口罩的声学性能及其对教室语言清晰度的影响_徐炤圆.pdf

2022年第46卷第10期1Acoustics FoundatioN声 学 基 础文献引用格式：徐炤圆，楼志坚，张三明.口罩的声学性能及其对教室语言清晰度的影响 J.电声技术，2022，46（10）：1-4，13.XU Z Y，LOU Z J，ZHANG S M.Acoustic performance of masks and influence on speech intelligibility in classroomJ.Audio Engineering，2022，46（10）：1-4，13.中图分类号：TU112.2+3 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.001口罩的声学性能及其对教室语言清晰度的影响徐炤圆，楼志坚，张三明（浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310000）摘要：利用硅胶人头模型和小型扬声器，研究普通防护口罩、医用外科口罩及 N95 口罩对于声信号的影响。普通防护口罩、医用外科口罩使声信号在 250 Hz 8 kHz 的频率上大约降低了 4 5 dB，而 N95 口罩大约降低了 8.2 dB。三种口罩的声学衰减都是在正前方最大，在后方较小。普通防护口罩与医用外科口罩的指向性与对照组相比没有明显变化，N95 口罩对声音的指向性影响较大。为了反映真实教室环境中不同口罩对汉语语言清晰度的影响，测量一个典型大学教室的房间脉冲响应，与KXY 表录音卷积，并利用小扬声器播放卷积后的音频文件，28 名听力正常的受试者完成了本次测试。结果表明，医用外科口罩和 N95 口罩会明显降低语言清晰度，普通防护口罩的测试结果无明显变化。关键词：口罩；声学性能；大学教室；语言清晰度Acoustic Performance of Masks and Influence on Speech Intelligibility in ClassroomXU Zhaoyuan,LOU Zhijian,ZHANG Sanming(College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310000,China)Abstract:This paper studies the influence of ordinary protective masks,medical surgical masks and N95 masks on acoustic signals by using silica gel head models and small loudspeakers.Ordinary protective masks and medical surgical masks reduce the frequency of acoustic signals between 250 Hz 8 kHz by about 4 5 dB,while N95 masks reduce the frequency of acoustic signals by about 8.2 dB.The acoustic attenuation of the three masks is maximum in the front and small in the rear.Compared with the control group,the directivity of common protective masks and medical surgical masks did not change significantly,and N95 masks had a greater impact on the directivity of sound.In order to reflect the influence of different masks on Chinese language intelligibility in a real classroom environment,the room impulse response of a typical university classroom was measured and convolved with the KXY table recording.28 subjects with normal hearing completed the test by playing convolved audio files through small speakers.The results showed that medical surgical masks and N95 masks could significantly reduce the speech intelligibility,and the test results of common protective masks had no significant change.Keywords:mask;acoustic performance;university classroom;clarity of language0 引 言新冠肺炎疫情的大流行已经成为影响全世界的大问题，许多国家和地区都在推行使用口罩。口罩的使用可以有效减少病毒的传播，但是口罩会对语言交流产生不利影响，对教室场景来说，会直接影响到教学的质量。口罩的声学影响一直被认为是一个低通滤波器，它减弱了中高频的语言强度。MENDEL 1等对15 名听力正常的听者和 15 名听力障碍者进行了听音测试，结果表明两类人群佩戴外科口罩与不佩戴外科口罩时的平均语音感知均分无明显差异，但实验是在极为理想的环境中进行的，平均语音感知得分均大于 90 分，因此其结果可能并不能反映实际交流情况。PRSCHMANN2 等人利用假头和口腔模拟器测量了 6 种口罩对声信号的影响，结果表明所有口罩在 2 000 Hz 以上都会产生明显的传输损耗，呼吸式口罩在 3 000 Hz 的传输损耗可达 15 dB，远高于医用口罩与布口罩的 6 dB 左右。同时，两种呼吸2022年第46卷第10期2声 学 基 础coustics FoundationA式口罩对声音指向性产生了较大影响，而其他口罩对指向性的影响很小。TORSTEN 3 等人的研究表明，外科口罩和 N95 口罩分别降低了噪声中的语音感知阈值 1.6 dB 与 2.7 dB，外科口罩对听努力度（listening effort）的影响较小，而 N95 口罩显著增加了听努力度。许多研究者对口罩进行了测量，但没有公布口罩的材料特性等特征，这导致了实验的不确定性。TREVOR 4等人用多普勒激光振动计测量了口罩和插入件的振动来了解传声机制，同时还测量了孔隙率以及材料流阻等口罩属性。BOTTALICO 5等人通过测量两个不同房间的脉冲响应，研究了实际情况下的声信号衰减与语言可理解性，并得出了不同的结论：织物口罩对声信号的总体衰减为 4.2 dB，N95 口罩和外科口罩的衰减相似，分别为 2.9 dB 和 2.3 dB。而戴织物口罩的人说话的可理解性降低了 16%，戴外科口罩和 N95口罩的人说话的可理解性分别降低了 12%与 13%。CHOI6 研究了口罩对语言清晰度以及听努力度的影响，结果表明外科口罩和 KF94 口罩在 2 kHz 和 5 kHz 之间的高频声音减少了 6 12 dB，戴 N95口罩获得的感知难度在较低的信噪比情况下比不戴口罩时增加了 10%。目前，关于口罩对实际场景如课堂环境的语言清晰度的影响研究较少，尤其汉语不同于西方语言，它是一种声调语言，KANG 7 指出当室内语言清晰度满足西方语言时，不一定满足汉语，反之亦然。因此，本文在测量口罩对声信号强度与指向性的影响的基础上，模拟实际大学教室场景进行主观听音实验，研究了不同口罩对汉语语言清晰度的影响。1 口罩声学及主观语言清晰度实验根据世界卫生组织 2020 年的分类，口罩可分为布口罩、医用口罩、过滤式面罩式呼吸口罩。实验选择了以下三种口罩，与不戴口罩的实验组进行对比，如图 1 所示。（1）普通防护口罩。外层无纺布纤维，活性炭吸附层，熔喷静电过滤层，低敏丙纶无纺布，尺寸为18 cm9.5 cm，质量为 4.2 g。（2）医用外科口罩。浅蓝色非织造布，熔喷布，白色非织造布，尺寸为 17.5 cm9.5 cm，质量 为 2.4 g。图 1 实验所用口罩（3）N95 口罩。外层纺粘层+熔喷布+内层纺粘层，尺寸为 16.5 cm10 cm，质量为 5.3 g。实验选取了实心全硅胶假人头模型，该模型头宽 15 cm，头高 23 cm，头厚 10 cm，重量为 1.5 kg。扬声器直径 36 mm，厚度 5 mm，额定阻抗为 8，额定功率为 2 W，额定特性灵敏度 933 dB，失真率小于 3%。实验选择了一个比较典型的大学教室作为研究对象，其结构如图 2 所示。教室尺寸为 15 m8.2 m2.6 m，容积为 319.8 m3，座位数为 96座，左右两边还有 37 座旁听座位。在教室中无人员及杂物的情况下，用 NTI XL2 多功能信号分析仪进行了测试，结果表明教室中频混响时间为 1.2 s，背景噪声为35 dB（A）。同时记录了房间脉冲响应。图 2 实验研究教室为了测量不同口罩对声信号衰减以及指向性的影响，用扬声器播放标准的粉红噪声，在扬声器正前方 1 m 处用声级计 C 记权慢响应测得的声压2022年第46卷第10期3Acoustics FoundatioN声 学 基 础级为 67 dB。分别在不戴口罩，以及戴着普通防护口罩、医用外科口罩、N95 口罩的情况下，采用 NTI XL2 多功能信号分析仪测量离扬声器正前方 0.5 m处的各频率声压级，并在以小扬声器中心为圆心，半径为 0.5 m 的圆周上，用 NTI XL2 多功能信号分析仪每隔 30测量一次总声压级。实验用具如 图 3 所示。图 3 实验用具语言清晰度的测试方法参照中华人民共和国国家标准 声学 语言清晰度测试方法（GB/T 155081995）。将获取到的房间脉冲响应与符合测量要求的 KXY 表录音在 Adobe Audition 版本 2020 中进行卷积，以模拟教室的真实环境。整个实验在半消声室中进行，消声室尺寸为 6.0 m 4.8 m4.2 m，容积为 120.96 m3。在没有通风系统运行的情况下，消声室的背景噪声为 19 dB（A）。在不戴口罩，以及戴着普通防护口罩、医用外科口罩、N95 口罩的情况下，播放卷积好的音频文件，在扬声器正前方 1 m 处用声级计 C 记权慢响应测得的声压级为 67 dB。28 名受试人完成了汉语语言清晰度的测试，受试人均为浙江大学建筑系研究生，听力正常，能熟练地进行听写，每位受试者随机完成一张奇数测试表和一张偶数测试表。2 实验结果在扬声器前方 0.5 m 处测得的声压级情况如图 4 所示。结果表明，所有的口罩对各频率都有大小不同的衰减，不同口罩对声信号的影响在大于 2 kHz 的频率上差别较大，这与之前的研究结果一致6，8，9。从高频来看，普通防护口罩的声衰减略小于医用外科口罩，而 N95 口罩的衰减明显较大，达到了 10 dB。在中低频范围内并没有测量出明显的衰减，这可能是因为实验使用了简单的小扬声器，而没有使用人工嘴，但这与 BOTTALICO 5 等人的研究结果接近。普通防护口罩、医用外科口罩使声信号在 250 Hz 8 kHz 的整体声压级降低了4 5 dB，而 N95 口罩大约降低了 8.2 dB。除了在扬声器正前方进行声压级测量外，本研究也对 250 Hz 和 8 kHz 之间的整体声压级的方向分布进行了比较。如图 5 所示，三种口罩的声学衰减都是在正前方最大，在后方较小。普通防护口罩与医用外科口罩的指向性与对照组相比没有明显变化，但