1、声音空间定位测听系统的设计与实现作者：吴锋，高下，李志宏，钱宗才，王锦玲 【关键词】 声音定位 关键词: 声音定位;听觉;多媒体;判定，计算机辅助 中图号:TP302.1 文献标识码:B 摘 要:目的 设计并实现一种可判别及评价人耳声音空间定位能力的系统. 方法 人耳对声音的空间定位是听觉系统的一个基本功能，通过对声音的物理特性及人耳的听觉特性的分析，给出声源在方向和距离两方面的定位方法，在充分利用计算机技术的基础上，利用尽量少的辅助硬件，提出一种方便可行的测试人耳声音空间定位能力的方法，该系统具有纯音测试、噪音测试、音乐测试及语音测试共 4 种测试模式，可通过测试参数 MAA 来判别受试者对
2、声音的空间定位能力. 结果 本系统经初步实验及临床验证，取得了比较好的测试结果. 结论 本方法在判别及评价人耳声音空间定位能力方面具有一定的应用价值. Keywords:sound localization;audition;multimedia;decision making，computer-assisted Abstract:AIM To design and realize a system which can distinguish and evaluate peoples ability to localize sound.METHODS Through analysing the
3、 physical features of sound and the auditory property of ear，the author advanced a method to localize sound both in horizontal and vertical di-rections，and presented and realized a simple and feasible sys-tem for testing hearing based on making full use of computer technology.This system has four te
4、st modes，and can distin-guish and evaluate peoples ability to localize sound through parameter MAA.RESULTS After initial experiments and clinical confirmation，a preferable result has been achieved.CONCLUSION The method presented in this paper has a certain applicable value in distinguishing and eval
5、uating peoples ability to localize sound. 0 引言 人耳对声音的空间定位是听觉系统的一个基本功能.听觉功能对人类适应环境和认识自然有着重要意义，人类通过听觉获得声音信息，从而彼此互通往来、交流思想、共同生活.因此，研究人特别是研究听力受到损伤后的患者对声音的空间定位能力就成为一个重要课题.人类重视声音定位由来已久，国际上开展此方面的研究工作也比较多.由于研究设备结构复杂、造价昂贵，难以引进，国内仅有上海的梁之安1 从 20 世纪60，70 年代开始这方面的工作，尚无更多的人问津这一领域，而且与临床研究结合也不尽如人意.我们通过对声音的物理特性及人耳听觉
6、特性的分析，设计出一套简单易行、价格合理、功能比较完备的声音空间定位测听系统.本系统通过初步实验及临床验证，取得了比较好的测试效果.实践证明，我们的方法是可行的和有效的. 1 声音空间定位的原理 听觉声音的中心问题，其一是对声音的感受;其二是对声音讯号的分析（分辨频率、强度、音质、时程以及声源方向）.声音定位作为一个总体概念，包括方向和距离两方面的定位.（Fig13）表示出了影响声音定位的三个主要因素.Fig1 中声音从声源传到两耳的距离不同，导致声音传到两耳时产生一个时间差t;Fig2 中由于头的反射和遮掩作用，使离声源近的那只耳朵收到的信号比离声源远些的那只收到的信号强，这就产生了一个强度
7、差;Fig3 中，声源位置的不同使两耳接收到的声音信号的频谱也不一样，这就是耳廓和外耳道的滤过特性，或者叫单耳频谱特性2 .声源在空间中的方向通常是以头部为参考点来定义的.正因为如此，声源的位置一般由三个平面确定（Blauert，1983）.水平面定义为通过两外耳道入口的上沿与眼眶下沿连线所构成的平面.额平面定义为垂直于水平面并横穿两外耳道入口上沿的平面.正中矢状平面定义为既垂直于水平面又垂直于额平面的平面.三个平面的交点大体位于头的中心，此点被定义为坐标原点，用来定位声源相对于头的各个角度.声源的位置可由方位角和仰角来确定（Fig4） 3 . 2 实验设计 2.1 定义 我们通过定义两个平面
8、（水平面和垂直面）来确定声源的位置.水平面的定义与 Blauert 相同，垂直面的定义与 Blauert 定义的正中矢状平面一致.其中水平面只取头前方半个平面，水平面与垂直面的交线的方向定义为零度，以头的中心为原点，水平面的左四分之一平面定义为0-90，右四分之一平面定义为从 090.垂直方向只取头前方向上的四分之一平面，定义为从 090. 2.2 方法 2.2.1 所需硬件及软件 消音隔音室一个，计算机一台（奔腾 586 以上，多媒体配置及相应接口电路） ，高音质小喇叭两个，水平和垂直轨道各一个，上下可调动座椅一个，相应测试软件系统. 2.2.2 测试参数的定义 我们进行的每种测试均在暗室环
9、境下进行（去除视觉的影响） ，先设置好相应参数，把两个小喇叭（两个声源）对称放置在基准线的两侧，水平面上的基准线可以定义为 0或45，垂直平面的基准线为 45.两声源的夹角称声源夹角.每个测试单元两喇叭共发声 100 次，每次由哪个喇叭发声是由随机函数确定的.这一百次中受试者判断的声源位置与实际声源位置之差的绝对值之和称为测试总误差单位为（） ;受试者能正确判断声源位置的次数除以 100 称为测试正确率（%）;受试者能辨别的最小角度称为最小可辨别角度（简称 MAA）. 2.2.3 测试流程 使受试者坐于座椅上，调节座椅的高度及位置，至水平轨道与我们定义的水平面重合，垂直轨道与我们定义的垂直平面
10、重合.在软件中录入受试者档案.测试流程为:首先选择所需测试模块，然后选取两声源的初始测试夹角及方位，控制两喇叭随机发声 100 次，并纪录受试者每次对声源的判断位置，之后计算 100 次中受试者对源位置判断的总误差和正确率，如果满足 MAA 的条件，则结束本方位测试，否则减小声源夹角10进行下一轮 100 次测试，直至满足 MAA 的条件为止. 2.3 软件的实现 本系统应具备功能全面、界面友好、容错性好的软件特性.为此，系统在设计时选用了 Windows95/98 平台下的软件开发工具 Delphi3.0.系统中软件主要由以下三大部分组成:测试包括受试者档案的录入;纯音测试、噪音测试、音乐测
11、试及语音测试 4 种测量模式;相应测试数据的保存及测试结果参数的计算分析;受试者档案及测试数据的浏览;根据条件对数据库进行复合查询及统计. 2.3.1 软件所涉入数据库的设计与查询 本系统所涉及的数据库由受试者档案、噪音测试、纯音测试、音乐测试、语音测试及测试数据共 6 个主要库组成.受试者档案库中负责存放受试者的个人信息及诊断信息;噪音测试库、纯音测试库、音乐测试库及语音测试中分别负责存放每个受试者相应的测试条件及结果分析;测试数据库中负责存放所有的测试数据.这几个库之间通过受试者的诊断号相互关联.我们这样安排系统的数据库，可使库的结构比较合理，占用空间基本达到最小.数据查询由于是多个条件的
12、复合查询，故要用到动态的 SQL. 2.3.2 测试模式部分的设计 本系统有纯音测试、噪音测试、音乐测试及语音测试共 4 种测试模式.在使用计算机控制喇叭发出测试声音时，用到了声卡的底层调用功能.我们通过多次实验得出了声卡发声函数的参数与声音的强度之间的对应关系.软件通过定时器控制测试声音的时程，通过设定声音数据块中的正弦波控制纯音的频率，通过随机函数产生噪音. 3 讨论 人耳对声音的空间定位能力是听觉测试的一个重要指标，该系统包括纯音测试、噪音测试、音乐测试及语音测试共 4 种测试模式，可通过测试参数 MAA 自动对受试者对声音的空间定位能力进行分析，具有成本低，测试简单、方便等特点.我们对
13、此测试方法及相应软件已作了实验及初步临床验证，取得了比较好的效果，证明本方法是可行的，并具有一定的实用价值.今后我们将在此基础上再购置一些硬件设备，提高整个系统的自动化程度，使受试者对声源位置的判断结果可自动录入计算机，减小研究人员的工作量.另外还准备加入人耳对声音的空间绝对定位测试功能，从而能更加明确地对人耳的声音空间定位功能作出定量判断. 参考文献: 1Liang ZA.The time factors of hearing analytical center J.Kexue Tongbao（Acta Sci） ，1961;5（1）:32. 2Hausler R，Colburn HS，Marr E.Sound localization in subjects with impaired hearing J.Acta Otolaryngol（Stockh） ，1983;Suppl400:7-17. 3Moore BCJ.An Introduction to the Psychology of Hearing M.London:Academic press limited，1997:214-215.
