摘 要：語音傳輸指數(shù)（Speech Transmission Index，STI）是一個用于評估語音信號傳輸質(zhì)量的指標(biāo)，測量方法有完整STI法與公共廣播系統(tǒng)語音傳輸指數(shù)(Speech Transmission Index for Public Address Systems，STIPA)法，使用AWA6292型多功能聲級計與AWA5512型智能聲源，介紹采用STIPA法所進(jìn)行的無擴(kuò)聲時的測量、有擴(kuò)聲系統(tǒng)且含有傳聲器輸入時的測量、有擴(kuò)聲系統(tǒng)且通過線路輸入的測量，并詳細(xì)介紹儀器的操作，可將其應(yīng)用于會議室、教室、禮堂、體育館、廣播站，以及聽力輔助系統(tǒng)的測試中，為相關(guān)領(lǐng)域的從業(yè)者提供有價值的參考。語言是人與人之間溝通交流的主要手段。很多情況下，語言信號會受說話人與聽者之間信號路徑或傳輸通路的影響而減弱，導(dǎo)致在聽者位置處的語言可懂度降低。
語言清晰度（又稱語言可懂度）描述的是語音信息經(jīng)通信系統(tǒng)或公共廣播系統(tǒng)傳播后的清晰程度和完整性。很早的時候，人們通過人工測試的方式評估語言清晰度：一位朗讀者在讀一些沒有意義的字詞和音節(jié)，而聽者要盡可能正確記錄聽到的信息。結(jié)果以百分比形式給出，100%是滿分。GB/T 15508－1995就規(guī)定了這種“采用一個或幾個聽音人正確記錄一個或幾個發(fā)音人所發(fā)意義不連貫的音節(jié)比率，以定量地度量語言傳遞系統(tǒng)質(zhì)量的一種方法”。這種主觀方法既費時費力，試驗結(jié)果受各種因素影響較大。
為確定經(jīng)過傳輸通路后語言可懂度的降低程度，一個快速客觀的測量方法被開發(fā)出來，即語音傳輸指數(shù)（STI）。它是預(yù)測說話人發(fā)出的語音經(jīng)過傳輸通路到達(dá)聽者后的可懂度的客觀度量。通過對傳輸通路發(fā)出特定的測試信號，然后分析接收到的信號，導(dǎo)出傳輸通路的傳輸品質(zhì)并使用0～1之間的值表達(dá)，這就是STI。根據(jù)STI值，就可確定傳輸通路可能的語言可懂度。雖然STI方法仍有一定的局限性，但也被證明在很多條件下是非常有效的。GB/T 12060.16－2017《聲系統(tǒng)設(shè)備第16部分：通過語音傳輸指數(shù)客觀評價語言可懂度》規(guī)定了有關(guān)要求，同時指出：雖然漢語語言體系與西方語言體系有較大區(qū)別，但有研究表明，使用現(xiàn)有的STI方法客觀評價漢語的語言可懂度也具有適用性。GB/T 12060.16－2017修改采用的IEC標(biāo)準(zhǔn)有最新版本IEC 60268－16:2020。
簡單來說，語音傳輸指數(shù)是衡量語音傳輸質(zhì)量的一個指標(biāo)，該參數(shù)可以較為全面反映混響時間、信噪比和回聲等對語言清晰度的影響，并且考慮了系統(tǒng)失真、心理聲學(xué)效果（掩蔽效應(yīng)）等因素。它的值范圍為0～1，值越大說明清晰度越好。好的擴(kuò)聲系統(tǒng)即使用在聲學(xué)條件較差的環(huán)境也能達(dá)到0.45到0.65的結(jié)果，而在聲學(xué)環(huán)境較好的場所，能達(dá)到0.70至0.90。更直觀的例子是，一間優(yōu)秀的錄音棚內(nèi)，從麥克風(fēng)到監(jiān)聽音箱之間典型的STI值能達(dá)到0.90至0.97。圖1所示為評定等級，圖中字母為等級名稱，上面數(shù)字代表該等級的STI中心值，下面數(shù)字代表該等級的STI邊界值。A+是極高的語言可懂度，A、B和C是高的語言可懂度，D是較好的語言可懂度，E是高品質(zhì)的擴(kuò)聲系統(tǒng)，F(xiàn)是較好品質(zhì)的擴(kuò)聲系統(tǒng)，G是語音報警系統(tǒng)的目標(biāo)值，H是語音報警系統(tǒng)的正常下限，I是有限的語言可懂度，J和U是STI值太低，不宜用于擴(kuò)聲系統(tǒng)。
圖1 STI 的評定等級
1、STI測量方法
1.1 STI 測量方法
STI有兩種測量方法：使用調(diào)制信號的直接法和基于系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的間接法。
每個方法都有它的優(yōu)點和缺點，兩者也不一定能給出相同的結(jié)果。本文主要介紹直接法。
測量中應(yīng)盡量避免其他聲源干擾，測試信號的響應(yīng)時間應(yīng)足夠短，測試時間應(yīng)夠長以消除測量誤差。
1.2 完整 STI 法
最初，完整STI 測量包括98個獨立的測試信號，包含7個倍頻帶粉紅噪聲載波，其中心頻率為125、250、500、1000、2000、4000、8000Hz；每一個載波分別用14個極低頻的簡諧信號調(diào)制。調(diào)制信號的頻率為：0.63、0.80、1.0、1.25、1.6、2.0、2.5、3.15、4.0、5.0、6.3、8.0、10、12.5 Hz（相隔1/3倍頻程），98個測試信號按序依次生成。測量時每個調(diào)制信號平均10s，一個完整STI測量需要大約15min，因此，現(xiàn)在很少使用。而間接法被廣泛應(yīng)用于完整的STI。
1.3 STI 法原理
在語音信號中，信號的強度隨時間而變化，產(chǎn)生了語音強度包絡(luò)的變化。強度包絡(luò)的緩慢波動與詞和句子的邊緣對應(yīng)，而強度包絡(luò)的快速波動則與詞所包含的音位吻合。STI 測量可以確定語音信號經(jīng)過傳輸通路后強度包絡(luò)受影響的程度，得到的調(diào)制遞函數(shù)能夠量化通路對語音信號強度包絡(luò)的影響。
STI 法通過計算一系列語音包含頻帶的計權(quán)貢獻(xiàn)，得到一個0～1之間的值，該值即為語音傳輸指數(shù)。
1.4 STIPA 法
STIPA是完整STI的一種簡化形式，稱之為公共廣播系統(tǒng)語音傳輸指數(shù)。它是基于使用較少數(shù)量的調(diào)制指數(shù)進(jìn)行的測量。STIPA測試信號僅由1個測試信號組成，在7個倍頻帶中的每一個波段都預(yù)設(shè)兩個調(diào)制如表1所示。這14個調(diào)制指數(shù)是同時產(chǎn)生的。一次測量時間僅需15～25s，比完整STI要短得多，是直接方法的主要應(yīng)用途徑。調(diào)制指數(shù)也可以使用間接法得出，稱為STIPA（IR）。
STIPA是世界上測量語言清晰度應(yīng)用最廣泛的方法，本文所用的測量儀器就是使用STIPA法進(jìn)行測量的。
1.5 STIPA 測試信號的生成
（1）使用一個每倍頻程降低3dB的低通濾波器，從63Hz開始對白噪聲進(jìn)行濾波，生成粉紅噪聲。
（2）使用表1中的7個125～8000 Hz 的倍頻程帶通濾波器對粉紅噪聲進(jìn)行濾波。
（3）對每個倍頻帶載波信號按如式（1）所示的調(diào)制函數(shù)進(jìn)行調(diào)制。
mfm(t)=0.5{1+0.55[sin(2πf1mt)-sin(2πf2mt)]}(1)
式中：mfm(t)為振幅調(diào)制函數(shù)，f1m、f2m為表1中的第一個調(diào)制頻率和第二個調(diào)制頻率，t為時間秒。
（4）由于STIPA只使用男聲頻譜的測試信號，使用如表2所示男聲的修正值對各倍頻帶進(jìn)行修正。
（5）將所有調(diào)制過的載波信號進(jìn)行疊加，構(gòu)成STIPA的測試信號。
2、STIPA測量儀器
STIPA測量需要一個測試聲源和一臺STIPA分析儀。測試聲源可以是預(yù)先錄制有STIPA信號的音頻文件，再將這個文件輸入公共廣播系統(tǒng)發(fā)聲，也可以使用語音音箱或校準(zhǔn)過的測試揚聲器作為測試聲源，它應(yīng)盡可能與說話者具有相似的方向性。STIPA分析儀主要由傳聲器、前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及硬件和軟件組成，以提供計算STI所需的處理工具。所有這些都可以集成到單個設(shè)備中，或者是分開的硬件和軟件的組合?，F(xiàn)在，一臺安裝有STIPA測試軟件的聲級計就是一臺STIPA分析儀。
AWA6292型多功能聲級計如圖2（a）所示，是采用數(shù)字信號處理和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新一代手持式聲學(xué)測量儀器，性能符合GB/T 3785.1/IEC 61672－1對1級聲級計和GB/T 3241.1/IEC 61260－1對1級濾波器的要求，可以選擇工業(yè)噪聲測量、環(huán)境噪聲測量、職業(yè)衛(wèi)生噪聲測量和建筑聲學(xué)測量等模塊。當(dāng)選用建筑聲學(xué)測量模塊時，配置總值積分測量、倍頻程和1/3倍頻程濾波器、混響時間測量和STIPA測量等軟件模塊，可以完成大多數(shù)建筑聲學(xué)測量項目，尤其適用于廳堂和室內(nèi)場所的聲學(xué)和擴(kuò)聲特性測量。
AWA5512型智能聲源如圖2（B）所示，是一種由電動式揚聲器發(fā)聲的聲源，其性能指標(biāo)符合GB/T 12060.16－2017《聲系統(tǒng)設(shè)備第16部分：通過語音傳輸指數(shù)客觀評價語言可懂度》中對STIPA信號的要求。可以由內(nèi)置揚聲器發(fā)出1kHz正弦波、白噪聲、粉紅噪聲、STIPA測試信號、參考語音信號（中文、英文）、延遲信號等聲信號，在距離聲源1m處產(chǎn)生60dB(A)±1dB（A）或70dB(A)±1dB（A）聲壓級；也可以由線路輸出這些信號的電信號，還可以由線路輸入外加各種測試信號，并在100～10000Hz頻率范圍內(nèi)保持±1dB的頻響不均勻度，可以用作多種用途測試聲源。
圖 2 STIPA 測量儀器
3、測量場景
需要STI測試的可能場景有4種，如表3所示，其中確定了傳輸通道、說話者和收聽者。場景1與場景4基本相同，都是測量時說話者通過傳聲器到擴(kuò)聲系統(tǒng)，再由揚聲器系統(tǒng)發(fā)聲，只是場景1中說話者與聽者不在一個房間（場所），而場景4中說話者與聽者同在一個房間（場所），所以下面分3種場景進(jìn)行介紹。在STIPA測試期間，所有的說話者都被STIPA測試信號源所取代，所有的聽者（和聽者的位置）都是所用STIPA分析儀的測試位置。
表 3 STIPA 測量場景
根據(jù)以上場景，可以使用儀器進(jìn)行如下測量：
對于場景1和4，具有播音員（或演講者）的擴(kuò)聲系統(tǒng)如圖3所示。
圖 3 有擴(kuò)聲時STI 法測量原理框圖（傳聲器輸入）
使用擴(kuò)聲傳聲器講話或播音，再在擴(kuò)聲系統(tǒng)播放的場所，使用智能聲源對著擴(kuò)聲傳聲器發(fā)出STI-PA信號，模擬人類講話者發(fā)出測試信號。測試時，智能聲源應(yīng)置于正常說話距離處，傳聲器的軸線指向正常發(fā)話方向；測試信號級與正常說話聲壓級相當(dāng)，即距離揚聲器0.5m處的A計權(quán)聲壓級為66dB。在傳聲器輸入處檢查測試信號頻譜，在125～8000Hz之間所對應(yīng)的各倍頻帶范圍內(nèi)頻率響應(yīng)不大于±1dB，調(diào)節(jié)智能聲源或測試揚聲器的均衡來滿足要求。
對場景2，預(yù)先錄制公告的擴(kuò)聲系統(tǒng)如圖4所示。如果擴(kuò)聲系統(tǒng)不含系統(tǒng)傳聲器而是直接通過播放器播放音頻，則需要通過外部信號發(fā)生器（智能聲源線路輸出）將STIPA信號輸入至系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)擴(kuò)音系統(tǒng)持續(xù)播放大小可調(diào)的STIPA測試信號。測量時，擴(kuò)聲系統(tǒng)處于最高可用增益工作狀態(tài)，測試信號通過擴(kuò)聲調(diào)音臺線路輸入擴(kuò)聲系統(tǒng)，擴(kuò)聲系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。
圖 4 有擴(kuò)聲時STI 法測量原理框圖（線路輸入）
對場景3，沒有擴(kuò)聲系統(tǒng)的房間如圖5所示。STIPA測試信號應(yīng)通過合適的揚聲器（智能聲源如圖5（a）所示）在說話人位置處播放，聲級計如圖5（b）所示的傳聲器的軸線指向正常發(fā)話方向，揚聲器應(yīng)能模擬人類講話者的聲音大小，即在距離1米處聲壓級達(dá)到60dB（A），在IEC 60268－16標(biāo)準(zhǔn)中明確定義對它的要求。
圖 5 無擴(kuò)聲時STI 法測量原理框圖
4、測量步驟
4.1 整個過程中的步驟
通常，大多數(shù)STI測量的總體程序包括以下步驟：
（1）規(guī)劃：研究技術(shù)文件、藍(lán)圖及與項目和傳輸通道相關(guān)的所有其他文件。
（2）測量計劃：起草一份詳細(xì)的測量計劃，其中包括使用的設(shè)備、校準(zhǔn)程序、測量的數(shù)量和位置等。
（3）校準(zhǔn)：確保所有設(shè)備在使用前經(jīng)過正確校準(zhǔn)和測試。
（4）設(shè)置信號源：根據(jù)所涉及的場景類型，選擇合適的信號源（例如文件、音頻播放器、對講機(jī)）。為聲壓級正確配置信號源（在1m距離處標(biāo)稱為60dB(A)）。在測量開始前至少2秒啟動測試信號，并保持其播放。
（5）收集測量數(shù)據(jù)：按照規(guī)劃的測量位置和網(wǎng)格，進(jìn)行所有測量并記錄所有數(shù)據(jù)。通常會在每個位置進(jìn)行多次測量。
（6）后處理：使用軟件工具（如測量設(shè)備制造商提供的工作表）對 STI數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的后處理。例如，在無噪聲條件下進(jìn)行測量，再通過計算將操作狀態(tài)下的環(huán)境噪聲頻譜添加到MTF矩陣中。
（7）報告：描述設(shè)置、測量結(jié)果和結(jié)論。
4.2 聲源的設(shè)定
一般將聲源置于三腳架上，對準(zhǔn)系統(tǒng)傳聲器如圖3所示，或?qū)⒙曉粗糜谧烂娌⑵漭敵鲭娦盘柤尤霐U(kuò)聲系統(tǒng)的線路輸入如圖4所示，或?qū)⒙曉粗糜谌_架并對準(zhǔn)聲級計，并保持講話者與收聽者之間的距離如圖5所示。聲源輸出STIPA測試信號，聲壓級通常置于60dB(A）±1dB(A)@1m檔，在嘈雜的場所背景噪聲較大，需要考慮倫巴效應(yīng)時將其置于70dB(A)±1dB（A）@1m檔。
4.3 聲級計的操作
點擊“STI”進(jìn)入STI界面，界面顯示如圖6所示。步驟區(qū)顯示：一個完整的STI測量需進(jìn)行6次測量，根據(jù)6次測量的STI計算出平均STI。
圖 6 STI 測試準(zhǔn)備界面
測量區(qū)表中縱向是：125、250、500、1000、2000、4000、8000 Hz7個倍頻帶中心頻率。橫向是測量指標(biāo)：Leq(dB)、mi1、mi2、TI1、TI2、MTI，根據(jù)測量時長計算。
進(jìn)入需要測量的“STI”界面后，初始狀態(tài)為“準(zhǔn)備中”（圖標(biāo)為
，顯示為藍(lán)色），頁面上顯示的指標(biāo)均為0或者是上一次測量值，觸摸點擊“
”開始測量，儀器狀態(tài)變?yōu)椤皽y量中”（圖標(biāo)為
，顯示為藍(lán)色），測量15s后本次測量結(jié)束并自動跳轉(zhuǎn)至下一測量界面，狀態(tài)為“準(zhǔn)備中”。6次測量結(jié)束后不再跳轉(zhuǎn)，如圖7所示。手動點擊步驟區(qū)的“平均”可查看6次的STI、Rank和平均值，如圖8所示?？赏ㄟ^點擊步驟區(qū)的編號查看對應(yīng)界面。
圖7測量結(jié)束界面 圖8平均界面
6 次測量結(jié)束后點擊“保存”保存該組STI，保存的數(shù)據(jù)可以通過點擊“歷史記錄”進(jìn)行調(diào)閱。
測量過程中不能暫停測量，若想停止當(dāng)前測量，可以通過“
”結(jié)束本次測量，也可通過頁面左上角的返回“<”按鈕或儀器下方的強制返回按鈕（按關(guān)機(jī)鍵）停止測量。
掩蔽：指兩個聲音同時呈現(xiàn)時，一個聲音因受到另一個聲音影響而減弱的現(xiàn)象。開啟掩蔽，當(dāng)人耳聽到一個較響的低頻聲時，它會掩蔽更高的頻率，如果它們之間的聲級差超過一個給定的閾值，更高頻率的聲音就可能聽不到。
可以調(diào)閱保存的測量結(jié)果數(shù)據(jù)，查看歷史詳情，允許打印、刪除。
4.4 其他操作
在測量開始前和/或開始后，需要測量說話者位置的聲壓級，以及聲系統(tǒng)頻率響應(yīng)、失真和測量收聽者位置的聲壓級、環(huán)境噪聲和混響時間，這些都可以使用AWA6292型多功能聲級計來完成。
5、應(yīng)用
可用STI測量各種不同電子系統(tǒng)和聲學(xué)環(huán)境下的語言可懂度，典型的應(yīng)用包括：
（1）測量公共廣播系統(tǒng)和擴(kuò)聲系統(tǒng)；
（2）測量房間、教室和廳堂的語言可懂度（自然聲或使用擴(kuò)聲系統(tǒng)）；
（3）評價直接的言語交流（不使用擴(kuò)聲系統(tǒng)），包括房間和各種聲學(xué)環(huán)境（例如在交通工具內(nèi)）；
（4）測量和鑒定通信電路（系統(tǒng)），例如內(nèi)部通信和無線通信系統(tǒng)；
（5）測量和鑒定語音報警系統(tǒng)和緊急通知系統(tǒng)；
（6）聽力輔助系統(tǒng)的語言可懂度評價。
STI的用戶涉及各行各業(yè)，例如擴(kuò)聲系統(tǒng)和聲頻系統(tǒng)的鑒定者、聲頻和無線通信設(shè)備的制造商、聲頻系統(tǒng)的安裝者、聲學(xué)和電聲工程師、語音報警系統(tǒng)和其他類型緊急通知系統(tǒng)的鑒定者、STI方法的研究者和STI測量儀器的開發(fā)者，ISO 3382－3和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36075.3－2018已將STI作為評價開放性辦公室聲環(huán)境的重要控制性參量。
6、結(jié)語
使用AWA5512型智能聲源和AWA6292型多功能聲級計可以在各種場合很方便測量語音傳輸指數(shù)，根據(jù)測得的STI指數(shù)評定并采取措施提高聲學(xué)場所和擴(kuò)聲系統(tǒng)的語言可懂度，在會議室、教室、禮堂、體育館、廣播站，以及聽力輔助系統(tǒng)等場合都有廣泛用途。該組合還可以在廳堂、體育館等公共場所按GB/T 28049－2011和GB/T 4950－2011測量其擴(kuò)聲特性，如傳輸幅頻特性、傳聲增益、聲場不均勻度、最大聲壓級、總噪聲級、系統(tǒng)總噪聲級等，是建筑聲學(xué)最常用的測量儀器。
該文章已收錄于《噪聲與振動控制》第44卷 第5期
