语音清晰度(STI/STIPA)测量方法及其重要性

本文涵盖了测量原理、实际现场操作流程、设备要求,以及可能导致误判合格/不合格结果的解读误差。STI 之所以重要,是因为在大多数使用中的建筑里,语音清晰度是主要的声学性能指标。人类语音包含快速的幅度波动——音节、辅音、停顿——这些波动承载着信息内容。混响时间长的房间会“填充”音节之间的停顿,降低调制深度。背景噪声会掩盖语音信号中较安静的部分,同样会降低调制深度。
语音清晰度(STI/STIPA)测量方法及其重要性

STI 测量的内容及其重要性

语言传输指数(STI)是国际公认的指标,用于量化房间及其扩声系统向听众传递清晰可懂语音的效果。该指标依据IEC 60268-16:2020标准定义,得出一个介于0至1之间的单一数值,用以表示说话者与听众之间保留的语音信息比例。语言传输指数为0.75时,语音效果为“极佳”——听众几乎能听懂每一个单词;指数为0.30时,效果为“较差”——听众能听懂的句子不到一半,且需要不断根据语境猜测内容。

STI 之所以重要,是因为在大多数使用中的建筑里,语音清晰度是主要的声学性能指标。

人类语音包含快速的幅度波动——音节、辅音、停顿——这些波动承载着信息内容。混响时间长的房间会“填充”音节之间的停顿,降低调制深度。背景噪声会掩盖语音信号中较安静的部分,同样会降低调制深度。

该标准规定了两种测量方法:语言传输指数(STI,包含98个调制传递值、7个倍频程频段和14个调制频率)以及语音传输指数现场版(STIPA,包含14个调制值,专为公共广播/语音辅助系统的现场使用而简化)。这两种方法均对房间混响和背景噪声如何降低承载语音信息的幅度调制进行量化。

扩声系统本身设计精良——配备了带有数字信号处理、方向控制功能的优质线阵列扬声器,且声压级覆盖范围充足。问题并非出在电声设备上,而是源于房间声学特性。当房间让每个音节都产生3.2秒的混响时,没有任何扩声系统能让语音清晰可辨。每个单词都会与下一个单词混为一谈,在距离扬声器10米以外的区域,直达声与混响声的比值会急剧下降。

STI 基于调制传递函数(MTF),该函数描述了一个房间及其音响系统如何保留或削弱语音中的幅度调制。

MTF 在 7 个倍频程频段(125、250、500、1000、2000、4000、8000 赫兹)内,于 14 个调制频率(0.63、0.80、1.00、1.25、1.60、2.00、2.50、3.15、4.00、5.00、6.30、8.00、10.0、12.5 赫兹)下被测量或计算,生成一个包含 98 个数值的 14×7 矩阵。每个数值 m(F,f) 代表在倍频程频段 f 中,调制频率 F 下的调制深度衰减量。

对于一个混响时间为 T、信噪比为 S/N(单位为分贝)的房间,其调制传递函数(MTF)可以通过理论方法估算:

m(F,f) = [1 / sqrt(1 + (2 pi T/13.8)^2)] [1 / (1 + 10^(-S/N / 10))]

第一项反映混响劣化;第二项反映噪声掩蔽。随后将98个调制传递函数值转换为表观信噪比,结合语音加权因子在各频段取平均值,并映射至0至1的言语传输指数(STI)刻度。

 STI 可懂度分类

IEC 60268-16:2020标准的表2将STI值映射为定性类别:

STI范围

类别

 句子清晰度

0.00 - 0.30

Bad 差

理解的句子不足50%

0.30 - 0.45

Poor 贫困

~ 50-70%

0.45 - 0.60

Fair 尚可

~ 70-90%

0.60 - 0.75

Good 良好

~ 90-96%

0.75 - 1.00

Excellent 优秀

> 96%

这些类别与通用可懂度量表(CIS)以及主观听力测试相关。过渡并非截然分明——语音传输指数(STI)为0.59和0.61时在听觉上几乎无差别,但这些类别边界在规范和建筑法规中被广泛使用。

STIPA:现场测量方法

广播系统语音传输指数是为已安装的公共广播/语音增强系统进行现场实际测量而设计的简化版本。根据IEC 60268-16:2020标准第5部分的定义,STIPA采用一种经过特殊调制的测试信号,每个倍频程频段包含两种调制频率(共14种),可在约15至20秒内完成所有频段的同步测量。

  • STIPA信号源:一种标准化测试信号(可获取为WAV文件或由测量仪器生成)。该信号听起来像调制噪声,会通过被测扩声系统播放。
  • STIPA分析仪:一种测量麦克风和分析仪,可对接收信号进行解调并计算调制传递值。
  • 校准麦克风:推荐符合 IEC 61672 标准的 1 级麦克风,用于测量级测量时 2 级麦克风可接受。
  • 测量步骤

系统配置:

将公共广播系统设置为正常工作状态——正常增益、均衡器、延迟设置。不得使用特殊的“测试”模式。

源信号:

将 STIPA 测试信号以正常语音电平(距扬声器 1 米处约 65-70 分贝A)输入到公共广播系统中。

测量位置:

在整个覆盖区域内具有代表性的听众位置进行测量。最低测量位置取决于所采用的标准(BS 7827 规定在距离每个扬声器区域最远的听众位置进行测量)。

麦克风高度为1.2米(就坐时的耳朵高度)或1.5米(站立时)。取平均值:每次测量耗时15-20秒。每个位置至少进行3次测量并取平均值。测量期间需确保无瞬时噪声干扰(如关门声、电话铃声)。

背景噪声:

在倍频程频段的每个位置测量背景噪声水平(无信号状态)。背景噪声应能代表正常运行条件。

有人员与无人员测量

一个关键考量点是测量占用状态还是空置状态。人员会吸收声音并缩短混响时间,从而提升语言传输指数(STI)。但人员也会产生嘈杂声,进而降低语言传输指数(STI),最终净效应取决于空间类型。

大多数标准均规定在暖通空调系统运行且空间无人的条件下进行测量。若规范要求在人员在场的情况下进行STI测量,则必须明确说明这一点,并对测量条件形成书面记录。

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