彭健新 王丹

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)小學(xué)教室漢語語言清晰度的影響*

彭健新 王丹

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

在3間不同混響時(shí)間的小學(xué)教室內(nèi)通過漢語語言清晰度評(píng)價(jià)，研究小學(xué)課堂教學(xué)中使用擴(kuò)聲系統(tǒng)與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)不同年齡的兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分.結(jié)果表明：不管是3年級(jí)兒童還是5年級(jí)兒童，室內(nèi)干擾噪聲級(jí)較高(60 dBA)時(shí)，與使用擴(kuò)聲系統(tǒng)使聽音位置聲壓級(jí)達(dá)到75 dBA時(shí)的漢語語言清晰度得分相比，不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)和使用擴(kuò)聲系統(tǒng)但聽音位置的聲壓級(jí)為70 dBA時(shí)的漢語語言清晰度得分得到明顯改善；但與在較低的教室環(huán)境噪聲條件下、教師采用正常語言聲壓級(jí)授課時(shí)的漢語語言清晰度得分無顯著差異.為了得到與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)相同的漢語語言清晰度得分，教室內(nèi)使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)所需信噪比應(yīng)比不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)高.

擴(kuò)聲系統(tǒng)；混響時(shí)間；漢語語言清晰度；信噪比；小學(xué)教室

小學(xué)教室是兒童學(xué)習(xí)知識(shí)、獲取知識(shí)的主要場所，良好的教室聲環(huán)境能夠保證兒童在課堂上聽清教師的授課內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)師生間正常的言語交流.為了保證教室內(nèi)具有較高的語言清晰度，一些研究者提出在教室內(nèi)采用聲音放大系統(tǒng)來改善信噪比，以提高室內(nèi)語言清晰度[1- 6].Larsen等[2]比較研究了在大學(xué)教室安裝擴(kuò)聲系統(tǒng)與否對(duì)語言識(shí)別的影響，結(jié)果表明安裝擴(kuò)聲系統(tǒng)后提高了大學(xué)生的言語識(shí)別率.大量研究證實(shí)[6- 11]擴(kuò)聲系統(tǒng)能改善聽力正常兒童和具有聽力發(fā)育障礙兒童的言語識(shí)別效果，提高他們的課堂學(xué)習(xí)效果.但是，Dockrell等[12]通過研究指出：聲音放大系統(tǒng)只有在教室聲學(xué)環(huán)境較差的條件下能改善兒童對(duì)教師授課內(nèi)容的理解.由于使用聲音放大系統(tǒng)提高了室內(nèi)的語言聲壓級(jí)，為了保護(hù)兒童聽力并避免干擾鄰室，美國聲學(xué)學(xué)會(huì)和有關(guān)官方機(jī)構(gòu)[13]建議：對(duì)于典型的主流小教室，聲音放大不應(yīng)該作常規(guī)使用，而應(yīng)通過聲學(xué)處理(如在教室天花上敷設(shè)吸聲材料)來降低室內(nèi)混響和噪聲，保證良好的師生語言交流環(huán)境.但是，這些結(jié)果均是采用西方語言進(jìn)行研究，而漢語是聲調(diào)語言，它有別于西方語言，已有研究表明，相同條件下不同語言的語言清晰度存在差異[14].文中在廣州市選取3間不同混響時(shí)間的小學(xué)教室并安裝相同的擴(kuò)聲系統(tǒng)，通過漢語語言清晰度評(píng)價(jià)，在小學(xué)課堂教學(xué)中使用擴(kuò)聲系統(tǒng)與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)條件下，比較研究不同年齡的兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分，為營造良好的小學(xué)教室聽聞環(huán)境提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

在廣州市選取3間具有不同混響時(shí)間的小學(xué)教室，教室尺寸分別為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間教室平面均為矩形，其中A、B兩間教室未做吸聲處理，兩側(cè)墻除窗戶外，均為抹灰涂漆；前后墻各有一塊黑板，其余為抹灰涂漆，天花為抹灰涂漆，地面鋪瓷磚，并放置45張課桌；教室C經(jīng)過吸聲處理，天花上裝有礦棉吸音板，其余界面與A、B相同.每間教室內(nèi)安裝了一套WDA-700無線教學(xué)擴(kuò)聲系統(tǒng)，該擴(kuò)聲系統(tǒng)的兩個(gè)揚(yáng)聲器(LS1、LS2)安裝在教室前墻的上方.在教室后墻兩角離地面1.5 m高處放置兩個(gè)播放噪聲的揚(yáng)聲器(NS1、NS2).測試時(shí)，每間教室選取4個(gè)聽音位置(R1-R4)，聽音位置和揚(yáng)聲器布置如圖1所示.圖中位于講臺(tái)的聲源S為近似人嘴指向性的揚(yáng)聲器以模擬人聲聲源(JBL-LSR6325P).漢語語言清晰度測試前，在使用和不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)條件下分別測量各聽音位置的房間脈沖響應(yīng)，采用Dirac聲學(xué)軟件計(jì)算各聽音位置的500～1 000 Hz倍頻帶的混響時(shí)間T30，3間教室的T30平均結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示.

圖1 聽音位置及揚(yáng)聲器布置

教室T30/s不擴(kuò)聲擴(kuò)聲環(huán)境噪聲級(jí)/dBA語譜干擾噪聲級(jí)/dBAA0.981.0049.861.8B0.810.8151.860.0C0.440.4248.160.4

漢語語言清晰度評(píng)價(jià)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB4959—85采用打圈法進(jìn)行.每張測試字表25行，每行由5個(gè)聲母不同、韻母相同的漢字構(gòu)成.隨機(jī)播放測試字表，由聽音人圈出所聽到的字.漢語語言言語識(shí)別評(píng)價(jià)所用的測試信號(hào)在消聲室錄制而成，然后采用Cool Edit Pro編輯測試信號(hào)，并插入適當(dāng)?shù)撵o音信號(hào)，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譜噪聲信號(hào)供測試用.

測試在自然教室環(huán)境噪聲(測試條件T1)和語譜噪聲(測試條件T2至T4)條件下進(jìn)行.語譜噪聲由放置在教室后墻的左右墻角的兩個(gè)揚(yáng)聲器(NS1、NS2)重放，此時(shí)聽音位置的噪聲為語譜噪聲與室內(nèi)環(huán)境噪聲的疊加.其中：測試條件T1代表安靜(自然環(huán)境噪聲)時(shí)教師以正常聲壓級(jí)授課；測試條件T2代表教室內(nèi)背景干擾噪聲級(jí)較高，教師采用抬高的語言聲壓級(jí)授課；測試條件T3和T4代表兩種不同語言聲壓級(jí)的擴(kuò)聲場合.在不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)，漢語語言清晰度測試信號(hào)直接通過揚(yáng)聲器重放.重放時(shí)，揚(yáng)聲器位于講臺(tái)中間，高度為1.5 m；調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器音量使測試信號(hào)在聽音位置R2處的語言聲壓級(jí)分別為60 dBA(條件T1)和65 dBA(條件T2).在使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)，揚(yáng)聲器播放的漢語語言清晰度測試信號(hào)由傳聲器拾音后經(jīng)擴(kuò)聲系統(tǒng)放大后播放，其在聽音位置R2處的測試信號(hào)聲壓級(jí)分別為70 dBA(條件T3)和75dBA(條件T4).

在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)測試的同時(shí)，采用傳聲器記錄不同測試條件下聽音位置的背景噪聲級(jí)和語言聲壓級(jí)，從而計(jì)算出教室內(nèi)4個(gè)聽音位置在不同測試條件下的信噪比(SNR)以及教室內(nèi)的平均環(huán)境噪聲(背景噪聲)級(jí)、語譜干擾噪聲級(jí)(與背景噪聲疊加)，結(jié)果如表1所示.

在被測試的教室所在學(xué)校選取聽力正常的小學(xué)3、5年級(jí)兒童分別參加測試.其中，3年級(jí)兒童年齡為8～9歲，5年級(jí)兒童年齡為10～11歲.每種測試條件下，每個(gè)聽音位置處共4位聽音人參加兩張字表(男女聲字表各1張)測試，漢語語言清晰度得分為在該條件下4位聽音人8張字表的漢語語言清晰度得分的平均值.

2 結(jié)果與討論

通過3、5年級(jí)兒童在不同混響時(shí)間的教室內(nèi)的主觀漢語語言清晰度評(píng)價(jià)，得到不同測試條件(T1-T4)下的漢語語言清晰度得分.圖2為不同測試條件下得到的不同年級(jí)兒童在教室內(nèi)的主觀漢語語言清晰度得分及標(biāo)準(zhǔn)偏差.由圖2可知，不管是3年級(jí)兒童還是5年級(jí)兒童，在語譜噪聲條件下，與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)(測試條件T2)、采用擴(kuò)聲系統(tǒng)但聽音位置R2的聲壓級(jí)為70 dBA(測試條件T3)兩種測試條件相比，在采用擴(kuò)聲系統(tǒng)、聽音位置R2的聲壓級(jí)達(dá)到75 dBA(測試條件T4)的條件下，教室內(nèi)的平均漢語語言清晰度得分得到明顯改善，而與在教室自然環(huán)境噪聲條件下聽音位置R2的聲壓級(jí)為60 dBA時(shí)的平均漢語語言清晰度得分差異較小.語譜噪聲條件下，使用擴(kuò)聲系統(tǒng)使聽音位置R2的聲壓級(jí)達(dá)到70 dBA(測試條件T3)時(shí)每間教室內(nèi)的平均漢語語言清晰度得分與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)(測試條件T2)時(shí)的平均漢語語言清晰度得分差異較小.

圖2 不同年級(jí)兒童在不同教室內(nèi)、不同測試條件下的漢語語言清晰度得分及標(biāo)準(zhǔn)偏差

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

另一方面，由圖2可以看出，在相同測試條件下，5年級(jí)兒童的主觀漢語語言清晰度得分高于3年級(jí)兒童，兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分隨年齡增加而增大.不同年級(jí)的兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分隨混響時(shí)間的縮短而提高.

方差分析結(jié)果表明：混響時(shí)間、兒童年齡對(duì)兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分存在顯著性差異(P<0.05).由于漢語中高頻的聲母對(duì)清晰度起決定作用，而文中實(shí)驗(yàn)采用打圈法，測試字的韻母相同，而聲母不同，因此在混響較長的教室內(nèi)，語言信號(hào)中高頻成分容易被掩蔽掉，從而導(dǎo)致聲母信息的丟失而造成語言清晰度的降低[15]；而且兒童聽覺功能和認(rèn)知功能隨兒童年齡增大逐漸完善，因而兒童年齡越大，其漢語語言清晰度得分越高[16].

為了比較不同年級(jí)兒童在不同混響時(shí)間的教室及不同測試條件下漢語語言清晰度得分的差異，采用最小顯著差數(shù)(LSD)法對(duì)兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表2所示.表2表明：對(duì)于3、5年級(jí)兒童而言，在3間不同教室(不同T30)內(nèi)，測試條件T2的漢語語言清晰度得分與測試條件T1和T4的漢語語言清晰度得分有顯著性差異(P<0.05)，而與測試條件T3的漢語語言清晰度得分無顯著性差異(P>0.05).除5年級(jí)教室B外，測試條件T1與T4的漢語語言清晰度得分之間沒有顯著性差異(P>0.05).這表明教室內(nèi)干擾噪聲級(jí)較高時(shí)的漢語語言清晰度得分顯著低于干擾噪聲級(jí)較低時(shí)的得分；當(dāng)采用擴(kuò)聲系統(tǒng)提高語言聲壓級(jí)從而大幅提高性噪比時(shí)，相應(yīng)的漢語語言清晰度得分亦能顯著提高；為了在教室內(nèi)得到與教室在安靜環(huán)境下教師以正常聲壓級(jí)授課(測試條件T1)時(shí)同樣高的語言清晰度得分，在干擾噪聲級(jí)較高時(shí)需提高室內(nèi)語言聲壓級(jí)至75 dBA左右(測試條件T4).這表明在干擾噪聲級(jí)較高時(shí)，小學(xué)教室內(nèi)采用擴(kuò)聲系統(tǒng)將語言信號(hào)放大到較高的語言聲壓級(jí)能改善教室內(nèi)的漢語語言清晰度.

表2 不同測試條件下不同年級(jí)漢語語言清晰度得分差異顯著性比較Table 2 Comparison of significance in difference for Chinese speech intelligibility scores under different test conditions

1)“*”表示具有顯著性差異.

為了進(jìn)一步分析教室內(nèi)采用擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)提高兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分的作用，圖3給出了在不同測試條件下的聽音位置SNR與漢語語言清晰度得分的關(guān)系.采用線性擬合分析擴(kuò)聲與不擴(kuò)聲條件下3、5年級(jí)兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分隨SNR的變化趨勢，其擬合相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表3所示.由圖3可以看出：使用擴(kuò)聲系統(tǒng)與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)3、5年級(jí)兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分均隨著SNR的增加而提高；但在相同SNR條件下，使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)的漢語語言清晰度得分比不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)要低；換句話說，要得到與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)相同的漢語語言清晰度得分，使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)需要更高的信噪比.由于教師一般是在較高的室內(nèi)干擾噪聲級(jí)時(shí)才使用擴(kuò)聲系統(tǒng)，在相同SNR條件下，使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)的語言聲壓級(jí)和干擾噪聲級(jí)均比不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)高.

圖3 使用擴(kuò)聲系統(tǒng)與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)的漢語語言清晰度得分與SNR的關(guān)系

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

已有的針對(duì)成年人的研究結(jié)果表明：語言清晰度得分與測試時(shí)的干擾噪聲級(jí)和語言聲壓級(jí)有關(guān)，在高背景噪聲(50 dBA)條件下,即使語言聲壓級(jí)為65 dBA，其漢語語言清晰度得分仍比低噪聲(30 dBA)條件下語言聲壓級(jí)為60 dBA時(shí)的漢語語言清晰度得分低[15]，這一差異的趨勢隨語言聲壓級(jí)的增大而減??；而對(duì)于兒童來說，其結(jié)果與成年人類似[16].這表明此結(jié)論也適用于使用擴(kuò)聲系統(tǒng)的場合.而且，當(dāng)干擾噪聲級(jí)較高時(shí)，信噪比達(dá)到20 dB以上后其漢語語言清晰度得分隨聲壓級(jí)的增加而逐漸減小[15- 17].因此，應(yīng)該盡量控制室內(nèi)干擾噪聲，以保證教師授課時(shí)能獲取更好的室內(nèi)語言清晰度；當(dāng)教室內(nèi)干擾噪聲級(jí)較高(如60 dBA)時(shí)，應(yīng)使用擴(kuò)聲系統(tǒng)提高室內(nèi)語言聲壓級(jí)，保證室內(nèi)信噪比在15 dBA以上，以確保教室內(nèi)具有較好的漢語語言清晰度.

表3 漢語語言清晰度得分與SNR間的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差

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

年級(jí)擴(kuò)聲/不擴(kuò)聲相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差/%3不擴(kuò)聲0.753.35不擴(kuò)聲0.732.73擴(kuò)聲0.792.75擴(kuò)聲0.881.6

3 結(jié)論

文中通過具有不同混響時(shí)間的小學(xué)教室的室內(nèi)漢語語言清晰度評(píng)價(jià)，研究小學(xué)課堂教學(xué)中使用擴(kuò)聲系統(tǒng)與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)條件下不同年齡的兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分，結(jié)果表明：教室內(nèi)混響時(shí)間越短，漢語語言清晰度得分越高；兒童年齡越大，相同條件下的漢語語言清晰度得分越高.不管是3年級(jí)還是5年級(jí)兒童，在高干擾噪聲級(jí)條件下，使用擴(kuò)聲系統(tǒng)使聽音位置語言聲壓級(jí)達(dá)到75 dBA(測試條件T4)時(shí)教室內(nèi)的平均漢語語言清晰度得分均比不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)(測試條件T2)和使用擴(kuò)聲系統(tǒng)但聽音位置的聲壓級(jí)為70 dBA(測試條件T3)時(shí)的平均漢語語言清晰度得分得到明顯改善；而與在教室自然環(huán)境噪聲條件下教師采用正常語言聲壓級(jí)授課(聽音位置的聲壓級(jí)為60 dBA)時(shí)的平均漢語語言清晰度得分差異較小.使用擴(kuò)聲系統(tǒng)與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)3、5年級(jí)兒童在教室內(nèi)的漢語語言清晰度得分均隨著SNR的增加而提高；但使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)需要更高的信噪比才能達(dá)到與不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)相同的漢語語言清晰度得分.小學(xué)教室應(yīng)該盡量控制室內(nèi)的背景干擾噪聲，以保證教師授課時(shí)能獲取更好的室內(nèi)語言清晰度；當(dāng)教室內(nèi)干擾噪聲級(jí)較高(如60 dBA)時(shí)，應(yīng)使用擴(kuò)聲系統(tǒng)提高室內(nèi)語言聲壓級(jí)，以保證室內(nèi)信噪比在15 dBA以上，從而保證教室內(nèi)具有較好的漢語語言清晰度.

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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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11374106) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(11374106)

彭健新(1968-)，男，博士，教授，主要從事建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、功率超聲等的研究.E-mail:phjxpeng@163.com

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

O 422.9

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