語言傳輸指數(shù)直接與間接測量方法實(shí)驗(yàn)對比

祝培生，莫方朔，康 健

（1.大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，大連116023；2.同濟(jì)大學(xué) 聲學(xué)研究所，上海200092；3.謝菲爾德大學(xué) 建筑學(xué)院，英國 謝菲爾德，S10 2TN）

語言可懂度是音質(zhì)評價的重要指標(biāo)，可以用來評價廳堂或擴(kuò)聲系統(tǒng)的聲音傳輸質(zhì)量.對漢語語言可懂度的評價，可分為主觀評價和客觀評價.語言傳輸指數(shù)（speech transmission index，STI）方法因能夠較好地反映混響時間、信噪比對語言可懂度的影響，并具有一定的抗系統(tǒng)失真能力，被IEC（International Electrotechnical Commission）標(biāo)準(zhǔn)［1］采納并推薦，并在建筑聲學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.IEC 60268-16［1］自發(fā)布以來共經(jīng)過了4次修訂（1988；1998；2003；2011），2011修訂首次將間接測量方法納入推薦，這樣推薦的STI測量方法一共有兩種：基于信號調(diào)制的直接測量方法（以下簡稱直接法）和基于房間脈沖響應(yīng)的間接測量方法（以下簡稱間接法）.關(guān)于STI的計算模型及測量方法在相關(guān)文獻(xiàn)［2］中已有詳細(xì)描述.

作為IEC同時推薦的兩種方法，雖然理論上可以認(rèn)為當(dāng)直接法的測量信號包含調(diào)制頻率的周期數(shù)達(dá)到無限多時，就接近使用脈沖響應(yīng)計算調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)時的測量結(jié)果，但兩種方法是否可以認(rèn)為完全等效以及影響測量結(jié)果精度的因素有哪些，也是測試人員關(guān)心的問題.由于IEC 60268-16推薦間接法的時間還比較短，國內(nèi)、外相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對比研究還很難見到.

國內(nèi)與漢語語言可懂度有關(guān)的現(xiàn)行規(guī)范有兩本［3-4］，分別對應(yīng)于IEC 標(biāo)準(zhǔn)［1］和美國標(biāo)準(zhǔn)［5］.考慮到這兩本規(guī)范都有近20年沒有修訂的現(xiàn)狀，將STI直接法和間接法按照最新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)的對比研究具有較好的現(xiàn)實(shí)意義.本文通過對4個房間內(nèi)的12個測點(diǎn)共48個聽音條件進(jìn)行了測量，主要研究以下內(nèi)容：① 分別用直接法、間接法測量漢語標(biāo)準(zhǔn)頻譜的STI、公共廣播系統(tǒng)語言傳輸指數(shù)（speech transmission index for public address system，STIPA）并進(jìn)行對比；② 不同頻率響應(yīng)的測量系統(tǒng)對直接法和間接法STI測量結(jié)果的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文選取了4個不同的房間作為測試場所，包括一間辦公室、一間實(shí)驗(yàn)教室、一間多媒體報告廳和一間半消聲室（內(nèi)部放有1張辦公桌和4把椅子）.其中辦公室、實(shí)驗(yàn)教室和半消聲室的平面均為矩形，多媒體報告廳的平面為八邊形，表1給出了4個房間的基本情況.

表1 4個測試房間的基本情況Tab.1 Characteristics of the four test rooms

在辦公室內(nèi)共布置了2個測點(diǎn)，測點(diǎn)和聲源的布置情況如圖1所示；實(shí)驗(yàn)教室內(nèi)共布置了3個測點(diǎn)，測點(diǎn)和聲源的布置情況如圖2所示；多媒體報告廳內(nèi)共布置了6個測點(diǎn)，測點(diǎn)和聲源的布置情況如圖3所示；半消聲室內(nèi)布置了1個測點(diǎn)，測點(diǎn)和聲源的布置情況如圖4所示.在這4個測試房間中，接收點(diǎn)的高度都為1.2m，聲源的高度都為1.5m，圖1-3中S1為信號聲源，S2為干擾噪聲聲源，R1～R12為接收點(diǎn).

圖1 辦公室聲源與測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Source and receiver positions in the office

圖2 實(shí)驗(yàn)教室聲源與測點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Source and receiver positions in the laboratory

圖4 半消聲室聲源與測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Source and receiver positions in the semianechoic chamber

為獲得從非常差到非常好的聽音條件，對于4個房間中的每個測點(diǎn)，都設(shè)計了4種發(fā)聲條件，對應(yīng)于4種不同的信噪比.測量時，在發(fā)聲位置處布置了兩個聲源同時發(fā)聲（兩聲源相距0.5m），用人工嘴播放測試信號（直接法使用IEC 60268-16規(guī)定信號，間接法使用對數(shù)掃頻信號［1］），球面聲源播放經(jīng)過漢語語言頻譜調(diào)整的粉紅噪聲.語言信號播音條件按照IEC 60268-16要求，在半消聲室內(nèi)距離人工嘴正前方1m處聲壓級設(shè)定為60dB，同時調(diào)整干擾噪聲聲源的聲壓級，使得在距這兩個聲源1m處分別對應(yīng)于4個不同的信噪比：-5；0；10；20dB（這些信噪比并不代表現(xiàn)場測點(diǎn)處的實(shí)際信噪比）.然后將消聲室內(nèi)設(shè)定好的信號聲源和干擾噪聲聲源擺放到測試房間的相應(yīng)位置，依次對各測點(diǎn)進(jìn)行測量.測量時人工嘴使用的信號共有兩種，一種已經(jīng)對測量系統(tǒng)進(jìn)行了頻率響應(yīng)均衡，使用該信號測量了4個房間內(nèi)R1～R12測點(diǎn)的STI、STIPA（分別采用直接法和間接法）；另一種沒有進(jìn)行均衡，使用該信號測量了辦公室和實(shí)驗(yàn)教室兩個房間內(nèi)R1～R5測點(diǎn)的STI（分別采用直接法和間接法）.球面聲源播放的干擾噪聲信號經(jīng)過了頻率響應(yīng)均衡.

除了一些STIPA測試儀采用直接法以外，當(dāng)前常用的 STI測量平臺主要有 Dirac［6］、Aurora［7］等，都是采用的間接法.直接法由于測量時間較長，數(shù)據(jù)處理對硬件要求較高，尤其是完整STI（Full STI，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中建議一般只在科研時使用）更加難以測量，因此完整STI的直接法商業(yè)測量平臺很難見到.為能真實(shí)體現(xiàn)IEC 60268-16推薦的STI測量方法，并且采用漢語的標(biāo)準(zhǔn)語言頻譜，編寫了直接法的測量與計算程序，間接法測量則采用了Aurora測量平臺.間接法沒有編寫漢語標(biāo)準(zhǔn)語言頻譜的測試程序而采用了商用測量平臺，是因?yàn)檎Z言頻譜對間接法的影響主要體現(xiàn)在后期信噪比的修訂中，后面會對此做進(jìn)一步的討論.

1.2 提高測量結(jié)果的有效性

在測量過程中，系統(tǒng)的選用與匹配、聲源聲壓級的標(biāo)定、測試信號的生成及后期處理都可能帶來較大誤差.降低這些誤差的關(guān)鍵是采用標(biāo)準(zhǔn)化的測量系統(tǒng)、測試程序，測量過程也應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行.

實(shí)驗(yàn)所采用的測量系統(tǒng)包括信號聲源GRAS 44AA、干擾噪聲聲源PYRITE、功率放大器AMPHION（對應(yīng)于 PYRITE）、聲卡 B＆K ZE-0948、傳聲器B＆K 4189（供電系統(tǒng)為B＆K 1704）以及錄音軟件Audition3.0.測試前對整個系統(tǒng)進(jìn)行了回路校驗(yàn)，以保證其為線性時不變系統(tǒng)，沒有諧波產(chǎn)生.

聲源聲壓級的標(biāo)定較易產(chǎn)生誤差，進(jìn)而影響信噪比大小和STI測量結(jié)果，因此實(shí)驗(yàn)中兩個聲源都在半消聲室內(nèi)進(jìn)行了標(biāo)定，測試信號也在信號生成時通過濾波對聲壓級進(jìn)行了精確控制.

所用測試程序是否有效是測量結(jié)果可信的關(guān)鍵.假定已經(jīng)根據(jù)規(guī)范生成了調(diào)制深度為0.8的測試信號，然后將該信號直接當(dāng)做接收信號進(jìn)行后期處理（回路校驗(yàn)），得到的98個調(diào)制轉(zhuǎn)移值并不是0.8.造成這種情況的原因很多，比如所用粉紅噪聲是偽隨機(jī)信號；信號生成時需要濾波、調(diào)制；接收后還要濾波、包絡(luò)提取等.這些都會造成一些信號損失.為判斷這個誤差的大小，采用了統(tǒng)計學(xué)中單一樣本T檢驗(yàn)的方法.計算得到的相伴概率值為0.819，可認(rèn)為該98個數(shù)的均值和指定值0.8相比，沒有顯著性變化.98個0.8的調(diào)制轉(zhuǎn)移值和98個經(jīng)過回路后的調(diào)制轉(zhuǎn)移值還被同時用來計算STI，兩種情況下的STI相差僅為0.001，遠(yuǎn)小于1個最小可察覺差（just noticeable difference，JND），約為0.03［8］.由此可見，由測試程序帶來的誤差是非常小的.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 直接法、間接法測量結(jié)果對比

考慮到當(dāng)前采用直接法測量的商用儀器主要是STIPA測試儀，商用軟件平臺基本上采用間接測量方法，因此選用以下三組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析：直接法測量的STI、STIPA；直接法與間接法測量的STI；間接法測量的STI、STIPA.

圖5給出了直接法測得的STI與STIPA的差值（圖中橫坐標(biāo)每個測點(diǎn)的4個信噪比條件為-5，0，10，20，下同，縱坐標(biāo)為量綱一）.可以看到4個房間的數(shù)據(jù)沒有明顯的分布規(guī)律，48個測試條件的差值都非常小.這些差值基本分布在0軸線附近，最大差值為0.032，略大于1個JND，出現(xiàn)在多媒體報告廳的R6測點(diǎn)-5dB信噪比情況.可見直接法測得的STI與STIPA是非常接近的.測量時發(fā)現(xiàn)多媒體報告廳的前面和后面墻面之間具有較強(qiáng)顫動回聲，前后墻面之間的距離為18.7m，顫動回聲的頻率約為9.1Hz，這可能會對附近的調(diào)制頻率帶來影響，測點(diǎn)R6結(jié)果差別較大或許與此有關(guān).

圖5 直接法測量的STI與STIPA差值Fig.5 The difference between STI and STIPA measured with direct method

圖6給出了直接法與間接法測得的STI差值.可以看到48個測試條件的差值比較小，并且間接法整體上要比直接法略大，最大差值為0.038，略大于一個JND，出現(xiàn)在多媒體報告廳的R6測點(diǎn)0dB信噪比情況.由此可見采用直接法與間接法測量的STI并沒有本質(zhì)區(qū)別.

圖6 直接法與間接法測量的STI差值Fig.6 The STI difference between direct and indirect methods

圖7給出了間接法測量的STI與STIPA的差值.一般來說，間接法測量STIPA并不比STI省事，因此很少有人使用間接法測量STIPA.可以看到，48個測試條件的差值比較小，平均值僅為0.005 2，最大差值為0.03，小于一個JND，出現(xiàn)在半消聲室的R12測點(diǎn)20dB信噪比情況.可見間接法測量的STI與STIPA并沒有本質(zhì)區(qū)別.另外從圖7中也可以發(fā)現(xiàn)一個有趣現(xiàn)象，間接法測量的STI普遍比STIPA大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因還有待于進(jìn)一步研究.

圖7 間接法測量的STI與STIPA差值Fig.7 The difference between STI and STIPA measured with indirect method

2.2 測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)對直接法與間接法影響

圖8給出了直接法、間接法在系統(tǒng)頻率響應(yīng)修正與不修正兩種情況下的STI差值，包括辦公室、實(shí)驗(yàn)教室內(nèi)5個測點(diǎn)共20個測試條件，測試信號的頻率響應(yīng)修正是按照1 000Hz聲級相等設(shè)定的.從圖中可以看到，直接法、間接法的差值曲線基本相同，并且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：兩條曲線的STI差值都大于0，表明修正后的測量值都大于修正前的測量值；對于每個測點(diǎn)，信噪比為-5dB時，頻率響應(yīng)修正給兩種方法帶來的改善量都較小，但隨著信噪比的增加，改善量明顯加大，最大的改善量均出現(xiàn)在信噪比10dB時；而信噪比20dB時，改善量又有所降低；兩種方法的改善量約在0.050～0.279之間，都超過了1個JND，說明對于使用像人工嘴這樣頻率響應(yīng)較差聲源的測試系統(tǒng)來說，如果不進(jìn)行頻率響應(yīng)修正，測量結(jié)果是無法使用的.

一般來說，頻率響應(yīng)修正只會帶來信噪比的變化，對混響時間的影響較小，圖8中的測量結(jié)果也說明了這一點(diǎn)：-5dB時，由于信噪比非常低而對語言可懂度基本沒有貢獻(xiàn)，頻率響應(yīng)是否修正對5個測點(diǎn)產(chǎn)生的影響都非常小；0dB時，影響明顯增大；10 dB時影響迅速增大并達(dá)到最大值；20dB時STI差距沒有進(jìn)一步擴(kuò)大反而縮小，說明信噪比對語言可懂度的影響在超過一定值之后就會逐漸穩(wěn)定下來.另外從圖中也可以看到，在混響時間較長的實(shí)驗(yàn)教室內(nèi)（R3～R5測點(diǎn)），頻率響應(yīng)修正帶來的變化要小于混響時間較短的辦公室內(nèi)（R1～R2測點(diǎn)），說明混響時間也起到了一定的協(xié)同作用.由于混響時間和信噪比對語言可懂度的共同影響作用比較復(fù)雜，這些現(xiàn)象體所現(xiàn)出的內(nèi)在規(guī)律還有待于進(jìn)一步研究.

圖8 直接法與間接法頻率響應(yīng)修正與不修正的STI差值Fig.8 The STI difference between the corrected and the uncorrected frequency response conditions for the direct and indirect method

間接法測量一般分兩部分完成，包括脈沖響應(yīng)的測量和修正信噪比的測量，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)在這兩個環(huán)節(jié)中都有可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響.圖9給出了脈沖響應(yīng)進(jìn)行和不進(jìn)行頻率響應(yīng)修正對間接法測量結(jié)果的影響.從圖中可以看到，脈沖響應(yīng)是否修正對測試結(jié)果的影響非常小.這種情況也是正常的，因?yàn)槿绻麥y得的脈沖響應(yīng)各載波頻帶的信噪比非常高（例如超過20dB），此時頻率響應(yīng)修正帶來的信噪比變化就可能不會影響到混響時間的計算結(jié)果，對STI的影響也就基本可以忽略了.同時這也說明，是后期信噪比的修正對間接法測量結(jié)果產(chǎn)生了決定性影響.修正信噪比的測量一般是通過人工嘴播放沒有經(jīng)過調(diào)制頻率調(diào)制的7個載波頻帶合成信號，在測點(diǎn)位置處測量該信號的7個譜級；然后測量不播放該信號時的背景噪聲譜級，經(jīng)過計算可得到7個頻帶的信噪比.可見用來測量操作語言譜級的合成信號是否經(jīng)過頻率響應(yīng)修正、頻譜是否正確以及播放的聲壓級是否經(jīng)過準(zhǔn)確標(biāo)定都會對結(jié)果產(chǎn)生較大影響，這也是為什么會強(qiáng)調(diào)間接法對測量人員的素質(zhì)要求較高的原因.

圖9 間接法脈沖響應(yīng)的頻響修正與不修正時STI的差值Fig.9 The difference between the STI with and without frequency response correction for the measured impulse response of indirect method

2.3 對測量的多因素方差分析

實(shí)驗(yàn)中影響測量結(jié)果的因素較多，本文采用了統(tǒng)計學(xué)中的多因素方差分析方法進(jìn)行分析.在多因素方差分析模型中，共有三個因素，其中因素A為測試方法，有直接法和間接法兩個水平；因素B為混響時間，有0.59；1.7；0.9；0.11s四個水平；因素 C為信噪比，有-5；0；10；20dB四個水平；整個實(shí)驗(yàn)次數(shù)為96.一般影響測量結(jié)果的原因可分為兩大類：由測試系統(tǒng)本身和測試過程中的偶然性帶來的誤差，稱為隨機(jī)誤差，又稱組內(nèi)誤差；由混響時間、信噪比、測試方法作為測試控制變量對因變量STI的影響，稱為組間誤差，總誤差為組內(nèi)誤差和組間誤差之和.于是構(gòu)造了一個統(tǒng)計量F：

式中，k為水平數(shù)；n為總的樣本容量；SSA為組間離差平方和；SSE為組內(nèi)離差平方和.SSA可計算如下：

表2給出了計算結(jié)果，表中“＊”表示不同方法之間的交互影響，P為相伴概率值.

表2 多因素方差分析結(jié)果Tab.2 Multi-way analysis of variance

從表2中可知，混響時間的F值為205.68，相伴概率P值為0；信噪比的F值為1 149，P值為0；測試方法的F值為1.17，P值為0.28.這些結(jié)果說明測試方法對測量結(jié)果的影響非常小，大小與隨機(jī)誤差差不多，而混響時間和信噪比的影響則要大得多，尤其是信噪比的影響最大.這也很好地解釋了為什么間接法的后期信噪比標(biāo)定會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響.另外表2還給出了混響時間、信噪比、測試方法之間的交互影響數(shù)據(jù).可以看到混響時間與信噪比之間的F值為6.72，P值為0，說明二者的交互影響是顯著的.混響時間與測試方法之間、信噪比與測試方法之間、混響時間與信噪比以及測試方法之間的交互影響不顯著，相應(yīng)的F值、P值見表2.

圖10給出了混響時間與信噪比的交互影響關(guān)系.可以看到，在混響時間較短的半消聲室，隨信噪比的增加STI增長較快；在混響時間較長的實(shí)驗(yàn)教室，隨信噪比的增加STI增長較慢；辦公室與實(shí)驗(yàn)教室的混響時間接近，隨信噪比的增加二者STI的增長程度也接近（接近于平行）.

圖10 混響時間與信噪比交互影響關(guān)系圖Fig.10 Interaction diagram of reverberation time and signal-to-noise ratios

3 結(jié)論

對于建筑聲學(xué)來說，無論是直接法還是間接法，測得的STI和STIPA都能準(zhǔn)確反映出語言經(jīng)過聲傳輸通路后與語言可懂度相關(guān)特征的變化，測量結(jié)果都可用于語言可懂度的客觀評價，差別較小.但要獲得可信的測量結(jié)果，應(yīng)采用規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化的測量系統(tǒng)、測試程序，測量過程嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行，否則測量的數(shù)據(jù)之間沒有可比性，差別也會較大.

測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)對直接法和間接法都有較大影響，但影響的方式并不相同.直接法需要對測試信號做針對測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)預(yù)均衡，否則結(jié)果可能會有較大誤差；間接法的對數(shù)掃頻信號是否均衡對測量結(jié)果影響不大，前提是測得的脈沖響應(yīng)具有較大的信噪比；間接法后期修正信噪比的測量非常重要，用來測量操作語言聲級的信號是否經(jīng)過頻率響應(yīng)修正、頻譜是否正確以及播放的聲壓級是否經(jīng)過準(zhǔn)確標(biāo)定都可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響.

對測量的多因素方差分析表明，測試方法對測量結(jié)果的影響較小，大小與隨機(jī)誤差差不多，而混響時間和信噪比的影響則要大得多，尤其信噪比的影響最大；混響時間與信噪比之間存在著顯著的交互影響.

隨著IEC 60268-16第4次修訂的發(fā)布，語言可懂度客觀評價指標(biāo)在今后必將作為一個通用的聲學(xué)參量而獲得廣泛應(yīng)用，對于劇院、多功能廳、禮堂、體育館、教室等領(lǐng)域的傳統(tǒng)聲學(xué)測量也會向該領(lǐng)域拓展.但隨著測量領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，測試本身也會變得更富有挑戰(zhàn)性及意義重大，本文研究結(jié)果對此具有較好的參考價值.

［1］ International Electrotechnical Commission.IEC60268-16 Sound system equipment—part 16：objective rating of speech intelligibility by speech transmission index［S］.Geneva：IEC，2011.

［2］ 祝培生，莫方朔，路曉東，等.語言清晰度客觀評價方法——對IEC60268-16（4.0版，2011.6）規(guī)范的解讀［J］.電聲技術(shù)，2012，36（5）：40.ZHU Peisheng，MO Fangshuo，LU Xiaodong，et al.Objective rating methods of speech intelligibility—the interpretation on the IEC 60268-16 （4th ed，2011.June）standard［J］.Audio Engineering，2012，36（5）：40.

［3］ 中華人民共和國機(jī)械電子工業(yè)部.GB/T14476—93客觀評價廳堂語言可懂度的"RASTI"法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.Ministry of Mechanical and Electric Engineering of the People’s Republic of China.GB/T14476—93“RASTI”method for the objective estimating of speech intelligibility in auditoria［S］.Beijing：China Standard Press，1994.

［4］ 全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T15485—1995語言清晰度指數(shù)的計算方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.National Technical Committee on Acoustics of Standardization Administration of China.GB/T15485—1995 Acoustics methods for the calculation of the articulation index of speech［S］.Beijing：China Standard Press，1995.

［5］ Standards Secretariat Acoustical Society of America.ANSI S3.5-1997 Methods for the calculation of the speech intelligibility index［S］.New York：American National Standards Institute，1998.

［6］ Brüel ＆Kj?r Sound ＆ Vibration Measurement A/S.DIRAC room acoustics software，V5.0［Z］.Lyngby：Brüel ＆ Kj?r Sound ＆Vibration Measurement A/S，2010.

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［8］ Bradley J S，Reich R，Norcross S G.A just noticeable difference in C50 for speech［J］.Applied Acoustics，1999，58：99.