彭健新 吕永鑫 刘小俊 路晓东

(1.华南理工大学理学院，广东广州510640;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640;3.大连理工大学建筑与艺术学院，辽宁大连116023)

对于语言用厅堂，尤其是会议室、报告厅、教室等主要用于言语交流的场合，衡量其厅堂音质好坏的一个重要指标是尽可能让听众区域达到最大的语言清晰度.对于语言传输系统，一个或几个发音人所说的语言单位(音节、单字、句子等)或其失真可忽略的录音信号，经被测系统传输后，能为听众正确辨认的百分数称语言清晰度或可懂度［1］.语言清晰度客观评价是通过测量厅堂内的客观声学参数(如早迟声能比C50、语言传输指数STI等)来评价厅堂内的语言清晰度.语言清晰度主观评价是最终的判断.但是，主观评价只能由听音小组的主观测听来进行评价，费时费力.许多研究者通过语言清晰度主观评价和客观声学测量，建立语言清晰度主客观参数之间的对应关系，通过客观语言清晰度参数预测厅堂内的主观语言清晰度［2-5］.

由于大部分客观语言清晰度评价参数，如STI，都是基于西方语言建立起来的［2-3］，而西方语言不像汉语那样声调明显突出，当室内语言清晰度对英语满足要求时，并不一定满足汉语的情况，反之亦然［5］.有关实际厅堂中关于汉语与英语两种语言的主观语言清晰度评价结果的差异较少见报道，Kang［5］采用母语发音人和听音人在一走廊和研究室(早期衰变时间(EDT)范围为0.6～1.3s)进行主观评价实验，比较了汉语和英语主观语言清晰度与客观声学参数STI关系的差异，得到了一些很有意义的结果.研究表明，主观英语语言清晰度评价采用母语为英语发音人和听音人，与采用以其它语言为母语的听音人相比，其结果会存在一些差异［6-7］.

随着国际交流合作的日益广泛，英语作为第二语言，在国内越来越受到人们的重视;而且同时使用汉语和英语两种语言的场所越来越多，如学校教室、车站、机场、会议室(厅)等.对西方语言的研究表明，对于非母语的听音人或发音人，为保证良好语言清晰度，要求厅堂具有更高的STI值［8］.文中在较宽的(不同信噪比、不同混响时间)范围内、相同的测试条件下采用以汉语为母语的听音人来评价汉语和英语测试字的清晰度和句子的可懂度，比较分析汉语和英语两种语言的主观语言清晰度(可懂度)得分差异及其与客观语言清晰度参数STI的关系，为语言用厅堂(尤其是中小学教室)的声学设计和声环境改善提供重要的参考依据.

1 实验方法

研究表明，采用室内声场仿真和可听化技术来评价室内语言清晰度是可行的［9-10］.文中应用建筑声学仿真软件ODEON，针对两个教室模型，通过改变教室内各界面材料的布置获取5个具有不同声学特性的听音位置处的客观声学参数和双耳房间脉冲响应.表1为仿真得到的这些听音位置处的一些声学参数统计，包括早期衰变时间EDT、混响时间T30、清晰度D50、语言传输指数STI(无噪声)等.通过调节背景噪声级改变信噪比，获得不同信噪比条件下的语言传输指数STI值.

表1 5个听音位置的声学参数统计Table 1 Statistics of acoustical indices at five listening positions

语言清晰度测试采用韵律测试字表进行.汉语的测试材料由5张基本字表派生的11张发音字表组成，每张25行，每行5个字［11］.英语的测试材料与汉语相似，由6张基本字表派生12张发音字表，每张50行，每行6个字［9］.测试时，随机播放测试字表，由引导句将被读字带出，听音人圈出所听到的字，按照相关标准进行评分［12］.语言可懂度测试句表采用噪声下言语测试材料(HINT)，它由24个等价句表和4－6个练习句表组成，每个句表内包含10个简单句.每个英语句子包含4～7个英文单词，每个汉语句子包含10个汉字.文中选用10张测试句表和1张练习句表.测试时，听音人写出所听到的句子中的汉字(英文单词)，然后统计记录正确的字(词)百分率.

汉语和英语测试信号分别由以汉语、英语为母语的男性发音人在消声室录制而成，然后采用Cooledit Pro编辑测试信号，并插入适当的静音，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言形状噪声信号.将在消声室录制的汉语和英语语言清晰度测试声信号和相对应的噪声信号分别与ODEON仿真得到的双耳房间脉冲响应卷积后，通过Cooledit Pro按照给定的信噪比混合，通过耳机(Sennheiser HD580)重放，供听音人进行语言清晰度主观评价.英语和汉语字/句的语言清晰度/可懂度测试分别采用5种信噪比(－5、0、5、10和15dB(A))，5个不同的听音位置(中频混响时间分别为0.3、0.6、1.0、1.5和2.0 s)，共25种测试条件，由ODEON计算得到这些测试条件的STI值范围为0.16～0.82，这个范围包括了实际应用中STI可能的取值范围.听音人均为以汉语为母语、听力正常的大学生，其中汉语测试要求听音人能听说正确的普通话，英语测试采用通过国家英语4级考试的大学生.每种测试条件下共4位听音人参加测试，每个测试条件播放2张测试字(句)表，语言清晰度(可懂度)得分为该条件下8张字(句)表主观语言清晰度(可懂度)得分的平均值.

2 结果与讨论

图1为由听音人在相同的听音条件下对汉语和英语测试(韵律)字表进行主观评价得到的语言清晰度得分，及其与客观语言清晰度参数STI之间的三次多项式拟合曲线，判定系数 R2分别为0.96 (P＜0.001)、0.95(P＜0.001)，标准偏差分别为3.2%、4.5%.图2为由听音人在相同的听音条件下对汉语和英语测试句(HINT)表进行主观评价得到的语言可懂度得分，及其与STI之间的拟合(采用Logisitc非线性拟合)曲线，R2分别为0.91(P＜0.001)、0.95(P＜0.001)，标准偏差分别为4.0%、6.3%.这些数据表明，采用汉语普通话为母语的听音人评价得到的汉语和英语语言清晰度(可懂度)得分与STI之间具有较高的相关性.

图1 汉语和英语语言清晰度得分(字表)及其与STI的拟合曲线Fig.1 Chinese and English speech intelligibility scores(word lists)and the fitting curves between the scores and STI

图2 汉语和英语语言可懂度得分(句表)及其与STI的拟合曲线Fig.2 Chinese and English speech intelligibility scores(sentence lists)and the fitting curves between the scores and STI

表2为25种测试条件下得到的英语和汉语字(句)表的语言清晰度(可懂度)得分方差分析结果.表2表明，听音位置的混响时间B和信噪比A对汉语和英语语言清晰度(可懂度)有显著影响(P＜0.001)，信噪比因素的F值比混响时间特性的F值大得多，表明信噪比比混响时间特性对语言清晰度(可懂度)有更加显著的影响.混响时间特性和信噪比的交互作用对汉语和英语字表的语言清晰度和汉语句表的可懂度也有显著影响(P＜0.001)，但其F值均比相同条件下的混响时间和信噪比因素小得多，其影响比混响时间和信噪比因素的作用弱;而混响时间特性和信噪比的交互作用对英语句表的可懂度无显著影响(F=1.59，P=0.117).

表2 汉语英语语言清晰度(可懂度)得分方差分析Table 2 Analysis of variance for Chinese and English speech intelligibility scores

Kang［5］指出，当STI较大时，对应的信噪比较高，此时混响是影响语言可懂度的主要因素.在混响条件下，一些英语辅音，如像破擦音、摩擦音、鼻音和爆破音，非常容易混淆，而汉语普通话中的声调对汉语语言可懂度是有益的，由混响所造成的英语语言可懂度的下降比汉语语言可懂度的下降要大.而当STI较低时，对应的信噪比较低，由于英语语言声压级的动态范围比汉语普通话的要大很多，例如同样的等效A声级，英语的峰值电平比汉语普通话的大约要高3dB.这样在低信噪比条件下一些英语单词可以只根据一些峰值就能理解.由图1可知，以母语为汉语普通话的听音人得到的汉语韵律测试的主观语言清晰度得分容易饱和，出现天花板效应，这与Bradley［3］以英语为母语的听音人在教室采用韵律测试得到的英语语言清晰度得分相似.由于天花板效应，当STI较高时，无论是英语还是汉语，对母语听音人采用韵律测试均可得到100%语言清晰度得分.但是，当STI较低时，汉语语言清晰度得分比Bradley的结果低，这与Kang［5］得到的在走廊的结果一致.

对比以汉语为母语的听音人得到的汉语和英语韵律测试的主观语言清晰度得分与STI的拟合曲线(图1)可知，当STI较低时，语言清晰度得分均随STI的增加而迅速增加，当STI＞0.5时，增加较缓慢.当STI＞0.61时，其汉语语言清晰度得分达到100%.在相同测试条件下，汉语语言清晰度得分比英语语言清晰度得分高.Bent等［13］针对英语采用母语听音人和非母语听音人(美国西北大学留学生，约80%来自中国)进行主观语言清晰度评价，非英语母语听音人的分比英语母语听音人的得分低20%以上.考虑这一因素的影响，对以汉语为母语的听音人得到的英语语言清晰度得分进行修正，当STI较高时，其结果与Bradley的结果基本一致，但当STI较低时，其得分比与Bradley的结果略低，这与听音人(针对Bent等采用的听音人而言)对英语掌握的熟练程度、发音人为男性以及Bradley采用的词表为5个单词选1而文中词表采用6个单词选1等因素有关.

由图2可知，以汉语为母语的听音人评价得到的汉语语言可懂度先随STI的增加而迅速增加，随后基本不变(已达到100%的清晰度).当STI＞0.5时，汉语句子可懂度基本达到100%.而由以汉语为母语的听音人评价得到的英语语言可懂度随STI的增加而增加.Bent和Bradlow发现在相同测试条件下，采用修改的BKB测试句子，英语母语听音人得到的主观可懂度比非母语听音人的结果要高30% ～40%［6，14］.考虑非母语听音人对英语句子的理解的影响，由图2可知，存在一个分界点，当STI值小于该分界点所对应的STI值时，英语句子可懂度比汉语句子可懂度高;当STI值大于该分界点所对应的STI值时，汉语句子可懂度比英语句子可懂度高.这一结果亦与Kang［5］采用母语听音人得到的结果相似.

对比图1和2可以发现，当STI较低(小于0.3)时，汉语句子的可懂度比韵律测试得到的清晰度低.由于汉语句子评分是统计单个汉字的正确率，一个汉字一个音节，当STI较高时，听音人可根据理解来推断，当一个句子个别字未听清楚时，句子的意思完全可以理解并记录，因而句子可懂度得分比字表清晰度得分高.但是，当STI较低时，对于句子测试，听音人需要完整地写出整个句子(十个汉字)，由于混响和噪声的连续掩蔽作用，听音人虽能听到几个孤立的汉字，但无法理解并写出整个句子;而对于韵律测试，听音人仅需圈出引导句带出的一个关键字，其注意力只集中于一个字，混响和噪声对关键字的掩蔽作用相对小一些，在相同测试条件下，汉语韵律测试得到的清晰度比句子的可懂度高.

由以上分析可知，对以汉语为母语的听音人，为了达到相同的英语清晰度，其所需要的STI值比英语母语听音人所需要的STI值高得多.这表明，对以汉语为母语的听音人而言，必须提高听音人位置的客观语言清晰度参数值(如STI等)，才能达到与英语母语听音人同样高的英语语言清晰度.针对以汉语普通话为母语听音人需要进行英语交流的场合(如教室、会议室)，可以通过改善室内的声环境(如降低混响时间和背景噪声、提高信噪比)以获得较高的STI值等措施来提高英语语言清晰度;同时减慢发音速度，加强对英语音系结构、词汇结构的掌握［15］，以进一步改善以汉语为母语的听音人听英语时的语言清晰度.

需要指出的是，语言清晰度主观评价受到诸多因素的影响，如测试材料、发音人的发声方式和风格、听音人的语言背景、对语言的掌握程度等.

3 结语

文中通过建立教室仿真模型，应用ODEON软件仿真获取教室中具有不同声学特性的听音位置的客观声学参数和双耳房间脉冲响应，在较宽的STI (不同信噪比、不同混响时间)范围内比较相同的测试条件下，英语和汉语两种语言的主观语言清晰度(可懂度)得分及其与客观语言清晰度参数STI的关系.结果表明，采用汉语为母语的听音人评价得到的汉语和英语语言清晰度(可懂度)得分与STI具有较高的相关性，主观语言清晰度(可懂度)随STI增大而增加.采用韵律测试字表进行测试时，汉语清晰度得分比英语高;采用HINT句表进行可懂度测试，当STI较高(对应于信噪比较高)时，汉语句子的可懂度比英语的高，而当STI较低(信噪比较低)时，英语可懂度比汉语的高.以汉语为母语的听音人需要进行英语交流的场合，必须尽可能改善听音人位置的客观声环境，以保证较高的STI值，获取良好的语言清晰度(可懂度).这些结果将为语言用厅堂的声学设计提供重要的参考依据.

［1］ 孙广荣，吴启学.环境声学基础［M］.南京:南京大学出版社，1995:88.

［2］ Steeneken H J M，Houtgast T.A physical method for measuring speech-transmission quality［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1980，67(1):318-326.

［3］ Bradley J S.Predictors of speech inte-lligibility in classrooms［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1986，80(3):837-845.

［4］ Peng Jian-xin.Relationship between Chinese speech intelligibility and speech transmission index in rooms using dichotic listening［J］.Chinese Science Bulletin，2008，53 (18):2748-2752.

［5］ Kang Jian.Comparison of speech intelligibility between English and Chinese［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1998，103(2):1213-1216.

［6］ Bent T，Bradlow A R.The interlanguage speech intelligibility benefit［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2003，114(3):1600-1610.

［7］ Wijngaarden S J，Steeneken H J M，Houtgast T.Quantifying the intelligibility of speech in noise for non-native listeners［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2002，111(4):1906-1916.

［8］ Wijngaarden S J，Bronkhorst A W，Houtgast T，et al.Using the Speech Transmission Index for predicting non-native speech intelligibility［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2004，115(3):1281-1291.

［9］ Yang W，Hodgson M.Validation of the auralization technique:comparative speech intelligibility tests in real and virtual classrooms［J］.Acta Acustica United With Acustica，2007，93(12):991-999.

［10］ Peng Jian-xin.Feasibility of subjective speech intelligibility assessment based on auralization［J］.Applied Acoustics，2005，66(5):591-601.

［11］ GB 4959—85，中华人民共和国国家标准——厅堂扩声特性测量方法［S］.

［12］ ISO/TR 4870—1991，Acoustics:the construction and calibration of speech intelligibility tests［S］.

［13］ Bent T，Bradlow A R，Smith B L.Production and perception of temporal patterns in native and non-native speech［J］.Phonetica，2008，65(3)，131-147.

［14］ Bradlow A R，Bent T，Bradlow A R，et al.The clear speech effect for non-native listeners［J］.J ournal of the Acoustical Society of America，2002，112(1):272-284.

［15］ Wang H.English as a lingua franca:mutual intelligibility of Chinese，Dutch and American speakers of English［D］.Leiden:Leiden University，2007.