本文主要研究以自然聲作為掩蔽信號能否緩解類似單頻信號的耳鳴聲帶來的煩擾。文中將四種自然聲、粉紅噪聲以及窄帶噪聲作為掩蔽信號，單頻信號模擬類單頻耳鳴聲作為被掩蔽信號，比較以上提及的多種掩蔽信號的掩蔽效果。作為研究的基礎，自然聲并不一定要完全掩蔽單頻信號，而是要減輕煩擾度。試驗結果顯示，水流聲和雨聲對于單頻信號都是較為有效的掩蔽信號。對于不同頻率的單頻信號，同一種掩蔽信號在掩蔽效果上略有差異。該研究結果初步證實了利用自然聲進行類單頻耳鳴掩蔽的可行性，對改進耳鳴掩蔽治療中的掩蔽信號具有參考意義。
引用本文： 王玥, 肖靈, 李平, 崔杰. 多種自然聲對類單頻耳鳴聲的掩蔽效果研究. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(3): 325-328. doi: 10.7507/1001-5515.201512039 復制
引言
耳鳴是指人們在沒有任何外界刺激條件下所產生的異常聲音感覺，不僅會造成患者精神痛苦、煩躁不安，而且影響他們的正常生活與工作。由于耳鳴的產生原因非常復雜，部分耳鳴能夠治愈，但仍有部分耳鳴尚無特效的藥物及手術療法。采用掩蔽信號對耳鳴聲進行掩蔽可以在一定程度上緩解耳鳴帶來的不適。但是，掩蔽信號自身也會引入新的煩擾。因此，為了在緩解耳鳴帶來的不適的同時又不會引入過多新的干擾，如何選擇合適的掩蔽信號是一個很重要的問題。
1995 年 Feldmann 發現，盡管心理聲學中前向掩蔽僅能持續數毫秒，但耳鳴掩蔽中卻能持續幾分鐘[1]，因此對于耳鳴信號的掩蔽規律不易使用現有的掩蔽理論進行推測。2000 年，Vernon 和 Meikle 指出一家主要耳鳴治療中心 60% 的患者被推薦使用帶有掩蔽功能的助聽器，單獨使用助聽器有時也能滿足部分患者的耳鳴掩蔽需求[2]。目前常見的耳鳴掩蔽信號包括窄帶、寬帶噪聲或言語噪聲[3]。但這類掩蔽聲煩擾度較高，聽覺感受有待進一步改善。在其他為了降低聲音煩擾度而引入掩蔽聲的場景下，比如開放型辦公室以及車內聲環境，已經有研究者嘗試使用不同類型的掩蔽聲并且取得了較好的效果[4-5]。2011 年，丹麥唯聽公司的新型助聽器中加入了禪音程序，用于耳鳴的習服及掩蔽治療，也獲得了廣泛的認可，但該程序算法復雜，對設備要求高。為緩解耳鳴帶來的不適，本文嘗試使用多種自然聲對類似單頻信號的耳鳴聲進行掩蔽，并對掩蔽后的聽覺舒適度展開研究，研究結果展示了利用自然聲進行類單頻耳鳴掩蔽的可行性，可以在此基礎上改進現有耳鳴掩蔽信號，提高耳鳴掩蔽治療的舒適度。
1 試驗介紹
試驗目的是研究多種自然聲對于特定單頻信號的掩蔽效果，受試者主要關注的是聽覺舒適度。
1.1 受試者
一共有十二位受試者參與試驗（6 男，6 女），平均年齡 32 歲，其中年齡最大的 40 歲（女），年齡最小的 22 歲（男），受試者聽力均正常，其中部分受試者有從事聲學工作的經驗。
1.2 測試信號
1.2.1 耳鳴聲 試驗中采用兩種單頻信號模擬耳鳴聲。這是因為試驗研究表明，大部分耳鳴患者的耳鳴主頻為純音性質，其中頻率分布在 4 000 Hz 以上者占 39.24%[6]。考慮到耳鳴主頻的分布以及實驗條件的限制，本試驗中采用的兩種單頻聲頻率分別為 700 Hz 和 5 000 Hz。
1.2.2 掩蔽信號 試驗中的掩蔽信號包括兩種常用噪聲以及 4 種自然聲，共 6 種：粉紅噪聲、中心頻率與單頻聲對應的窄帶噪聲、鳥叫聲、水流聲、森林聲和雨聲。其中，自然聲均為某一種特定的聲音，如鳥叫聲為某一時間在某地錄制的某一種鳥的叫聲，窄帶噪聲的帶寬為 400 Hz。掩蔽信號的頻譜圖如圖 1 所示。
圖1
試驗中所用掩蔽信號頻譜圖
Figure1.
Spectrogram of maskers in experiment
1.3 試驗方法
試驗中將耳鳴聲疊加不同的掩蔽信號。已有文獻表明，當被掩蔽信號和掩蔽信號的信噪比降低時，掩蔽效果越好[7]。但是若保持被掩蔽信號的幅度固定不變，降低信噪比則代表掩蔽信號的幅度增大，會明顯降低聽覺舒適度。因此本文折中選用耳鳴聲和掩蔽聲信噪比為 –6 dB 的掩蔽信號作為測試信號，研究耳鳴聲疊加哪種掩蔽信號的聽覺感受更為舒適，適合長期聆聽。本次試驗的主觀評價方法采用對偶比較法[8]。這種方法的優越性在于只需要受試者對兩個對象做出判斷，說出更偏愛哪個，避免了各種定義不確切的形容詞，減小了主觀誤差。為了避免室內環境和聲像空間感對試驗的可能干擾，也為了模擬耳鳴患者佩戴耳鳴掩蔽器的實際情況，試驗用耳機進行，耳機為森海塞爾 [HD380 Pro，森海塞爾電子（北京）有限公司]，播放設備采用聯想筆記本電腦（T440p，聯想集團），試驗信號為單聲道。而且為了保證每個受試者聽到的信號是一樣的，所用耳機、電腦的音量相同，并調節到適當的水平。
試驗分兩組進行，A 組的模擬耳鳴聲為頻率為 700 Hz 的單頻信號，B 組的模擬耳鳴聲為頻率為 5 000 Hz 的單頻信號，掩蔽信號均包括：鳥叫聲、水流聲、森林聲、雨聲、粉紅噪聲和中心頻率與單頻聲對應的窄帶噪聲，受試者所聽到的信號為加上某種掩蔽聲的模擬耳鳴聲（6 個）或者未加掩蔽聲的模擬耳鳴聲（1 個），共 7 個信號。每個信號長 10 s，進行比較的兩個信號稱為一對信號，兩個信號之間間隔 3 s。每組包括信號 =21 對。兩個信號交換前后播放順序成為 21 對新信號，共 42 對信號隨機順序播放。也就是每個受試者所聽到的測試信號兩組共 84 對信號，兩組試驗間有 30 min 或更長的休息時間，避免受試者聽覺疲勞。每組試驗測試信號的播放時間為（10 s+3 s+10 s）×42 對=966 s，加上受試者進行判斷的時間，每組試驗的持續時間約為 20 min。本試驗采用信度檢驗對受試者的兩次試驗結果進行一致性判斷，當受試者兩次試驗誤差在 40% 以內被認為是可以接受的，所以選取信度系數大于等于 0.6 的樣本為有效樣本。本試驗受試者全部通過信度檢驗。
2 試驗結果
試驗采用的是對偶比較法，難以計分顯示結果。因此考慮將各個受試者的試驗結果排序。比如受試者 1 的結果顯示聽覺舒適度最差的是未加任何掩蔽信號的單頻聲，則單頻聲在 7 個信號中的排序為 7，聽覺舒適度最高的排序為 1。受試者 1 的結果顯示掩蔽信號為流水聲或森林聲的舒適度均優于其他掩蔽信號，但這二者之間比較的兩次結果不一致，即無法得出二者之間的優劣排名，則將流水聲及森林聲的信號排序均列為（1+2）/2=1.5。按照此方法，將十二位受試者試驗結果的平均值作為兩組試驗結果，如表 1 所示。兩組試驗分別用試驗 A 和試驗 B 表示。
表1
掩蔽信號聽覺舒適度評分
Table1.
Grade of comfort for maskers
3 討論與分析
兩組試驗的結果均顯示，未添加掩蔽信號的單頻聲是最為令人煩擾的，聽覺舒適度最差的。也就是說試驗中采用的 6 種掩蔽信號均能在一定程度上提高單頻聲的聽覺舒適度。兩組試驗中，粉紅噪聲和窄帶噪聲對于單頻聲聽覺舒適度的改善最為無力，分別排在最后一位和倒數第二位。試驗 A 中，森林聲的改善舒適度效果也較弱，僅好于粉紅噪聲和窄帶噪聲，鳥叫聲的效果稍強于森林聲，但差別不大。而水流聲和雨聲的掩蔽效果明顯優于其他掩蔽信號，其中水流聲的排序更高，是這 6 種掩蔽信號中掩蔽效果最好的。試驗 B 中，粉紅噪聲和窄帶噪聲仍然分別排在最后一位和倒數第二位，掩蔽效果不及其余 4 種自然聲掩蔽信號。水流聲的掩蔽效果仍為最佳，其次是雨聲，森林聲和鳥叫聲緊隨其后，森林聲的掩蔽效果稍優于鳥叫聲，二者分別排在第三、四位。
試驗 A 中采用的模擬耳鳴信號是頻率為 700 Hz 的單頻信號，水流聲和雨聲的掩蔽效果較好可能是二者的能量集中頻帶恰好位于 700 Hz 附近，這和被掩蔽信號的頻率越接近掩蔽信號則越容易被掩蔽的聽覺特性相符。窄帶噪聲雖然頻率接近單頻信號，但本身的煩擾度較高，因此舒適度一般。試驗 B 中采用的模擬耳鳴信號是頻率為 5 000 Hz 的單頻信號，與該頻率接近的自然信號是鳥叫聲和森林聲，可見在該試驗中鳥叫聲和森林聲的舒適度得分高于試驗 A 的結果，這同樣符合聽覺掩蔽特性。但與其他類型聲相比，二者的掩蔽效果均不如水流聲和雨聲，其原因可能是鳥叫聲并非連續信號，因此掩蔽有中斷現象，引起了不適；而森林聲的頻帶能量分布較廣，同樣音量的森林聲接近耳鳴特征頻率的能量相對其他信號較少，因此能量不足以產生較好的掩蔽效果。但是兩組試驗也都表明，自然聲的掩蔽效果普遍要強于粉紅噪聲和窄帶噪聲。兩組試驗模擬耳鳴信號的單頻聲頻率不同，試驗結果說明對待不同頻率的單頻聲，同一種掩蔽信號的掩蔽效果會發生變化，但變化并不明顯，尤其是掩蔽效果較好的掩蔽信號，如水流聲和雨聲在兩組試驗中都表現突出，這可能與掩蔽信號的是否連續、能量集中頻率和自身的聽覺舒適度有關。
4 結論
本文以單頻聲模擬耳鳴聲，對受試者采用對偶比較法初步比較了多種掩蔽信號對耳鳴聲的掩蔽效果。本文的試驗結果證明，耳鳴聲頻率的不同對于掩蔽信號的掩蔽效果有所影響，但并不明顯。試驗中采用的自然聲掩蔽效果普遍優于粉紅噪聲和窄帶噪聲，自然聲中又以流水聲和雨聲的掩蔽效果最佳。
由于聽覺感受因人而異，多個受試者的試驗結果差異較大。本文的試驗只是一個初步的探索，其目的是為了大致探究一下自然聲用于耳鳴掩蔽的可行性和進行合理和有效試驗的依據。本文的試驗結果有一定的參考價值，但具體的掩蔽信號音量和掩蔽信號持續時間等各個環節的因素如何影響掩蔽效果，這都是我們下一步試驗研究的內容。
引言
耳鳴是指人們在沒有任何外界刺激條件下所產生的異常聲音感覺，不僅會造成患者精神痛苦、煩躁不安，而且影響他們的正常生活與工作。由于耳鳴的產生原因非常復雜，部分耳鳴能夠治愈，但仍有部分耳鳴尚無特效的藥物及手術療法。采用掩蔽信號對耳鳴聲進行掩蔽可以在一定程度上緩解耳鳴帶來的不適。但是，掩蔽信號自身也會引入新的煩擾。因此，為了在緩解耳鳴帶來的不適的同時又不會引入過多新的干擾，如何選擇合適的掩蔽信號是一個很重要的問題。
1995 年 Feldmann 發現，盡管心理聲學中前向掩蔽僅能持續數毫秒，但耳鳴掩蔽中卻能持續幾分鐘[1]，因此對于耳鳴信號的掩蔽規律不易使用現有的掩蔽理論進行推測。2000 年，Vernon 和 Meikle 指出一家主要耳鳴治療中心 60% 的患者被推薦使用帶有掩蔽功能的助聽器，單獨使用助聽器有時也能滿足部分患者的耳鳴掩蔽需求[2]。目前常見的耳鳴掩蔽信號包括窄帶、寬帶噪聲或言語噪聲[3]。但這類掩蔽聲煩擾度較高，聽覺感受有待進一步改善。在其他為了降低聲音煩擾度而引入掩蔽聲的場景下，比如開放型辦公室以及車內聲環境，已經有研究者嘗試使用不同類型的掩蔽聲并且取得了較好的效果[4-5]。2011 年，丹麥唯聽公司的新型助聽器中加入了禪音程序，用于耳鳴的習服及掩蔽治療，也獲得了廣泛的認可，但該程序算法復雜，對設備要求高。為緩解耳鳴帶來的不適，本文嘗試使用多種自然聲對類似單頻信號的耳鳴聲進行掩蔽，并對掩蔽后的聽覺舒適度展開研究，研究結果展示了利用自然聲進行類單頻耳鳴掩蔽的可行性，可以在此基礎上改進現有耳鳴掩蔽信號，提高耳鳴掩蔽治療的舒適度。
1 試驗介紹
試驗目的是研究多種自然聲對于特定單頻信號的掩蔽效果，受試者主要關注的是聽覺舒適度。
1.1 受試者
一共有十二位受試者參與試驗（6 男，6 女），平均年齡 32 歲，其中年齡最大的 40 歲（女），年齡最小的 22 歲（男），受試者聽力均正常，其中部分受試者有從事聲學工作的經驗。
1.2 測試信號
1.2.1 耳鳴聲 試驗中采用兩種單頻信號模擬耳鳴聲。這是因為試驗研究表明，大部分耳鳴患者的耳鳴主頻為純音性質，其中頻率分布在 4 000 Hz 以上者占 39.24%[6]。考慮到耳鳴主頻的分布以及實驗條件的限制，本試驗中采用的兩種單頻聲頻率分別為 700 Hz 和 5 000 Hz。
1.2.2 掩蔽信號 試驗中的掩蔽信號包括兩種常用噪聲以及 4 種自然聲，共 6 種：粉紅噪聲、中心頻率與單頻聲對應的窄帶噪聲、鳥叫聲、水流聲、森林聲和雨聲。其中，自然聲均為某一種特定的聲音，如鳥叫聲為某一時間在某地錄制的某一種鳥的叫聲，窄帶噪聲的帶寬為 400 Hz。掩蔽信號的頻譜圖如圖 1 所示。
圖1
試驗中所用掩蔽信號頻譜圖
Figure1.
Spectrogram of maskers in experiment
1.3 試驗方法
試驗中將耳鳴聲疊加不同的掩蔽信號。已有文獻表明，當被掩蔽信號和掩蔽信號的信噪比降低時，掩蔽效果越好[7]。但是若保持被掩蔽信號的幅度固定不變，降低信噪比則代表掩蔽信號的幅度增大，會明顯降低聽覺舒適度。因此本文折中選用耳鳴聲和掩蔽聲信噪比為 –6 dB 的掩蔽信號作為測試信號，研究耳鳴聲疊加哪種掩蔽信號的聽覺感受更為舒適，適合長期聆聽。本次試驗的主觀評價方法采用對偶比較法[8]。這種方法的優越性在于只需要受試者對兩個對象做出判斷，說出更偏愛哪個，避免了各種定義不確切的形容詞，減小了主觀誤差。為了避免室內環境和聲像空間感對試驗的可能干擾，也為了模擬耳鳴患者佩戴耳鳴掩蔽器的實際情況，試驗用耳機進行，耳機為森海塞爾 [HD380 Pro，森海塞爾電子（北京）有限公司]，播放設備采用聯想筆記本電腦（T440p，聯想集團），試驗信號為單聲道。而且為了保證每個受試者聽到的信號是一樣的，所用耳機、電腦的音量相同，并調節到適當的水平。
試驗分兩組進行，A 組的模擬耳鳴聲為頻率為 700 Hz 的單頻信號，B 組的模擬耳鳴聲為頻率為 5 000 Hz 的單頻信號，掩蔽信號均包括：鳥叫聲、水流聲、森林聲、雨聲、粉紅噪聲和中心頻率與單頻聲對應的窄帶噪聲，受試者所聽到的信號為加上某種掩蔽聲的模擬耳鳴聲（6 個）或者未加掩蔽聲的模擬耳鳴聲（1 個），共 7 個信號。每個信號長 10 s，進行比較的兩個信號稱為一對信號，兩個信號之間間隔 3 s。每組包括信號 =21 對。兩個信號交換前后播放順序成為 21 對新信號，共 42 對信號隨機順序播放。也就是每個受試者所聽到的測試信號兩組共 84 對信號，兩組試驗間有 30 min 或更長的休息時間，避免受試者聽覺疲勞。每組試驗測試信號的播放時間為（10 s+3 s+10 s）×42 對=966 s，加上受試者進行判斷的時間，每組試驗的持續時間約為 20 min。本試驗采用信度檢驗對受試者的兩次試驗結果進行一致性判斷，當受試者兩次試驗誤差在 40% 以內被認為是可以接受的，所以選取信度系數大于等于 0.6 的樣本為有效樣本。本試驗受試者全部通過信度檢驗。
2 試驗結果
試驗采用的是對偶比較法，難以計分顯示結果。因此考慮將各個受試者的試驗結果排序。比如受試者 1 的結果顯示聽覺舒適度最差的是未加任何掩蔽信號的單頻聲，則單頻聲在 7 個信號中的排序為 7，聽覺舒適度最高的排序為 1。受試者 1 的結果顯示掩蔽信號為流水聲或森林聲的舒適度均優于其他掩蔽信號，但這二者之間比較的兩次結果不一致，即無法得出二者之間的優劣排名，則將流水聲及森林聲的信號排序均列為（1+2）/2=1.5。按照此方法，將十二位受試者試驗結果的平均值作為兩組試驗結果，如表 1 所示。兩組試驗分別用試驗 A 和試驗 B 表示。
表1
掩蔽信號聽覺舒適度評分
Table1.
Grade of comfort for maskers
3 討論與分析
兩組試驗的結果均顯示，未添加掩蔽信號的單頻聲是最為令人煩擾的，聽覺舒適度最差的。也就是說試驗中采用的 6 種掩蔽信號均能在一定程度上提高單頻聲的聽覺舒適度。兩組試驗中，粉紅噪聲和窄帶噪聲對于單頻聲聽覺舒適度的改善最為無力，分別排在最后一位和倒數第二位。試驗 A 中，森林聲的改善舒適度效果也較弱，僅好于粉紅噪聲和窄帶噪聲，鳥叫聲的效果稍強于森林聲，但差別不大。而水流聲和雨聲的掩蔽效果明顯優于其他掩蔽信號，其中水流聲的排序更高，是這 6 種掩蔽信號中掩蔽效果最好的。試驗 B 中，粉紅噪聲和窄帶噪聲仍然分別排在最后一位和倒數第二位，掩蔽效果不及其余 4 種自然聲掩蔽信號。水流聲的掩蔽效果仍為最佳，其次是雨聲，森林聲和鳥叫聲緊隨其后，森林聲的掩蔽效果稍優于鳥叫聲，二者分別排在第三、四位。
試驗 A 中采用的模擬耳鳴信號是頻率為 700 Hz 的單頻信號，水流聲和雨聲的掩蔽效果較好可能是二者的能量集中頻帶恰好位于 700 Hz 附近，這和被掩蔽信號的頻率越接近掩蔽信號則越容易被掩蔽的聽覺特性相符。窄帶噪聲雖然頻率接近單頻信號，但本身的煩擾度較高，因此舒適度一般。試驗 B 中采用的模擬耳鳴信號是頻率為 5 000 Hz 的單頻信號，與該頻率接近的自然信號是鳥叫聲和森林聲，可見在該試驗中鳥叫聲和森林聲的舒適度得分高于試驗 A 的結果，這同樣符合聽覺掩蔽特性。但與其他類型聲相比，二者的掩蔽效果均不如水流聲和雨聲，其原因可能是鳥叫聲并非連續信號，因此掩蔽有中斷現象，引起了不適；而森林聲的頻帶能量分布較廣，同樣音量的森林聲接近耳鳴特征頻率的能量相對其他信號較少，因此能量不足以產生較好的掩蔽效果。但是兩組試驗也都表明，自然聲的掩蔽效果普遍要強于粉紅噪聲和窄帶噪聲。兩組試驗模擬耳鳴信號的單頻聲頻率不同，試驗結果說明對待不同頻率的單頻聲，同一種掩蔽信號的掩蔽效果會發生變化，但變化并不明顯，尤其是掩蔽效果較好的掩蔽信號，如水流聲和雨聲在兩組試驗中都表現突出，這可能與掩蔽信號的是否連續、能量集中頻率和自身的聽覺舒適度有關。
4 結論
本文以單頻聲模擬耳鳴聲，對受試者采用對偶比較法初步比較了多種掩蔽信號對耳鳴聲的掩蔽效果。本文的試驗結果證明，耳鳴聲頻率的不同對于掩蔽信號的掩蔽效果有所影響，但并不明顯。試驗中采用的自然聲掩蔽效果普遍優于粉紅噪聲和窄帶噪聲，自然聲中又以流水聲和雨聲的掩蔽效果最佳。
由于聽覺感受因人而異，多個受試者的試驗結果差異較大。本文的試驗只是一個初步的探索，其目的是為了大致探究一下自然聲用于耳鳴掩蔽的可行性和進行合理和有效試驗的依據。本文的試驗結果有一定的參考價值，但具體的掩蔽信號音量和掩蔽信號持續時間等各個環節的因素如何影響掩蔽效果，這都是我們下一步試驗研究的內容。
