第 5 期齐娜等 : 中国成年人耳廓形态测量及分类 519 文的工作是在前人工作的基础上对耳廓形态进行群体研究, 随机选取不同地域成年男女各 202 名, 对其左右耳进行拍照测量研究所选对象年龄在 18~28 岁之间, 外耳发育正常在分析耳廓外形特征的基础上进行分类, 在此基础上选取最具有代表性

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毽沈
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1 第 29 卷第 5 期声学技术 Vol.29, No 年 10 月 Technical Acoustics Oct., 2010 中国成年人耳廓形态测量及分类齐娜 1, 李莉 2, 赵伟 3 ( 中国传媒大学声学研究所, 北京 ) 摘要 : 每个人的耳廓外形细节特征等都各不相同, 而制作反映中国成年人平均生理特性的人工耳, 需要有关耳廓的平均细节形态特征对中国成年男女耳廓形态进行群体研究, 测量了 202 名成年女性和 202 名成年男性的耳廓形态特征在此基础上对耳廓的形态按照细节进行分类和相应的分析, 并根据统计结果给出具有代表性的平均耳细节特征最后以耳廓的不同的生理结构影响为出发点, 以平均耳为基准制作了 10 种不同的耳廓模型关键词 : 耳廓模型 ; 形态测量 ; 平均耳中图分类号 :O428 文献标识码 :A 文章编号 : (2010) DOI 编码 : /j.issn Morphometry and classification of Chinese adult s auricles QI Na 1, LI Li 2, ZHAO Wei 3 (Communication Acoustics Library, Communication University of China, Beijing , China) Abstract: Every one has their own characteristics in ear shape and the details. Manufacturing artificial ears, which reflect average physiological characteristics of Chinese adults, needs the average morphological characteristics of auricles. Based on the measurement of auricle morphological characteristics for total 202 Chinese grown-up men and 202 women, the classification of auricles and the corresponding analysis has been made, and according to the statistical results the representative average ear s characteristics are given. Finally from the auricle s different physiological structures, ten kinds of auricle models are manufactured on the basis of average ears. Key words: auricle model; morphology measure; average ear 1 引言随着移动新媒体走进人们的生活, 如何提高移动多媒体中声音的重放质量引起了更多人的关注采用仿真人工头录音技术可大大简化真人双耳录音的难度和复杂度, 并只需两个通道即可获得良好的空间听觉效果人工头模细节对声音感知有不同的影响, 精细结构 ( 耳廓细节肩部等 ) 越接近真人, 声源感知定位效果越好因此可以通过刻画耳廓细节提高仿真人工头的精细度不同人的耳廓外形细节特征等都不相同, 而耳廓的细节特征对听觉感知听觉定位等均有一定的影响仿真人工头的尺寸和特征是根据一定人群的统计平均结果或按照某个标准设计的, 所用材料的声学性质也应尽量与真人相似目前国外有关采用人工头模进行双耳听觉方面的研究工作开展的比较多, 国际上几种常见的人工头模为 : 一是收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ) 作者简介 : 齐娜 (1978-), 女, 哈尔滨人, 副研究员, 研究方向为音频技术虚拟声技术通讯作者 : 李莉, qingyily@126.com KEMAR 人工头模及躯干模拟器, 它配有两组不同尺寸的耳廓, 大的耳廓适用与欧美男性, 小的耳廓适用于欧美女性和日本人 ; 二是丹麦 B&K 公司设计的 HATS 人工头及躯干模拟器 ; 三是 Head Acoustics 公司生产的 HMS 型人工头,HMSII 型人工头模对耳廓作了简化, 并且躯干也只是设计了肩部 ; 还有纽曼公司和 01dB 公司生产的人工头模 MK2B 其他还有丹麦大学设计的 VALDEMAR 人工头, 纽曼 KU100 仿真头模等这些人工头模都是依照西方人的形态和生理尺寸制作的, 并且现有的基于西方人的耳廓模型并不适合中国人因此要建立反映中国人生理特性的声学头模, 其人工耳的耳廓形态也应该具有中国人的代表性及普遍性目前国内在有关人耳参数测量方面做了一些工作, 1998 年制定的国标 GB/T 成年人头面部尺寸测量了上万名成年人人头面部尺寸, 也给出了有关耳廓的相关结构参数的统计数据 [1] ; 华南理工大学在测量 HRTF 数据库时也对人耳参数进行了相关测量 [2] ; 此外还有一些是从医学解剖学的角度出发对耳廓进行了相关测量 [3] 但这些已有的针对人耳的参数测量因应用场合研究方向受限, 尚不足以用于制作具有普遍代表意义的人工耳模型本

2 第 5 期齐娜等 : 中国成年人耳廓形态测量及分类 519 文的工作是在前人工作的基础上对耳廓形态进行群体研究, 随机选取不同地域成年男女各 202 名, 对其左右耳进行拍照测量研究所选对象年龄在 18~28 岁之间, 外耳发育正常在分析耳廓外形特征的基础上进行分类, 在此基础上选取最具有代表性的耳廓外形结构, 为人工耳的制作提供基础参数 2 耳廓的生理与声学功能 2.1 耳廓的听觉功能人耳有两个主要功能 : 一个是众所周知的听觉功能, 另一个是平衡功能, 与前庭系统有关耳由外耳中耳和内耳三部分组成外耳收集声音, 判断声源方向并对声音进行放大外耳包括耳廓和外耳道两部分耳廓位于头颅两侧, 主要结构为软骨耳廓状如贝壳, 有前后两面, 前面凸凹不平, 有与耳模制作和耳模佩戴有关的重要解剖结构, 例如耳甲艇耳甲腔耳屏和对耳屏等其中耳廓的听觉功能有以下几种 : (1) 收集声音 : 人类耳廓可以收集到 20Hz~ 20kHz 的声音 (2) 定位 : 两耳可对不同位置的声源做出判断 (3) 扩大声能 : 当耳廓尺寸与声波波长相比拟时, 耳廓与其发生共振扩大声能 (4) 频谱调制 : 限定了声音可收到范围及扩大言语的频率范围 2.2 耳廓对声源的听觉感知定位作用声音的定位靠的是双耳效应, 即由双耳时间差和声级差来判断声源方向可是到了上世纪 70 年代末期, 人们发现即使聋了一只耳的人, 对声音方向仍具有判别能力 1967 年,Batteau [4] 第一个发表了关于耳廓在听觉定位中作用的论文, 从而引起了声源定位研究中的一场小革命他认为, 耳廓是一个具有高度方向性的反射器同时提出了耳廓作用的一个简化理论, 不同方向入射的声波被耳廓不同的部位反射进入耳道, 反射声和直达声在耳道入口处进行叠加干涉, 从而在频谱上产生谷和峰这些谷和峰出现的频率与入射声波方向相关, 因而提供声源方向定位的单耳谱因素耳廓的尺度大约是 65mm 左右, 只有在 2~3kHz 以上的频率, 声波的波长可与耳廓的尺度相比拟, 耳廓才开始起作用 ; 对 5~6kHz 以上的高频声波, 耳廓的定位因素才开始明显因而耳廓是影响高频声源定位的一个重要 [5] 因素后来 Lopez-Poveda E A,Meddis 等进一步认证并充实了 Batteau 的理论, 指出耳廓对入射声波起到散射和多路径反射作用, 散射和反射波与进入耳道的直达声叠加干涉起到了频率滤波作用, 改变了声压的频谱, 并且耳廓对高频声波的散射和反射效果对耳廓大小和形状非常敏感耳廓引起的声压频谱特征对中垂面和水平面内前后镜像位置的声源方向定位十分重要, 并且随不同耳廓大小形状而变化 [6-10] 声压频谱中第一个谷点最突出, 称为耳廓谷在前中垂面耳廓谷的频率随着声源的仰角变化而变化, 当声源仰角从 40º 变化到 60º 时, 耳廓谷的频率大约是从 5~6kHz 变化到约 10~12kHz, 耳廓谷点频率是一个重要的定位因素 Raykar 等提出一种确定耳廓谷点频率的方法, 并进一步推理出耳廓生理结构与 HRTF 谱结构存在一定的对应关系他认为耳廓谱中第一个谱谷点是耳甲的反射造成的, 第三个谱谷点可能是由于耳轮脚所分割耳甲的上部分即耳甲艇所造成的并采用时间窗线性预测自相关函数和群延时计算等信号处理方法来提取耳廓谷点频率, 以提高其分辨率此外根据谷点频率反推声波入射路程, 在此基础上可进一步推测出耳廓耳甲形状等 Raykar 指出, 不同耳甲形状对声源定位具有很大的影响, 建立耳廓模型必须要考虑到这点 [11] Searle, C [12] 等从双耳谱因素的角度进行研究, 指出左右耳在听觉定位中所起的作用不同并对不同位置的声源感知有不同的影响, 其中耳甲在声音感知中起了很重要的作用当声源从中垂面偏移, 离声源近的耳 ( 同侧耳 ) 对声源感知作用加大, 异侧耳减小对于侧垂面上的声源, 当方位角大于 60º 时, 同侧耳的声源定位的能力大大减弱其中, 异侧耳对于前后混淆有一定作用, 同侧耳的定位能力要大于异侧耳 2.3 耳廓精细结构与个性化 HRTF 头相关传输函数 (Head-Related Transfer Function,HRTF) 指在自由场头部固定不动的情况下声波从声源到双耳的频域传输函数, 它包含了声源定位的主要信息 (ILD,ITD, 谱因素等 ), 在双耳听觉的研究中具有重要的意义头相关传输函数反映了头部耳廓躯干等生理结构的综合滤波作用它是声源方向距离频率的连续函数, 并且和生理参数的尺寸密切相关, 是具有明显个性化特征的物理量影响 HRTF 的主要因素可以分成两类 : 一类是与方向有关的因素, 这类因素包括躯体影响肩膀反射头部衍射和反射耳廓和耳腔的反射 ; 另一类是与方向无关的因素, 这些因素包括耳腔共振以及耳道与鼓膜的阻抗等其中, 耳廓和耳腔的反射

3 520 声学技术 2010 年对 HRTF 高频精细结构的影响最大 [13] 确定影响 HRTF 的关键生理参数, 以及生理参数测量的精确性对于解决 HRTF 的近似是一个重要的前提个性化 HRTF 近似有几种典型的方法 : 数据库匹配法 (Database Matching Method), 主成分分析与生理参数回归 (Primary Component Analysis, PCA) 分解法, 结构模型法 (Structural Model Method), 频率标度法 (Frequency Scaling Method, FSM) 等就本质而言, 这几种方法都是根据一定规模人群的生理测量数据, 利用数据挖掘等方法预测其他个体的 HRTF 耳廓是影响高频 HRTF 精细结构的主要因素, 耳廓引起的 HRTF 谱特征根据耳廓精细结构的不同而具有个性化, 因此可以单独提取耳廓研究其各个不同生理部位对 HRTF 的影响, 以提高个性化 HRTF 的近似精确度并为 HRTF 的个性化补偿提供方法在此基础上可对人工头模进行改进单独耳廓的传输特性称为耳廓相关传输函数 (Pinna-related Transfer Function, PRTF) 分析 PRTF 的谱特性并建立物理参数控制共振模型, 进一步对谱结构谷点分析, 建立起耳廓传输函数与耳廓生理模型和听觉系统之间的关系, 将能更好地解释耳廓复杂形状结构与听音定位之间的联系发达程度将耳廓软骨部分为了六种类型 [3] 第五种和第六种的区别在于耳尖微显和没有耳尖, 整体的形态区别并不明显耳尖是其分类的主要标准, 这更多是从医学解剖学的角度来划分归类耳垂分为 : 圆形方形三角形三种类型 (a) 猕猴型长尾猴型尖耳尖型 3 现有耳廓分类现在公认的耳廓形态分类方法是 1988 年杨月如等从医学的角度提出的 [14], 根据耳廓的形态以及达尔文结节的发达程度把耳廓软骨部分为六种 ( 如图 1 所示 ): I 猕猴型 : 耳轮上外侧呈尖形突出而不向内卷, 耳轮仅在耳廓外缘上三分之一出现 II 长尾猴型 : 耳轮上缘有尖形突起呈三角形, 外侧缘向内卷不明显 III 尖耳尖型 : 耳廓上外侧缘圆滑, 外侧缘内卷曲, 达尔文结节特别明显 IV 圆耳尖型 : 耳廓略宽, 上缘及耳垂略呈尖形, 达尔文结节呈圆隆状 V 耳尖微显型 : 耳廓上缘平坦, 达尔文结节微显, 呈痕迹状, 侧缘内卷曲延伸至耳垂 VI 缺耳尖型 : 耳廓外缘弧度较大, 边缘向内卷曲明显, 达尔文结节缺如此次对中国人的调查中, 绝大部分测量对象属于第五种和第六种 ( 男性 95.2%, 女性 96%) 而 Ⅰ 型 Ⅱ 型和 Ⅲ 型极少杨月如在文献中并未提及耳廓分类方法的依据, 她主要从耳轮和达尔文结节的圆耳尖型耳尖微显型缺耳尖型 (b) 实例照片图 1 从医学的角度上对耳廓进行分类 Fig.1 The classification of auricles from the medical point 按照上述分类方法, 对 202 名女生左右耳 ( 共计 404 只 ) 202 名男生左右耳 (404 只 ) 进行统计可得出表 1 的结果 : 表 1 耳廓形态分类统计表 ( 单位 : 只 ) Table 1 Statistics of auricle shape classification 猕猴型长尾尖耳圆耳耳尖微缺耳猴型尖型尖型显型尖型总计女生男生总计百分比 1% 2% 3% 9% 21% 64% 100% 在此次调查中发现,404 人中共有 2 人左右耳差异很大, 如图 2 所示, 所以一般研究中可认为左右耳是形同的另有两人耳轮结节凸显与耳廓表面

4 第 5 期齐娜等 : 中国成年人耳廓形态测量及分类 521 表 2 女生分类结果 ( 单位 : 人 ) Table 2 Classification results for women 耳甲连通型间隔明显介于两者耳轮脚分割耳轮游离部长耳垂耳屏与对耳屏形状内高型 13 圆形 48 狭长型 19 相平型 73 方形 12 中等型 65 外高型 14 三角形 40 宽广型 4 开放型 12 图 2 1 个左右耳不对称的例子 Fig.2 An example of asymmetric ears 形成一个腔体, 对声音的接收可能有一定的影响 4 基于测量结果的耳廓分类在听觉系统中, 耳既是一个接受器, 又是一个分析器, 它在把外界复杂的声音信号转变成内在的神经信息的编码过程中起着重要的作用耳廓的主要作用是收集声音刺激然后传递给中耳和内耳从对声音感知程度的角度分析, 我们更关注耳廓带有腔体的具体细节对声音可能的影响 [12,15-17] 所以以此为目的, 初步对耳廓进行新的形态分类新的分类选取了 4 个参数变量, 主要依据耳甲, 即耳甲艇和耳甲腔的连通状态把耳廓分为四大类 ( 连通型间隔型介于两者之间耳轮脚分割型 ) 然后根据耳轮游离部长耳屏与对耳屏形状耳垂三个参数分别分成 3,4,3 种类型示意图如图 3 所示表 3 男生分类结果 ( 单位 : 人 ) Table 3 Classification results for men 耳甲连通型间隔明显介于两者耳轮脚分割耳轮游离部长耳垂耳屏与对耳屏形状内高型 2 圆形 69 狭长型 7 相平型 76 方形 7 中等型 70 外高型 22 三角形 24 宽广型 8 开放型 15 型是 : 耳甲艇与耳甲腔间隔介于两者之间, 耳轮游离部长是相平型, 耳屏与对耳屏形状中等, 耳垂圆形同样男生平均耳类型为 : 耳甲艇与耳甲腔间隔明显, 耳轮游离部长相平型, 耳屏与对耳屏形状中等型, 耳垂圆形图 4 分别给出了女生男生平均耳的图片表 4 平均耳特征 Table 4 Characteristics of average ear 参数项目耳甲耳轮游离部长耳垂耳屏对耳屏形状男生间隔明显相平型圆形中等型女生介于两者相平型圆形中等型 (1) 女生 Female (2) 男生 Male 图 4 平均耳外形 Fig.4 The shape of average ear 图 3 耳廓外型的分类 Fig.3 Classification of auricle shape 根据上述分类, 统计结果如表 2 3 所示其中表 2 为女生统计结果, 表 3 为男生统计结果从上面的统计结果可以得出有关平均耳的特征如表 4 所示对女生而言, 占比例最多的耳朵类在对不同男女性外耳进行调查统计中还发现如下现象 : 首先, 男性外耳线条比较硬朗, 耳轮游离很明显, 细节更为丰富 ; 其次, 男性耳甲腔普遍较女性大并且深 ; 此外, 男性耳屏与对耳屏之间距离也较女性大从耳垂的分类上来讲, 女性耳垂圆形与三角形比例相当, 占多数, 而男性则大部分为圆形可以说一定程度上, 男性两耳的细节成分更为相似, 而女性两耳细节差别较男性大因此, 在制作人工耳的时候, 有关性别的差别可能需要考虑

5 522 声学技术 2010 年 5 结语许多的文献和研究指出耳廓有四个主要沟槽 : 耳甲耳舟三角窝耳屏与对耳屏, 其中耳甲是耳廓腔体的主要部分实验验证分别堵塞这些沟槽, 对声源定位的错误率有不同的影响 [18,19] 因此从平均耳特征出发, 分别对四个腔体进行消减或者填补等改变, 制作了 10 种不同的耳廓模型来考察其对声音的影响作用耳廓的形状大小等对声像定位的影响目前研究尚无定论, 用不同形式的仿生耳廓进行录音, 可能会强化或者消弱某些方位的声源信号, 为解决声像畸变问题提供一个新的思路研究耳廓精细结构, 以测量为基础, 加上主观评价试验, 研究去除不重要的细节成分, 保留对声源定位作用重要的细节, 建立耳廓精细结构与 HRTF 之间关系, 为补偿个性化 HRTF 问题提供基础准备在人工头模细节制作上, 本文在分别对 404 名成年男生女生耳廓外形轮廓分类按照不同的标准进行分类比较后, 以平均耳为基准制作 10 种不同的耳廓模型而所提出的分类方法是否能代表耳部细节特征在听感上的差异, 以及提出的 10 种耳廓制作模型是否可以进行对比归类, 则有待于进一步的研究和分析参考文献 [1] GB/T 成年人头面部尺寸 [S]. GB/T The dimension of adult s head and face[s]. [2] 谢箥荪, 钟小丽. 头相关传输函数数据库及其特性分析 [J]. 中国科学, G 辑, 物理学, 力学, 天文学, 2006, 36(5): XIE Bosun, ZHONG Xiaoli. The database of HRTF and analysis of the character[j]. The science of China, G, Physics, Mechanics, Astronomy, 2006, 36(5): [3] 范松青, 艾荷秀. 耳廓的测量与美学探讨 [J]. 解剖学杂志, FAN Songqing, AI Hexiu. The measurement and aesthetics discussion of auricle[j]. Anatomy magazine, [4] Batteau D W. The role of the pinna in human localization[j]. Proc. R. Soc. London, Ser. B. 1967, 168: [5] Lopez-Poveda E A, Meddis R. A physical model of sound diffraction and reflections in the human concha[j]. J. Acoust. Soc. Am, 1996, 100: [6] Gardner M B, Gardner R S. Problem of localization in the median plane: Effect of pinna cavity occlusion[j]. J. Acoust. Soc. Am. 1974, 53: [7] Hebrank J, Wright D. Spectral cues used in the location of sound sources on the median plane[j]. J. Acoust. Soc. Am. 1974, 56: [8] Musicant A, Butler R. The influence of pinnae-based spectral cues on sound localization[j]. J. Acoust. Soc. Am, 1984, 75: [9] Asano F, Suzuki Y, Sone T. Role of spectral cues in median plane localization[j]. J. Acoust. Soc. Am, 1990, 88: [10] Langendijk E H A, Bronkhorst A W. Contribution of spectral cues to human sound localization[j]. J. Acoust. Soc. Am, 2002, 112, [11] Raykar V C, Duraiswami R, Yegnanarayana B. Extracting frequencies of the pinna spectral notches in measured head related impulse responses[j]. J. Acoust. Soc. Am, 2005, 118: [12] Searle C, Braida L, Cuddy D, Davis M. Binaural pinna disparity: Another auditory localization cue[j]. J. Acoust. Soc. Am, 1975, 57: [13] 钟小丽, 谢箥荪. 衣服耳廓对肩部反射及头相关传输函数的综合影响 [J]. 声学技术, 2006, 25(2): ZHONG Xiaoli, XIE Bosun. Overall influence of clothing and pinnae on shoulder reflection and HRTF[J]. Technical Acoustics, 2006, 25(2): [14] 杨月如, 吴红斌. 耳廓的解剖学研究 [J]. 解剖学杂志, YANG Yueru, WU Hongbin. The anatomy research of auricles. Anatomy Magazine, [15] Burkhard M D, Sachs R M. Anthropometric manikin for acoustic research[j]. J. Acoust. Soc, Am, 1975, 58(1): [16] John C. Middlebrooks, Individual differences in external-ear transfer functions reduced by scaling in frequency[j]. J. Acoust. Soc. Am, 1999, 106: [17] Algazi V R, Duda R O, Thompson D M. The CIPIC HRTF database [18] Morimoto, M. The contribution of two ears to the perception of vertical angle in sagittal planes[j]. J. Acoust. Soc. Am, 2001, 109: [19] Humanski RA, Butler RA (1988) the contribution of the near and far ear toward localization of sound in the sagittal plane[j]. J Acoust Soc Am 83:

JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION Vol. 31 No. 5 Oct /35 TU3521 P315.

31 5 2011 10 JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION Vol. 31 No. 5 Oct. 2011 1000-1301 2011 05-0075 - 09 510405 1 /35 TU3521 P315. 8 A Earthquake simulation shaking table test and analysis