正常人全方向72声源水平定位能力初步研究

李楠，李思阳，刘晶，王倩，陈艾婷，洪梦迪，冀飞

助听设备技术的提高能够极大程度改善言语康复的疗效。在此基础上，更多的患者希望进一步提高生活质量，对声音方向性的要求相应变得更高。声源定位也逐渐开始成为评估患者助听效果的重要指标。

人耳对声源位置的感知包括水平方向、垂直方向以及距离3个方面。Rayleigh[1]在1907年第一次用耳间差异的概念分析声源位置，原理是通过双耳时间差和双耳强度差定位声音的水平位置，其中低频信号的定位主要依赖双耳时间差线索，高频信号则对声音到达双耳的强度差更为敏感。Risoud[2]等人研究表明在进行水平面方向上的定位时，正常人会出现一种“混淆圆锥”的生理现象，也就是对水平轴呈镜像对称的两个声源位置分辨不清[2]。此外，人耳会通过头部以及耳廓识别的频谱线索定位声音的垂直角度，并使用直达声与混响声能量比判断声音的远近。自由声场中与声源距离每增加一倍，到达人耳的声强则衰减6 dB，由于高频声音在传播过程中会更快地衰减，所以在定位高频声音时相较低频更困难[2]。

既往针对360°全方向多声源定位的研究较少。利用分布在受试者周围360°的全方向声源，可在较大程度上还原日常生活中声源来自各个方位角度的场景，更全面地反映整体声源定位能力。本研究对听力正常人应用360°全方向72声源进行方位辨别测试，寻找正常人声源定位规律，探索和分析双耳聆听线索对正常人声源定位的影响，为后续研究听力损失患者声源定位能力以及使用助听设备干预后的康复疗效提供临床依据。

1 资料与方法

1.1 测试对象 本研究共纳入14例听力正常受试者，其中男3例，女11例，年龄区间为19～42岁，平均年龄（31.4±7.2）岁。全部受试者均为耳科正常人，无耳科疾病史和家族史，双耳500 Hz～4 kHz平均纯音听阈为（7.5±4.3）dB HL，日常交流语言为汉语普通话，接受测试前均已签订知情同意书。

1.2 测试设备本研究测试设备为360°声源定位系统（北京百特声学科技有限公司），由360°环形陈列、72个均匀分布的扬声器组成。扬声器阵列直径3 m，相邻两个扬声器间隔5°。测试前设备输出声信号按GB/T 16296.2-2016进行校准[3]。

1.3 测试流程测试在标准隔声屏蔽室内进行，测试时受试者坐于设备的中心点位置（距离扬声器1.5 m），扬声器与受试者双耳处于同一水平高度。声源定位扬声器按1～72号顺序排列，其中0°入射角对应19号扬声器。测试前先使受试者熟悉测试的声源数量及分布，并在面前的平板电脑上显示出对应的平面示意图（图1-a）。测试过程中，当受试者听到声音后，将其所认为发出声音的声源序号在平面示意图上进行指认，指认完成后按下确认按钮，即完成一次应答。测试所用频率为0.25 k、0.5 k、0.75 k、1 k、1.5 k、2 k、3 k、4 k、6 k和8 kHz共10个频率，刺激声信号为啭音，刺激声给声时间为1～2 s，后留有15 s的时间供受试者应答，应答后下一刺激声立即开始，若15 s内无应答则跳过本次，下一刺激声正常发出。选取给声强度为受试者纯音听阈阈上20～30 dB，保证其听声清晰且舒适。测试过程中给声频率随机且乱序，测试总时长约为45 min。

图1 全场72声源测试布局示意图

所有受试者首先接受1轮练习测试。练习测试使用均匀分布的24个声源（两两间隔15°），目的在于使受试者掌握声源分布、测试流程、刺激信号及信号持续时间，为避免正式测试时因不熟悉流程影响测试结果。正式测试采用全方向72声源，测试中共给声144次，每个扬声器随机顺序发声2次。测试过程中受试者需保持头位不动，身体放松且尽量不变换坐位。测试人员记录受试者应答和真实给声的扬声器编号，计算二者角度偏差从而判断受试者定位声源的准确性。

为便于数据分析，在本研究中，受试者正前方和正后方记为0°和180°，正左和正右方位记为+90°和-90°，以-45°，+45°，-135°，+135°四个点为分界，将声源平均分为弧度为90°的前场（顺时针方向+45°～-45°）、后场（顺时针方向-135°～+135°）、左场（顺时针方向+135°～+45°）和右场（顺时针方向-45°～-135°）4个测试区域（图1-b）。

1.4 数据分析本研究将受试者响应进行关于图1-a中水平参考轴对称之后的角度与真实扬声器所在角度偏差不超过10°记为定位正确。进行对称修正处理的原则是：真实给声音箱角度与受试者反应角度分别位于水平参考轴的两侧且对称后两角度值落在同一象限内（0°～90°或90°～180°或0°～-90°或-90°～-180°）。分别计算镜像处理前后的均方根（root mean square,RMS）值，计算公式如下：

为探讨不同频率声音与定位能力的关系，将250 Hz～750 Hz、1 kHz～3 kHz、4 kHz～8 kHz声音分别定义为低、中和高频段，并计算RMS值。此外，

针对区域性的定位能力，本研究分别计算前、后、左、右4个测试区域内定位正确的次数及比例，比较4个区域的声源定位能力的差异，统计分析受试者水平声源定位的总体特点及规律。

1.5 统计学分析应用SPSS21.0软件。实验数据需做多重比较，故采用BONFERRONI事后检验法（PostHocComparison）比较前、后、左、右4个区域间定位正确性的差异，分析听力正常人定位整体趋势并得出定位能力规律，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 “镜像现象”在本研究获得的正常听力受试者的360°全方向72声源定位结果中，存在关于参考轴对称的“镜像现象”，即对水平轴呈镜像对称的两个声源位置分辨不清。因此，在考虑正常人整体的定位效果时，若不对数据进行对称修正，则会因RMS值过大而导致出现和以往正常人声源定位研究相悖的结果，影响正常人对于360度声源的总体定位准确性。本研究的14例受试者全部出现了“镜像现象”。

2.2 声源定位刺激响应分布规律图2显示了听力正常人声源定位的原始刺激响应分布情况，由于镜像现象的存在，图像大致呈现出两个“十字交叉”的组合图形。对于大部分测试结果，这一现象主要存在于左场、右场和后场。当刺激信号在前场时，“镜像现象”出现较少。对结果做镜像处理后的刺激响应分布见图3，结果基本呈现为斜率接近1的直线，计算RMS值为（20.4°±3.5°），相较未经镜像处理前（52.7°±16.2°）有大幅度下降，表1。

图2 正常人声源定位刺激与响应分布（未对“镜像现象”做对称修正处理）

表1 镜像处理与否对声源定位RMS值的影响

图3 对“镜像现象”进行对称修正后的正常人声源定位刺激与响应分布

2.3 不同频率声源定位比较结果显示，经镜像处理后，正常人低频信号的声源定位平均RMS值约为（17.4°±2.6°），中频和高频RMS值依次上升，表2。

表2 不同频率RMS值比较（镜像处理后）

2.4 不同场中声源定位能力比较为更直观地观察镜像结果，本研究以（-90°～+90°）水平连线为对称轴，将声源分为前后半场，结果显示受试者定位正确及镜像正确的平均次数分别为60次和20次，各占比41.67%、13.89%。

以-45°，+45°，-135°，+135°四个点为分界，将声源平均分为弧度为90°的前场、后场、左场和右场4个区域（图1-b），各场定位正确的次数在该场所有结果中的比例均值分别为60.52%、38.69%、31.55%和37.70%，表3。统计学结果显示前场定位正确率明显高于其余3个区域且差异有统计学意义（P＜0.05），后场、左场、右场定位正确均值之间无显著性差异(P＞0.05)，表4。此外，结果显示有5例受试者共出现仅6次左场或右场扬声器给声但对称定位在对侧半场，余9例均未出现类似情况。

表3 受试者前后左右场声源定位准确率

表4 前、后、左、右场声源定位准确率统计学结果

3 讨论

声源定位能力是听力损失患者佩戴助听器或植入人工耳蜗后进行效果评估的一个重要评价指标，对后续的康复和其他干预措施的采取也有一定指导意义。因此，研究声源定位的机制至关重要。

研究结果表明，正常人进行声源定位时确实存在一种“镜像现象”，即刺激和响应以-90°和90°为水平轴作镜像对称。镜像现象，也称为“混淆圆锥效应”。这是一种正常的生理现象，多出现于前后场的声源定位中。其产生是由于声源发出的声音到达双耳的时间和强度差基本没有区别，从而使人无法分辨声源的准确位置，如区分来自左侧45°和135°的声音[2,4]。此时，在不移动头部的前提下，耳廓对前方声音的聚拢可能起到一定的区分辨别作用，声波在耳廓的作用下被共振增强和反射减弱，导致在传递中产生频谱变化，从而辅助区分来自前后方和垂直方向上的声音，但研究结果显示,受试者对此类镜像混淆音的辨别能力仍有限。对比正常人对前后镜像声音的区分能力，本研究显示,正常人左右场混淆的次数极低。由此可推论，正常人对左右声源的区分能力强于对前后声源的分辨，此种现象可通过耳间差异的概念直接解释，即受试者在区别左右声源时，由于声音到达双耳的强度和时间均不同，因此能够准确分辨声音的左右。

关于声源定位国内外已有多位学者进行报道，其中针对数据的处理方式大多数倾向于使用RMS值和最小辨别角度来评判受试者对声源定位的准确性[5-11]。本文的预实验结果显示受试者72声源定位的RMS值远比以往研究大，原因如下：①由于扬声器个数较多，各声源间隔仅5°，这种精度的定位测试对于正常人也是难度较高，难以做到绝对准确。②以往研究显示正常人RMS值约为2°～7°，儿童的可辨别角度相比成人略大，且使用多为11°或15°的前半场声源[5-7，10-11]。由于选择性较小，声源间隔大，受试者只需要辨别大致方位，即选对的可能性相较全场72声源显著提高。③本研究采用的360°环绕式声源进行测试，还原了日常生活中声音来自四面八方的场景，相比较半场声源来说，增加了受试者对后方声音的辨别，定位难度增大，导致RMS值和以往正常人研究差别较大，且无法直接根据原始数据对正常人声源定位能力做定量解释。因此，本研究在统计正常人全场声源定位能力时，将镜像现象纳入统计，得到处理后的RMS结果，这也是对全方向声源定位测试结果数据处理的一种尝试，表1。在比较不同频率信号对正常人声源定位的影响时，结果发现，人耳对低频信号的定位准确性高，其次是中频，最后是高频信号，表2。但Risoud等人[2]表明正常人对中频信号的定位能力应比低频和高频差，因为在捕捉中频信号时缺乏足够的双耳线索，也就是无论是时间差还是强度差都无法对中频信号的定位起决定性作用。那么在声源定位频率特异性上，本研究结果和以往研究出现差异的主要原因可能是由测试难度相对较大且样本量不足导致，受试者也以女性居多，后续会进一步扩大样本量并均衡性别比例，完善此方面结果。

在进行前后左右4个区域间正常人的定位准确性分析时，镜像现象不予考虑。表3结果显示，正常人对前场声源的定位能力最强且与其他场的差异具有统计学意义，产生此现象的原因可能是通过视觉和听觉的互相作用,由于视觉的辅助，人耳会倾向于接收处于前方的声音，Abel和Tikuisis[12]的研究表明，突然剥夺单眼视觉会导致人对水平声源定位的准确度降低，既往研究同样证明了有视觉障碍会影响受试者反应时长和声源定位准确率，但定位能力可以通过不断的训练提高[13-14]。另外视觉可以帮助受试者集中注意力，对声音的定位和分辨也能起到一部分作用。一些其他研究显示，由于耳廓结构的生理特性，导致声波的频谱线索出现变化，处于前方的声音可能会更容易被分辨和接收[13,15-17]。而对于长期听力损失的患者来说，可能会需要借助唇读进行声音的辨别，这种长期聆听和唇读相结合的模式会导致其更倾向于面朝声源，接收来自前方的声音。

从临床角度看，声源定位对患者佩戴助听器或人工耳蜗后的效果评估意义重大。有效的感知生活中声音的方位能对患者的生活质量乃至生命都具有积极的影响，如察觉日常生活中汽车鸣笛音的方向等。声源定位研究的开展是为了摸索正常人声源定位规律，探索人耳声源定位机制，为后续研究听力损失患者的声源定位能力打下理论基础，并通过助听设备的补偿和实验室声源定位训练向正常人听觉规律靠近，极大程度的增加听觉优势，提高生活质量，为患者生活带来更多便利。