聋儿语音的声学参数分析
作者：郭宇正 林金森 张正国 刘洁芬 吴立平 宋晓华
单位：郭宇正 林金森 张正国 中国医学科学院中国协和医科大学基础研究所(北京100005)；刘洁芬 吴立平 宋晓华 北京市聋儿康复中心
关键词：聋儿；声学参数分析；语训；基频；共振峰
听力学及言语疾病杂志990410 【摘要】 目的 分析聋儿言语困难的原因，为语训工作提供其语言在语训中变化的情况。方法 对16名正常儿童和23名聋儿语音的基频(FO)、共振峰(F1、F2、F3)等参数进行分析。结果 聋儿学习语言进步慢的主要原因之一是其获得语音信息，特别是语音高频信息的能力较差。结论 应加强对聋儿感受高频语音信息能力的补偿，并在语训过程中跟踪聋儿语音的变化情况，随时提供聋儿学语困难所在的信息。
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Acoustic Parameter Analysis of Deaf Children's Speech
Guo Yuzheng,Lin Jinsen,Zhang Zhengguo,et al.
(Chinese Academy of Medical Sciences,Institute of Basic Medical Sciences Peking Union Medical College,School of Basic Medicine，Beijing, 100005)
【Abstract】 The fundamental frequencies(F0)and formants(F1、F2、F3)of speech in 16 normal children and 23 deaf children were analyzed.The results indicated that deaf children had poor abilities in acquiring speech information, especially those with high frequency hearing loss.So we suggest that it is necessary to provide special compensation of acquiring speech information of high frequency to deaf children,and to track acoustic changes of deaf children during their speech rtaining in order to understand their difficulties in study on time.
, 百拇医药
【Key words】 Deaf children Acoustic parameter analysis Speech training Fundamental frequency Formant
在获得语言能力以前产生听力障碍的聋儿，由于不能正常感知语言，其发声建立在不正常的参照基础上，一般都会产生言语障碍。实践证明，对这些聋儿进行早期干预，包括听力补偿、言语训练，可以使他们的言语能力达到正常交往的水平[1]。有调查表明，实际平均年龄为10岁的聋儿，综合言语年龄只有1.7岁[2]。可见，聋儿的言语能力的提高是很慢的，这一方面是由于聋儿听力损失使他们学习困难。另一方面是因为传统对言语能力监测的方法不能说明聋儿语音在哪些方面异常，以及为什么异常[3]。
为了分析聋儿学语困难的原因，为语训工作提供聋儿语音在语训中变化的情况，本文以正常语音声学参数为参考，分析聋儿在语训中各阶段语音的声学参数。
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1 资料与方法
1.1 实验对象 正常儿童16名，均为一年级小学生，其中男6名，年龄7～8岁，平均年龄7岁2个月。聋儿23名，为北京聋儿康复中心的学龄前儿童，其中男15名，女8名，年龄在4～6岁，平均年龄4岁10个月，平均听力损失为90 dB HL。
1.2 检测方法 本实验用于提取语音参数的硬件为486DX 100兼容机配Logitech公司的Soundman16型声卡。软件为加拿大AVAAZ Innovation公司的“计算机语音研究环境”(computer speech research enviroment)。
本实验选择/a/、/u/、/i/三个元音作为声样。提取其基频(F0)和前三个共振峰(F1、F2、F3)作为本研究分析的参数。正常儿童的声样采集：在隔声室内，受试者口距麦克风5～10厘米，以平时正常情况下的发声音调和强度依次发/a/、/i/、/u/三个元音，每个音发两次。实验结果由两次发音的平均值确定。
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聋儿语音样本来自北京聋儿康复中心保存的每个聋儿的语训录音带。把聋儿按其500 Hz、1 kHz、2 kHz处的听力损失的平均值，分为两组。听力损失在70～89 dB HL的为重度组，听力损失在90 dB HL以上的为极重度组。对各组聋儿，用录音机分别采集他们在入学、语训一年、语训一年半和语训两年时/a/、/i/、/u/三个音的语音样本，然后把记录到的样本采入计算机进行分析。
1.3 参数的归一化：
在分析参数时，不直接用参数的绝对值，而是先进行归一化处理，其计算公式如下：
式中：N：归一化值；O：原始值；S：标准值
其中标准值是指正常儿童该参数原始值的均值。
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本文中，把落在正常儿童参数的95%可信限内作为达到正常水平的标准。按照正态分布均值95%可信限内作为达到正常水平的标准。按照正态分布均值95%可信限的计算公式：θ＝
。本文中均值进行了归一化处理，即M=1。又因为归一化计算中用了绝对值运算，因此可信限只需计算一侧，即：
式中θ为95%可信限，s为样本方差，n为样本量，1.96为正态分布均值95%可信限临界值。
2 结果
2.1 两组聋儿语训过程中语音参数的变化情况见图1～3。图中横坐标为语训时间，以年为单位；纵坐标为相对于正常儿童的发声的变化情况。
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图1 不同听力损失聋儿/a/音F0
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿图2 不同听力损失聋儿/u/音F0
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿
图3 不同听力损失聋儿/a/音F1
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿
各参数经归一化值以时间为横坐标。各图中纵坐标为1的水平线为正常儿童均值，其下的水平虚线为正常儿童参数的95%可信限。可见聋儿元音参数在语训中的变化特点为，聋儿对不同的元音表现的变化情况不同，聋儿语音参数在语训中的变化具有波动性。
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2.2 聋儿发音在不同频率段的语音与正常儿童发音的比较见图4和图5。比较2 kHz及其以上频段和2 kHz以下频段，发现2 kHz以下段总的水平都在0.8左右，在此基础上通过语训产生的进步有可能使聋儿的语音水平达到或接近正常儿童的水平。而2 kHz及以上却始终与正常儿童有很大的差别，尽管语训中一部分聋儿曾有进步的表现，但是要达到或接近正常儿童水平还相差很远。
图4 不同听力损失聋儿1 kHz段注音变化情况
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿
图5 不同听力损失聋儿4kHz段变化情况
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿3 讨论
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本研究所观察到的现象可能解释为什么聋儿语言能力的进步很慢，即使经过语训，要达到正常儿童水平也有困难。因为言语的主要能量在其低频成份中，其高频成分对言语清晰度有很大作用。而聋儿由于在语训中高频参数进步不大，语音清晰度的提高也较慢。
从听力与言语识别率的关系来考虑，聋儿语音高频段进步较慢的原因可能有两个方面：①对听力损失在重度以上的聋儿，可能即使给予听力补偿，也不能使聋儿得到语音信号的高频信息。这与耳科学中认为听力损失超过80 dB HL的患者，只能通过助听器感到声音，而不能提高言语识别率的观点是一致的。Ching[4]等人也曾发现，对高频段有重度以上听力损失的患者给以足够的高频补偿，对他们理解言语的帮助不大；②是聋儿在高频段的听力补偿程度不够。本研究所涉及的听力损失为重度以上的聋儿，多以半增益类的补偿公式[5]，如POGO2等，选择助听器增益，对其进行听力补偿。但是由于聋儿在高频区听力损失比低频区严重助听器高频响应较差等原因，有可能使这些及聋儿在高频区未能达到处方要求补偿水平。因此，用适当的方法，如植入人工耳蜗、利用触觉反馈等，使聋儿能感受到语音中的高频信息，并将之作为发音参照的一部分，是语训工作面临的一个重要问题。
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语音参数与口形和舌位的变化有关，因为聋儿有听力损失，所以不能通过正确的反馈途径调整发音器官的形状、位置。这也说明了加强聋儿听力补偿或以其他方式给以聋儿正常反馈的重要性。聋儿是否对不同类型的元音掌握舌位和口形的能力不同，还需进一步的研究来证明。
聋儿语音参数在两年内的变化，反映了聋儿在语训中发音器官的运动情况及其语音各成份随时间的变化。因此，语音参数分析作为一种客观方法引入语训过程的跟踪是有重要意义的，它使语训工作者能及时掌握聋儿语音的进展情况和困难所在，包含的信息量比较多，使语训工作更具针对性，能更有效地控制聋儿语音的进步。
4 参考文献
1 孙喜斌.儿童听力语言障碍.见：吴海生，蔡来舟，主编.实用语言治疗学.北京：人民军医出版社，1995.56～57.
2 宋晓华.聋儿听力语言康复的研究与实践.见：李宏泰，主编.聋校康复教育的研究与实践.北京：社会科学文献出版社，1996.3～32.
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3 Monsen RB.Toward measuring how well hearing-impaired children speak.J Speech Hear Res,1978,21:197.
4 Ching TYC,Dillon H,Byrne D.Speech recognition of hearing-impaired listeners:predictions from audibility and the limited role of high-frequency amplification.J Acoust Soc Am,1998,103:1128.
5 Byrne D,Dillon H.The national acoustic laboratories(NAL)new procedure for selecting the gain and frequency response of a hearing aid. Ear Hear,1986,7:257.
(1998-10-27收稿 1999-04-12修回), 百拇医药
单位：郭宇正 林金森 张正国 中国医学科学院中国协和医科大学基础研究所(北京100005)；刘洁芬 吴立平 宋晓华 北京市聋儿康复中心
关键词：聋儿；声学参数分析；语训；基频；共振峰
听力学及言语疾病杂志990410 【摘要】 目的 分析聋儿言语困难的原因，为语训工作提供其语言在语训中变化的情况。方法 对16名正常儿童和23名聋儿语音的基频(FO)、共振峰(F1、F2、F3)等参数进行分析。结果 聋儿学习语言进步慢的主要原因之一是其获得语音信息，特别是语音高频信息的能力较差。结论 应加强对聋儿感受高频语音信息能力的补偿，并在语训过程中跟踪聋儿语音的变化情况，随时提供聋儿学语困难所在的信息。
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Acoustic Parameter Analysis of Deaf Children's Speech
Guo Yuzheng,Lin Jinsen,Zhang Zhengguo,et al.
(Chinese Academy of Medical Sciences,Institute of Basic Medical Sciences Peking Union Medical College,School of Basic Medicine，Beijing, 100005)
【Abstract】 The fundamental frequencies(F0)and formants(F1、F2、F3)of speech in 16 normal children and 23 deaf children were analyzed.The results indicated that deaf children had poor abilities in acquiring speech information, especially those with high frequency hearing loss.So we suggest that it is necessary to provide special compensation of acquiring speech information of high frequency to deaf children,and to track acoustic changes of deaf children during their speech rtaining in order to understand their difficulties in study on time.
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【Key words】 Deaf children Acoustic parameter analysis Speech training Fundamental frequency Formant
在获得语言能力以前产生听力障碍的聋儿，由于不能正常感知语言，其发声建立在不正常的参照基础上，一般都会产生言语障碍。实践证明，对这些聋儿进行早期干预，包括听力补偿、言语训练，可以使他们的言语能力达到正常交往的水平[1]。有调查表明，实际平均年龄为10岁的聋儿，综合言语年龄只有1.7岁[2]。可见，聋儿的言语能力的提高是很慢的，这一方面是由于聋儿听力损失使他们学习困难。另一方面是因为传统对言语能力监测的方法不能说明聋儿语音在哪些方面异常，以及为什么异常[3]。
为了分析聋儿学语困难的原因，为语训工作提供聋儿语音在语训中变化的情况，本文以正常语音声学参数为参考，分析聋儿在语训中各阶段语音的声学参数。
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1 资料与方法
1.1 实验对象 正常儿童16名，均为一年级小学生，其中男6名，年龄7～8岁，平均年龄7岁2个月。聋儿23名，为北京聋儿康复中心的学龄前儿童，其中男15名，女8名，年龄在4～6岁，平均年龄4岁10个月，平均听力损失为90 dB HL。
1.2 检测方法 本实验用于提取语音参数的硬件为486DX 100兼容机配Logitech公司的Soundman16型声卡。软件为加拿大AVAAZ Innovation公司的“计算机语音研究环境”(computer speech research enviroment)。
本实验选择/a/、/u/、/i/三个元音作为声样。提取其基频(F0)和前三个共振峰(F1、F2、F3)作为本研究分析的参数。正常儿童的声样采集：在隔声室内，受试者口距麦克风5～10厘米，以平时正常情况下的发声音调和强度依次发/a/、/i/、/u/三个元音，每个音发两次。实验结果由两次发音的平均值确定。
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聋儿语音样本来自北京聋儿康复中心保存的每个聋儿的语训录音带。把聋儿按其500 Hz、1 kHz、2 kHz处的听力损失的平均值，分为两组。听力损失在70～89 dB HL的为重度组，听力损失在90 dB HL以上的为极重度组。对各组聋儿，用录音机分别采集他们在入学、语训一年、语训一年半和语训两年时/a/、/i/、/u/三个音的语音样本，然后把记录到的样本采入计算机进行分析。
1.3 参数的归一化：
在分析参数时，不直接用参数的绝对值，而是先进行归一化处理，其计算公式如下：
式中：N：归一化值；O：原始值；S：标准值
其中标准值是指正常儿童该参数原始值的均值。
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本文中，把落在正常儿童参数的95%可信限内作为达到正常水平的标准。按照正态分布均值95%可信限内作为达到正常水平的标准。按照正态分布均值95%可信限的计算公式：θ＝
。本文中均值进行了归一化处理，即M=1。又因为归一化计算中用了绝对值运算，因此可信限只需计算一侧，即：式中θ为95%可信限，s为样本方差，n为样本量，1.96为正态分布均值95%可信限临界值。
2 结果
2.1 两组聋儿语训过程中语音参数的变化情况见图1～3。图中横坐标为语训时间，以年为单位；纵坐标为相对于正常儿童的发声的变化情况。
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图1 不同听力损失聋儿/a/音F0
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿图2 不同听力损失聋儿/u/音F0
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿
图3 不同听力损失聋儿/a/音F1
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿
各参数经归一化值以时间为横坐标。各图中纵坐标为1的水平线为正常儿童均值，其下的水平虚线为正常儿童参数的95%可信限。可见聋儿元音参数在语训中的变化特点为，聋儿对不同的元音表现的变化情况不同，聋儿语音参数在语训中的变化具有波动性。
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2.2 聋儿发音在不同频率段的语音与正常儿童发音的比较见图4和图5。比较2 kHz及其以上频段和2 kHz以下频段，发现2 kHz以下段总的水平都在0.8左右，在此基础上通过语训产生的进步有可能使聋儿的语音水平达到或接近正常儿童的水平。而2 kHz及以上却始终与正常儿童有很大的差别，尽管语训中一部分聋儿曾有进步的表现，但是要达到或接近正常儿童水平还相差很远。
图4 不同听力损失聋儿1 kHz段注音变化情况
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿
图5 不同听力损失聋儿4kHz段变化情况
□-重度组聋儿 △-极重度组聋儿3 讨论
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本研究所观察到的现象可能解释为什么聋儿语言能力的进步很慢，即使经过语训，要达到正常儿童水平也有困难。因为言语的主要能量在其低频成份中，其高频成分对言语清晰度有很大作用。而聋儿由于在语训中高频参数进步不大，语音清晰度的提高也较慢。
从听力与言语识别率的关系来考虑，聋儿语音高频段进步较慢的原因可能有两个方面：①对听力损失在重度以上的聋儿，可能即使给予听力补偿，也不能使聋儿得到语音信号的高频信息。这与耳科学中认为听力损失超过80 dB HL的患者，只能通过助听器感到声音，而不能提高言语识别率的观点是一致的。Ching[4]等人也曾发现，对高频段有重度以上听力损失的患者给以足够的高频补偿，对他们理解言语的帮助不大；②是聋儿在高频段的听力补偿程度不够。本研究所涉及的听力损失为重度以上的聋儿，多以半增益类的补偿公式[5]，如POGO2等，选择助听器增益，对其进行听力补偿。但是由于聋儿在高频区听力损失比低频区严重助听器高频响应较差等原因，有可能使这些及聋儿在高频区未能达到处方要求补偿水平。因此，用适当的方法，如植入人工耳蜗、利用触觉反馈等，使聋儿能感受到语音中的高频信息，并将之作为发音参照的一部分，是语训工作面临的一个重要问题。
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语音参数与口形和舌位的变化有关，因为聋儿有听力损失，所以不能通过正确的反馈途径调整发音器官的形状、位置。这也说明了加强聋儿听力补偿或以其他方式给以聋儿正常反馈的重要性。聋儿是否对不同类型的元音掌握舌位和口形的能力不同，还需进一步的研究来证明。
聋儿语音参数在两年内的变化，反映了聋儿在语训中发音器官的运动情况及其语音各成份随时间的变化。因此，语音参数分析作为一种客观方法引入语训过程的跟踪是有重要意义的，它使语训工作者能及时掌握聋儿语音的进展情况和困难所在，包含的信息量比较多，使语训工作更具针对性，能更有效地控制聋儿语音的进步。
4 参考文献
1 孙喜斌.儿童听力语言障碍.见：吴海生，蔡来舟，主编.实用语言治疗学.北京：人民军医出版社，1995.56～57.
2 宋晓华.聋儿听力语言康复的研究与实践.见：李宏泰，主编.聋校康复教育的研究与实践.北京：社会科学文献出版社，1996.3～32.
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3 Monsen RB.Toward measuring how well hearing-impaired children speak.J Speech Hear Res,1978,21:197.
4 Ching TYC,Dillon H,Byrne D.Speech recognition of hearing-impaired listeners:predictions from audibility and the limited role of high-frequency amplification.J Acoust Soc Am,1998,103:1128.
5 Byrne D,Dillon H.The national acoustic laboratories(NAL)new procedure for selecting the gain and frequency response of a hearing aid. Ear Hear,1986,7:257.
(1998-10-27收稿 1999-04-12修回), 百拇医药