骨导振子佩戴位置对重放声的影响∗

王杰 严志豪 杨乔赫 陆锡坤 陈运达 桑晋秋

(1 广州大学电子与通信工程学院 广州 510006)

(2 中国科学院声学研究所 噪声与振动重点实验室 北京 100190)

(3 中国科学院大学 北京 100049)

0 引言

听觉系统产生声音的方式分为气传导和骨传导(Bone conduction,BC)两种。气传导中声音依次经过外耳、中耳和内耳，最终刺激基底膜并且在神经元上产生听觉。骨传导则是利用头骨振动接收和传递声音信号，骨导设备的核心器件为骨导振子，是将电信号转化为声振动信号的换能器。骨传导具有抗干扰能力强、在空气中声音不易泄漏等特点，因此在军事、民用化学、紧急救援等复杂危险的环境中有明显的优势。骨传导传播的路径主要有以下5种[1]：(1)骨导振动在耳道中产生辐射声；(2)骨导振动引起中耳听小骨运动从而产生声音；(3)骨导振动引起耳蜗液的惯性运动；(4)骨导振动使耳蜗壁伸缩引起耳蜗液流动；(5)脑脊液的压力传递。人体头部相当于一个复杂的机械系统[2]，具有多种振动模式和非线性等特性。声音经过骨导振子在头部传输时，在不同位置的传输特性和衰减不同，所以骨导振子的不同佩戴位置会影响骨传导声重放的音质和清晰度，从而影响听音者检测和识别声音的能力。目前骨传导助听器和耳机已受到越来越多的关注和应用。骨传导耳机可以避免因耳道长期封闭而对耳膜带来的损伤，也让使用者在接收耳机信号的同时能保持对现场环境声信息的敏感性，因此，在很多场合如运动、驾驶、公共场所以及军事领域得到了广泛应用。寻找骨导振子的最佳位置可以减少设备功耗和增长设备使用时间，减轻长时间使用中因音质不佳和清晰度不足带来的疲劳感，提升用户的体验。

听力阈值是指人感知声音的最小响度，测量骨导振子在人体头部不同位置耦合下的听力阈值可表明不同位置间的灵敏性差距。语言清晰度是衡量信号可理解程度的评价指标，与气传导耳机相比，骨传导耳机在语言清晰度存在差距。音质对于骨导耳机的推广和应用而言也非常重要，不同位置耦合下的骨导耳机会产生不同的音质。本文将围绕这3个方面进行实验研究，为探究骨导振子的最佳佩戴位置提供依据。

近年来骨传导的非临床研究获得了一定的发展，一些研究者在骨传导的听力阈值和清晰度方面进行了相关研究。Studebaker[3]测量了前额、乳突和顶点3个位置的纯音听力阈值；McBride等[4]基于军事应用需求研究骨导耳机在11个位置的听力阈值，结果显示髁骨位置听阈总体最低；Tran等[5]研究骨传导传声器在头部11个位置和锁骨佩戴时录制的信号强度，结果表明信号强度明显依赖于骨导传声器佩戴位置。Dobrev等[6]研究骨传导助听器在不经皮传输时不同位置佩戴的效果，发现髁骨位置比乳突能产生更低阈值和更高耳蜗鼓岬速度。上述研究仅考虑位置因素对骨传导灵敏性的影响，没有考虑对语言清晰度和主观音质的影响。Gripper等[7]利用呼号测试方法在髁骨位置上进行骨传导语声清晰度测试，发现信噪比因素影响语言清晰度得分；Osafo-Yeboah等[8]同样采用呼号测试方法，实验表明髁骨和乳突在清晰度得分上没有显著统计学差异；Stanley等[9]采用诊断押韵测试方法，实验显示髁骨和顶点位置在清晰度得分上存在显著统计学差异。Fujimoto等[10]使用日本音节字表作为清晰度的测听材料，发现在堵耳条件下的骨传导清晰度得分比气传导高。呼号测试方法的语声材料是数字和军事术语组成，诊断押韵测试的语声材料是由英语对话组成，以上骨传导语言清晰度研究主要针对军事术语或者其他外语，目前对于汉语的测试尚未见有报道。

本文将进行3部分实验，首先对不同佩戴位置测试听力阈值，分析灵敏性和传输性能；然后采用汉语清晰度测试音节表探讨不同佩戴位置情况下的信噪比因素、背景噪声类型对骨传导语言清晰度的影响；最后利用对偶比较法对不同佩戴位置下的骨导振子进行重放声效果的主观音质评价实验。综合3个实验结果，选择最佳骨导振子佩戴位置。

1 实验环境、设备和人员

本文实验在听音室内进行，房间大小为6.78 m×3.51 m×2.26 m，混响时间约为250 ms，背景噪声大小为21 dB SPL。实验测量仪器包括计算机、声卡(型号为Fireface UFX II)和骨导振子(RadioEar B81)。选取头部6个佩戴位置，分别为乳突、髁骨、前额、耳廓上方、下颌骨和太阳穴，如图1所示。所有实验均为单耳测试，分别对6个位置的全部或部分进行了测试。受试者均为听力正常的11名研究生，能够熟练地读写汉语，年龄范围23～25岁。参加测试人员都没有进行过主观听音训练和测试。

2 听力阈值测量实验

2.1 实验方案

人体头部各个位置上的皮肤厚度和头骨结构都不相同，导致骨导振子在头部不同位置耦合会引起声信号的传输效率不同。听力阈值是指人耳感知声音的最小响度，可用于分析骨导振子在不同位置间的灵敏性差距。本实验主要目的是通过比较接收纯音信号的能力来确定骨导振子B81在受试者头部的最佳耦合位置和不利的接触点。选取图1中的6个位置佩戴骨导振子。

图1 头部位置示意图Fig.1 Head position diagram

听力阈值测量的国际标准共有两种，分别为上升法和升降法[11]，本文采用升降法进行阈值测量，图2为升降法测量的过程。实验测量选取250 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz、4000 Hz和8000 Hz共6个频点。相邻的峰和谷记为一个测量流程(上升过程或者下降过程)，一个测量流程内步长不变，图2中每个实心圆点代表一个步长。一次听力阈值测量共需10次测量流程，其中步长在第1、第2、第4、第6、第8个流程后减半，初始的步长为32 dB。

图2 升降法测量过程Fig.2 Lifting method measurement process

具体步骤如下：首先进行熟悉实验，调整输出音量至合适大小，使测试者能清晰听见并且做出反应，确定该音量为初始值；测试者做出反应后，以规定的步长降低音量，若测试者依然能听到，则继续按步长降低音量，直到测试者听不见，记为下降测量流程；然后以规定步长提高输出音量，直到做出反应，记为上升测量流程；反复进行下降和上升测量流程，取最后两次的上升过程的峰和下降过程的谷的平均作为听力阈值。

2.2 不同位置下听力阈值的对比和分析

图3为6个位置的平均听力阈值的测量结果曲线，横坐标表示测量频率，纵坐标表示听力阈值相对于声卡内部电压的相对电平，单位为听力阈值相对级。每个佩戴位置点的听力阈值的频率曲线存在相似的变化范围特征，250～1000 Hz为下降趋势，1000～4000 Hz相对平坦，4000～8000 Hz为上升趋势。低频段(250 Hz,500 Hz)听力阈值高于中高频段，一部分原因可能是骨导振子在低频的振动容易产生的触觉，影响到听力阈值的判断。听力阈值在1000～4000 Hz范围内相对较低，表明在产生同样响度的条件下骨导振子需要较低的电输入信号，传输效率更高。

图3 骨传导6个位置的平均听力阈值Fig.3 Average hearing threshold of 6 positions of BC

由图3也可以看出，髁骨的听力阈值最低，乳突位置次之。乳突位置是美国国家标准协会(ANSI)进行BC听力测试的标准放置位置。将乳突位置测量值作为参考点，与其他位置的结果进行比较。实验结果显示在测试频域内髁骨位置的听力阈值均低于乳突位置，平均每个频率点低8.7 dB；在大部分频率点上，其余4个位置听力阈值均高于乳突。这与文献[4]和文献[12]中的结论是一致的：文献[4]的实验验证了髁骨位置在各个频率点上总体最低；文献[12]表明在耳道开放和堵塞的情况下，髁骨位置的听力阈值比乳突位置的低，听力阈值测量曲线总体也呈现“U”的形状，其中开放耳道时乳突位置在4000 Hz处阈值最低，髁骨位置在1000 Hz处阈值最低，这与本文的实验结果一致。不同佩戴位置产生不同的听力阈值的原因，可能是髁骨和乳突位置距离耳蜗最近因而声信号能量的衰减较其他位置少，前额其他位置最远所以衰减较大。另外骨导振子佩戴在髁骨时，可能也会引起耳廓附近空气振动，进而导致一部分声音信号进入耳内，从而降低听力阈值，因此髁骨位置听力阈值最低。

3 骨传导语言清晰度实验

3.1 实验方案

本文的语言清晰度实验研究在不同背景噪声类型和信噪比情况下骨导声的清晰度，通过骨导声清晰度得分可以进一步验证骨导设备佩戴位置是否合适。与西方语言属于无声调语言不同，汉语是由声母、韵母和声调组成的声韵调结构。汉语在听感上有拼合感，西方语言如英语则更有滑动感。汉语的音素和声调都具有不同的时频特点，能携带不同的信息量。复杂的环境中，声母更容易受到噪声干扰。本文清晰度实验的语声材料使用国家标准GB15508—1995的汉语清晰度测试音节表—KXY表[13]。

标准的KXY表一共有10张，每张75个音节(每个音节对应一个汉字)，选取其中一张的片段如表1所示。为避免测试时记忆和熟悉度影响测试结果，每次实验都需要将平衡字节表随机乱序组合再生成测试信号。3个音节为一组，生成时需要使用引导语句，如“第一组是：xxx”，x代表一个音节。利用Neospeech TTS语声库生成语声测试材料，采样率为16 kHz。语声测试材料考虑两种背景噪声类型(白噪声和babble噪声，来自NOISEX-92噪声库)和3种信噪比(5 dB、0 dB、−5 dB)。

考虑实际情况中可佩戴的部位，本实验中受试者仅在图1中选取3个测量位置(髁骨、乳突、太阳穴)佩戴骨导振子，并且和气传导耳机(森海塞尔IE800)进行对比。测试时随机播放测试音节表，受试者记录所听到的音节。语言清晰度得分为正确音节数占测试音节总数的百分比。

表1 一张语言清晰度测试音节表Table 1 Fragment of syllable table of sp eech intelligibility test

3.2 骨传导语言清晰度实验结果和分析

为了探究在不同信噪比下的骨传导的语言清晰度得分的差异，同时比较与气传导的差距，将白噪声分别在5 dB、0 dB和−5 dB三种信噪比条件下加入纯净语声，并测量髁骨、乳突、太阳穴以及气传导佩戴方式下得到的主观汉语语言清晰度得分，如图4所示。在3种信噪比下，骨传导的清晰度得分均比气传导低。当信噪比为5 dB时，气传导的清晰度得分较太阳穴、乳突和髁骨高22.4%、8.5%和4.7%；信噪比为0 dB时，较3个位置分别高26.6%，6.5%和4.1%；信噪比为−5 dB时为40.2%，15.4%和9.8%。这表明气传导的总体性能优于骨传导。骨传导的汉语语言清晰度得分总体趋势随着信噪比的提高而上升。如图5所示，babble噪声也得到了类似的结论。

图4 白噪声下汉语语言清晰度得分Fig.4 Chinese speech intelligibility score under white noise

图5 babble噪声下汉语语言清晰度得分Fig.5 Chinese speech intelligibility score under babble noise

白噪声信噪比由−5 dB变化为0 dB时，3个测量位置的平均清晰度得分提升31.3%，信噪比由0 dB变化为5 dB时提升了8.7%，同理babble噪声，分别提升17.7%、5.9%。在信噪比变化相同的情况下，白噪声比babble噪声对骨传导的清晰度得分影响更大。

进一步，为更好地观察骨导振子3个佩戴位置的清晰度差异，表2给出不同位置间汉语语言清晰度得分的变化。

表2 不同测量位置下汉语语言清晰度得分变化Table 2 Changes in Chinese language intelligibility scores under different p ositions

由表2可知，髁骨在3个测量位置中清晰度得分最高，乳突位置次之，太阳穴位置最低。测量位置从太阳穴到髁骨变化时，白噪声下信噪比分别为5 dB、0 dB和−5 dB时，清晰度得分提升了16.8%、21.6%和27.7%；在babble噪声同样情况下，提升13.9%、14.7%和15.4%。测量位置从乳突到髁骨变化时，白噪声下信噪比分别为5 dB、0 dB和−5 dB时，清晰度得分提升3.6%、2.3%和5.1%；在babble噪声同样情况下，提升3.5%、1.5%和4.2%。相同的信噪比和背景噪声时，测量位置的改变会影响清晰度得分。太阳穴位置变化到髁骨时，清晰度得分提升明显，乳突到髁骨变化时，清晰度提升相对较小。这表明骨导振子的位置对语言清晰度影响较大。

探究骨传导佩戴位置因素对语言清晰度得分的影响，以及比较不同佩戴位置与气传导是否存在显著性差异，对如图4所示白噪声的3种信噪比的清晰度得分进行ANOVA方差因素分析，结果如表3所示。乳突、髁骨、太阳穴和气传导的清晰度得分在3种信噪比下均为显著性差异。事后检验(Post hoc test)采用最小显著性差异法(Least signif icant difference,LSD)，结果显示在5 dB(P=0.342)、0 dB(P=0.529)和−5 dB(P=0.484)三种条件下，髁骨和乳突的清晰度得分不存在显著统计学差异，髁骨和太阳穴在3种信噪比下则均存在显著差异。方差分析结果与已有文献[8]和文献[9]的结论类似：文献[8]使用呼号测试方法也发现髁骨和乳突不存在显著统计学差异；文献[9]在黑鹰直升机背景噪声下使用诊断押韵测试方法，发现位置因素(髁骨、乳突、顶点)在统计学上存在显著的总体影响，事后多重比较表明髁骨和顶点存在显著差异，髁骨和乳突不存在显著差异。由上述分析可知，测量位置对清晰度得分在统计学上存在显著的总体影响，但需进行事后多重比较分析具体测量位置组别之间的差异。

表3 乳突、髁骨、太阳穴和气传导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 骨传导音质主观评价实验

4.1 实验方案

听觉的主观心理实验是通过实验用统计分析的方法将模糊的主观感觉量化，总结出其所蕴含的规律[14]。常用的心理尺度构造方法有对偶比较法、排序法、语义细分法和分级评分法等。在主观音质评价领域，通常采用如下两种方式进行：语义细分法和对偶比较。语义细分法是用若干语义不同的形容词描述被评价对象；对偶比较法则是随机抽取一对被评价对象让测试者进行偏好选择。与语义细分法相比，对偶比较法可以避免测试者对评价标准中的形容词不确定性引起的影响。因此本文音质主观评价实验采用对偶比较法研究骨导声在不同位置的音质效果。

对偶比较法是通过被评价对象的两两比较关系来间接地估计出所有被评价对象地相对心理尺度。具体实验步骤如下：分别生成3种测听音乐材料，包含男女声流行音乐和弦乐。对图1头部的6个位置点进行两两配对共15组，佩戴B81骨导振子，每组根据骨导声重放的音质效果，进行偏爱选择。3种测听音乐材料按照相同响度进行播放，每次骨传导音质主观评价需进行45次实验，进行比较时不考虑两两配对的先后顺序组合。

4.2 骨传导主观音质评价实验结果和分析

图6为在男声、女声和弦乐3种测试音乐下6个位置的音质心理尺度得分。对偶比较法构造心理尺度的基本原理是认为心理量是符合正态分布的随机变量[15]。具体操作为先两两比较后统计出偏爱度选择概率；然后通过正态分布(方差为1，均值为0)将偏爱度选择概率转换为偏爱度正态变量，设最偏爱评价对象的心理尺度是100，最不偏爱的心理尺度为0；最后运用线性变换求出其他评价对象的心理尺度。在男声、女声和弦乐中，髁骨的心理尺度均为最高分数，乳突位置次之，下颌骨表现最差。男声的测试结果发现髁骨的评价尺度得分与乳突评价尺度得分相差31，与太阳穴相差39；女声的测试条件下髁骨和乳突、太阳穴分别相差35、94；弦乐测试条件下髁骨和乳突、太阳穴分别相差49、78。当佩戴位置变化时，女声和弦乐评价尺度变化范围比男声大。位置因素对女声和弦乐的骨传导重放的音质影响更加明显，男声对于位置因素敏感性相对较低。骨导声的传输是通过头部的颅骨、软组织和体液的振动传播。测量位置不同颅骨和软组织密度也不相同，声信号的失真也不相同，这可能是引起不同位置间的音质评价不同的原因。

图6 主观听音评价得分Fig.6 Subjective sound quality evaluation score

5 结论

本文对不同佩戴位置下的骨传导设备进行听力阈值测量、骨传导音质主观评价和语言清晰度实验，研究位置因素对骨导重放声的影响。由听力阈值测量实验结果可知，髁骨是灵敏度最高的测量位置，乳突次之，骨导振子在1000～4000 Hz范围内传输效率相对较高。由语言清晰度实验结果可知，气传导在清晰度的总体性能优于骨传导，背景噪声类型和信噪比影响骨传导语言清晰度得分，不同位置的骨传导语言清晰度得分也存在差异，其中髁骨得分最高。主观音质评价中，髁骨在3种测试音乐下得分最高，下颌骨表现最差，位置变化对女声和弦乐的骨传导重放的音质影响明显。本文的研究可为骨导振子佩戴位置的选择及骨传导耳机/助听器的设计提供依据，为声重放质量的改进提供参考，有助于提升骨传导声重放的性能。