左右墙角的两个扬声器(NS1、NS2)重放，此时听音位置的噪声为语谱噪声与室内环境噪声的叠加.其中：测试条件T1代表安静(自然环境噪声)时教师以正常声压级授课；测试条件T2代表教室内背景干扰噪声级较高，教师采用抬高的语言声压级授课；测试条件T3和T4代表两种不同语言声压级的扩声场合.在不使用扩声系统时，汉语语言清晰度测试信号直接通过扬声器重放.重放时，扬声器位于讲台中间，高度为1.5 m；调节扬声器音量使测试信号在听音位置R2处的语言声压级分别为60 dBA(条件T1)和65 dBA(条件T2).在使用扩声系统时，扬声器播放的汉语语言清晰度测试信号由传声器拾音后经扩声系统放大后播放，其在听音位置R2处的测试信号声压级分别为70 dBA(条件T3)和75dBA(条件T4).

在进行主观评价测试的同时，采用传声器记录不同测试条件下听音位置的背景噪声级和语言声压级，从而计算出教室内4个听音位置在不同测试条件下的信噪比(SNR)以及教室内的平均环境噪声(背景噪声)级、语谱干扰噪声级(与背景噪声叠加)，结果如表1所示.

在被测试的教室所在学校选取听力正常的小学3、5年级儿童分别参加测试.其中，3年级儿童年龄为8～9岁，5年级儿童年龄为10～11岁.每种测试条件下，每个听音位置处共4位听音人参加两张字表(男女声字表各1张)测试，汉语语言清晰度得分为在该条件下4位听音人8张字表的汉语语言清晰度得分的平均值.

2 结果与讨论

通过3、5年级儿童在不同混响时间的教室内的主观汉语语言清晰度评价，得到不同测试条件(T1-T4)下的汉语语言清晰度得分.图2为不同测试条件下得到的不同年级儿童在教室内的主观汉语语言清晰度得分及标准偏差.由图2可知，不管是3年级儿童还是5年级儿童，在语谱噪声条件下，与不使用扩声系统(测试条件T2)、采用扩声系统但听音位置R2的声压级为70 dBA(测试条件T3)两种测试条件相比，在采用扩声系统、听音位置R2的声压级达到75 dBA(测试条件T4)的条件下，教室内的平均汉语语言清晰度得分得到明显改善，而与在教室自然环境噪声条件下听音位置R2的声压级为60 dBA时的平均汉语语言清晰度得分差异较小.语谱噪声条件下，使用扩声系统使听音位置R2的声压级达到70 dBA(测试条件T3)时每间教室内的平均汉语语言清晰度得分与不使用扩声系统(测试条件T2)时的平均汉语语言清晰度得分差异较小.

图2 不同年级儿童在不同教室内、不同测试条件下的汉语语言清晰度得分及标准偏差

Fig.2 Chinese speech intelligibility scores by children in different grades under different test conditions in different classrooms

另一方面，由图2可以看出，在相同测试条件下，5年级儿童的主观汉语语言清晰度得分高于3年级儿童，儿童在教室内的汉语语言清晰度得分随年龄增加而增大.不同年级的儿童在教室内的汉语语言清晰度得分随混响时间的缩短而提高.

方差分析结果表明：混响时间、儿童年龄对儿童在教室内的汉语语言清晰度得分存在显著性差异(P<0.05).由于汉语中高频的声母对清晰度起决定作用，而文中实验采用打圈法，测试字的韵母相同，而声母不同，因此在混响较长的教室内，语言信号中高频成分容易被掩蔽掉，从而导致声母信息的丢失而造成语言清晰度的降低[15]；而且儿童听觉功能和认知功能随儿童年龄增大逐渐完善，因而儿童年龄越大，其汉语语言清晰度得分越高[16].

为了比较不同年级儿童在不同混响时间的教室及不同测试条件下汉语语言清晰度得分的差异，采用最小显著差数(LSD)法对儿童在教室内的汉语语言清晰度得分进行检验，结果如表2所示.表2表明：对于3、5年级儿童而言，在3间不同教室(不同T30)内，测试条件T2的汉语语言清晰度得分与测试条件T1和T4的汉语语言清晰度得分有显著性差异(P<0.05)，而与测试条件T3的汉语语言清晰度得分无显著性差异(P>0.05).除5年级教室B外，测试条件T1与T4的汉语语言清晰度得分之间没有显著性差异(P>0.05).这表明教室内干扰噪声级较高时的汉语语言清晰度得分显著低于干扰噪声级较低时的得分；当采用扩声系统提高语言声压级从而大幅提高性噪比时，相应的汉语语言清晰度得分亦能显著提高；为了在教室内得到与教室在安静环境下教师以正常声压级授课(测试条件T1)时同样高的语言清晰度得分，在干扰噪声级较高时需提高室内语言声压级至75 dBA左右(测试条件T4).这表明在干扰噪声级较高时，小学教室内采用扩声系统将语言信号放大到较高的语言声压级能改善教室内的汉语语言清晰度.

表2 不同测试条件下不同年级汉语语言清晰度得分差异显著性比较Table 2 Comparison of significance in difference for Chinese speech intelligibility scores under different test conditions

1)“*”表示具有显著性差异.

为了进一步分析教室内采用扩声系统对提高儿童在教室内的汉语语言清晰度得分的作用，图3给出了在不同测试条件下的听音位置SNR与汉语语言清晰度得分的关系.采用线性拟合分析扩声与不扩声条件下3、5年级儿童在教室内的汉语语言清晰度得分随SNR的变化趋势，其拟合相关系数和标准偏差如表3所示.由图3可以看出：使用扩声系统与不使用扩声系统时3、5年级儿童在教室内的汉语语言清晰度得分均随着SNR的增加而提高；但在相同SNR条件下，使用扩声系统时的汉语语言清晰度得分比不使用扩声系统时要低；换句话说，要得到与不使用扩声系统时相同的汉语语言清晰度得分，使用扩声系统时需要更高的信噪比.由于教师一般是在较高的室内干扰噪声级时才使用扩声系统，在相同SNR条件下，使用扩声系统时的语言声压级和干扰噪声级均比不使用扩声系统时高.

图3 使用扩声系统与不使用扩声系统时的汉语语言清晰度得分与SNR的关系

Fig.3 Relationship between Chinese speech intelligibility score and SNR with and without soundfield system

已有的针对成年人的研究结果表明：语言清晰度得分与测试时的干扰噪声级和语言声压级有关，在高背景噪声(50 dBA)条件下,即使语言声压级为65 dBA，其汉语语言清晰度得分仍比低噪声(30 dBA)条件下语言声压级为60 dBA时的汉语语言清晰度得分低[15]，这一差异的趋势随语言声压级的增大而减小；而对于儿童来说，其结果与成年人类似[16].这表明此结论也适用于使用扩声系统的场合.而且，当干扰噪声级较高时，信噪比达到20 dB以上后其汉语语言清晰度得分随声压级的增加而逐渐减小[15- 17].因此，应该尽量控制室内干扰噪声，以保证教师授课时能获取更好的室内语言清晰度；当教室内干扰噪声级较高(如60 dBA)时，应使用扩声系统提高室内语言声压级，保证室内信噪比在15 dBA以上，以确保教室内具有较好的汉语语言清晰度.

表3 汉语语言清晰度得分与SNR间的相关系数和标准偏差

Table 3 Correlation coefficient and standard deviation between Chinese speech intelligibility score and SNR

年级扩声/不扩声相关系数标准偏差/%3不扩声0.753.35不扩声0.732.73扩声0.792.75扩声0.881.6

3 结论

文中通过具有不同混响时间的小学教室的室内汉语语言清晰度评价，研究小学课堂教学中使用扩声系统与不使用扩声系统条件下不同年龄的儿童在教室内的汉语语言清晰度得分，结果表明：教室内混响时间越短，汉语语言清晰度得分越高；儿童年龄越大，相同条件下的汉语语言清晰度得分越高.不管是3年级还是5年级儿童，在高干扰噪声级条件下，使用扩声系统使听音位置语言声压级达到75 dBA(测试条件T4)时教室内的平均汉语语言清晰度得分均比不使用扩声系统(测试条件T2)和使用扩声系统但听音位置的声压级为70 dBA(测试条件T3)时的平均汉语语言清晰度得分得到明显改善；而与在教室自然环境噪声条件下教师采用正常语言声压级授课(听音位置的声压级为60 dBA)时的平均汉语语言清晰度得分差异较小.使用扩声系统与不使用扩声系统时3、5年级儿童在教室内的汉语语言清晰度得分均随着SNR的增加而提高；但使用扩声系统时需要更高的信噪比才能达到与不使用扩声系统时相同的汉语语言清晰度得分.小学教室应该尽量控制室内的背景干扰噪声，以保证教师授课时能获取更好的室内语言清晰度；当教室内干扰噪声级较高(如60 dBA)时，应使用扩声系统提高室内语言声压级，以保证室内信噪比在15 dBA以上，从而保证教室内具有较好的汉语语言清晰度.

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Effect of Sound Reinforcement System on Chinese Speech Intelligibility in Primary School Classrooms

PENG Jian-xin WANG Dan

(School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Chinese speech intelligibility was evaluated in 3 primary school classrooms with different reverberation time under the conditions with or without sound reinforcement system for children of different ages. The results show that, for both Grade 3 and Grade 5 children, when the interfered noise level in classrooms is relatively high (60 dBA), not only the Chinese speech intelligibility scores without the sound reinforcement system but also the scores with the sound reinforcement system at a sound pressure level of 70 dBA are significantly improved and are higher than the scores with the sound reinforcement system at a sound pressure level of 75 dBA. However, these intelligibility scores are not significantly different from those obtained under the condition that the teacher uses normal speech sound pressure level to teach in quieter environmental noise conditions. It is thus concluded that, in order to obtain a speech intelligibility score equaling that without sound reinforcement system, a higher signal-to-noise ratio is needed when the sound reinforcement system is used.

sound reinforcement system; reverberation time; Chinese speech intelligibility; signal-to-noise ratio; primary school classroom

2016- 09- 28

国家自然科学基金资助项目(11374106) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(11374106)

彭健新(1968-)，男，博士，教授，主要从事建筑声学、环境声学、功率超声等的研究.E-mail:phjxpeng@163.com

1000- 565X(2017)06- 0025- 06

O 422.9

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.005