階梯課室擴聲系統(tǒng)與語言傳輸指數(shù)的關系

黃奕文，吳志杰，陳樹輝

（1.暨南大學 信息技術(shù)研究所，廣州 510075；2.廣州市盛通建設工程質(zhì)量檢測有限公司，廣州 510075）

教室的聲學要求主要是滿足語言清晰度的要求，即要求有足夠的響度、合適的混響時間、低背景噪聲，無低頻聲染色。目前，教室聲學研究已經(jīng)從注重環(huán)境噪聲的影響發(fā)展到著重室內(nèi)聽聞質(zhì)量的研究與改善，并把快速語言傳輸指數(shù)（以下簡稱RASTI）視為首要的評價參量。對于以擴聲為主的多媒體階梯教室，語言清晰度的優(yōu)劣主要受到教室室內(nèi)聲場和擴聲系統(tǒng)兩方面因素的影響。良好的教室聲學環(huán)境是學生與老師之間信息溝通的基本保障，如果課室聲學條件不理想，不但老師講課費勁，學生聽課也吃力。在現(xiàn)實中，不少多媒體階梯教室在加裝了擴聲系統(tǒng)之后，語言清晰度效果是否得到增強還需要定量分析。為此，本文參照有關標準和規(guī)范對21間多媒體階梯教室進行了空場電聲測量，對有關RASTI的客觀評價參量進行分析和探討。

1 測試方法說明

1.1 RASTI法概述

長期以來，評價廳堂內(nèi)語言清晰度只能采用主觀測試的方式。而RASTI法的提出，提供了一種客觀測量方法，它可在短時間內(nèi)得出語言清晰度評分。這一方法在上世界60年代末由荷蘭聲學家H.Houtgast和H.J.M.steeneken首先引入建筑聲學領域，建立在調(diào)制傳輸函數(shù)（Modular Transfer Function簡稱MTF）的概念上。

RASTI法不僅可以用來比較同一廳堂中不同位置和不同條件下語言傳輸質(zhì)量，同時也適用于評價不同廳堂有關可懂度的語言傳輸質(zhì)量。

語言清晰度是根據(jù)模擬實際發(fā)話人聲學特性的測試信號通過空間時調(diào)制指數(shù)mi的降低來確定的。測試信號從發(fā)話人位置的聲源傳輸?shù)铰犚羧宋恢蒙系膫髀暺鲿r的調(diào)制指數(shù)為mo，mi為初始調(diào)制指數(shù)，調(diào)制指數(shù)的降低由調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)m(F)的數(shù)量表示，由式（1）確定

F為測試信號正弦強度的調(diào)制頻率。STI法是由對98個數(shù)據(jù)點的調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)m(F)而確定的，數(shù)據(jù)點是從在0.63至12.5 Hz范圍內(nèi)的14個調(diào)制頻率（以1/3 oct間隔）和中心頻率從125 Hz至8 kHz范圍內(nèi)的7個倍頻帶獲得的。RASTI法中，把測試信號限制在中心頻率為500 Hz和2 kHz的兩個倍頻帶中，并且在這些倍頻帶中分別只有4個和5個調(diào)制頻率。

聲源參考軸指向正常發(fā)話方向且置于廳堂中真實發(fā)話人頭部位置。測試信號電平應調(diào)節(jié)到參考語言聲級為60 dB。對于中心頻率為500 Hz的倍頻帶，應調(diào)制測試信號使得長期有效值聲壓級相對于參考語言聲級為-1 dB，對于中心頻率為2 kHz倍頻帶則應調(diào)制為-10 dB。RASTI值與主觀評價的關系如表1所示。

表1 RASTI主觀評價表Tab.1 The RASTI subjective evaluation form

1.2 測量條件與布點

主要研究的是在課室擴聲系統(tǒng)開啟和關閉兩種情況下的RASTI值，對某市21個高等院校的多媒體階梯課室進行RASTI的測量、記錄、分析和總結(jié)。RASTI法沒有考慮非線性失真影響，因此21個高等院校測試的課室的聲源系統(tǒng)基本是線性語言傳輸（無削波等），其擴聲系統(tǒng)分布圖見圖1。

圖1 多媒體階梯課室擴聲系統(tǒng)分布Fig.1 Microphone lecture theatres system distribution of lecture theatres

在課室滿場的情況下進行RASTI測量的效果最好，然而實際情況很難做到，因此所有測試都是在空場情況下進行。依據(jù)《GB/T4959-1995廳堂擴聲特性測量方法》，測點高度離地1.2 m，距墻1.5 m，其詳細的布置如圖2所示。

圖2 測點布置圖Fig.2 Measuring points

1.3 多媒體階梯課室的特征

研究的主要對象是表2所示的21個高等院校的多媒體階梯課室的RASTI值。為了清楚地比較擴聲系統(tǒng)對RASTI值的影響，這21個院校覆蓋了文理科的幾個重點學校，且所選課室的物理結(jié)構(gòu)和聲學特性基本一致，具有一定的研究價值。

2 兩種情況下RASTI值的比較

2.1 測試結(jié)果分析

圖3和圖4分別代表了21個多媒體階梯課室在擴聲系統(tǒng)關閉和開啟時的RASTI值分布，圖中的“ ·”“?”“+”“o”分別代表測點ABCD的RASTI值。從表3可以知道RASTI值在擴聲系統(tǒng)關閉時為0.14到0.66，大于0.60的有6個；開啟時為0.22到0.67，大于0.60的有9個。無論在開啟還是關閉的情況下，所有多媒體階梯課室測點的RASTI平均值均小于0.45，這也說明了大部分測點屬于“較差”等級。

表2 21個高等院校清單Tab.2 A list of 21 institutions of higher education

圖5和圖6顯示了兩種情況下ABCD四個測點RASTI值的分布。在擴聲系統(tǒng)關閉時，RASTI平均值從測點A到測點D呈現(xiàn)逐步遞減的趨勢，說明在擴聲系統(tǒng)關閉的情況下，越靠近聲源獲得的語言清晰度效果越好；而在擴聲系統(tǒng)開啟時，各個測點基本維持一個相對穩(wěn)定的語言清晰度。

圖7和圖8顯示了RASTI值與測點離聲源距離的對數(shù)關系。從圖7可以看出，在離聲源很近的聽眾區(qū)RASTI值急劇下降，而在離聲源稍遠的聽眾區(qū)RASTI值的下降趨勢趨于緩慢。除去一些干擾數(shù)據(jù)之后，利用MATLAB對曲線進行擬合，得出其最佳的曲線函數(shù)為

圖3 擴聲關閉時RASTI分布Fig.3 Microphone system close RASTI distribution

圖4 擴聲開啟時RASTI分布Fig 4 Microphone system open RASTI distribution

表3 RASTI值特征統(tǒng)計Tab.3 RASTI value characteristics statistics

R-square為方程的確定系統(tǒng)（下同），取值在0至1之間。而圖8則顯示，在擴聲系統(tǒng)開啟的情況下，離聲源較近的聽眾區(qū)RASTI值下降不如圖7急劇，整個曲線的下降趨勢也很緩慢，說明在有擴聲系統(tǒng)的環(huán)境中，聽眾區(qū)各個測點的清晰度效果都比較接近。

圖5 擴聲關閉時RASTI分布Fig.5 RASTI distribution with microphone system close

圖6 擴聲開啟時RASTI分布Fig.6 RASTI distribution with microphone system open

2.2 擴聲開啟和關閉時RASTI值的關系

圖9 顯示了多媒體階梯課室所有測點的RASTI值在擴聲系統(tǒng)開啟和關閉兩種情況下的對應關系，利用MATLAB的擬合功能可得最佳曲線為

為了更好地檢查擴聲系統(tǒng)的效果，定義了“RASTI增益”為擴聲開啟時的RASTI值減去擴聲關閉時的RASTI值

如果RASTI增益為正值，說明擴聲系統(tǒng)的開啟提高了測點的語言清晰度；如果為負值，說明擴聲系統(tǒng)的開啟反而降低了該測點的語言清晰度（開啟關閉均為同個測試點）。圖10給出了RASTI增益與測點離聲源距離的關系，利用MATLAB的擬合功能可得最佳曲線為

圖7 RASTI與測點離聲源距離的關系圖（擴聲系統(tǒng)關閉）Fig.7 Relationship diagram of RASTI and the measuring point from the sound source distance(microphone system close)

圖8 RASTI與測點離聲源距離的關系圖（擴聲系統(tǒng)開啟）Fig.8 Relationship diagram of RASTI and the measuring point from the sound source distance(microphone system open)

圖9 擴聲開啟和關閉時的RASTI分布圖Fig.9 RASTI distribution of the microphone system open and close

由圖10可知，在測點離聲源距離為4 m的范圍內(nèi)，擴聲開啟時的RASTI值比擴聲關閉時要小；而距離大于4 m之后，擴聲開啟時的RASTI值比擴聲關閉時要大。說明在多媒體階梯課室中，距聲源4 m范圍內(nèi)，擴聲系統(tǒng)關閉時聽眾區(qū)的清晰度效果要比開啟時好，而在大于4 m之后，擴聲系統(tǒng)開啟時的效果要比關閉時好。

圖10 RASTI增益與測點離聲源距離的關系圖Fig.10 Relationship diagram of RASTI gain and the measuring point from the sound source distance

圖11 是ABCD四個測點的RASTI增益分布圖。由圖可以看出測點A（最靠近講臺）有超過一半在擴聲開啟時RASTI值反而減小了，而BCD三個測點大部分在擴聲開啟時的RASTI值在增大（最大值為0.29）。對這13個擴聲開啟時RASTI值反而減小的測點A的距離進行平均，其平均值為3.2 m，說明大部分多媒體階梯課室中，距聲源3.2 m范圍內(nèi)，擴聲系統(tǒng)關閉時聽眾區(qū)的清晰度效果要比開啟時好，而在大于3.2 m之后，擴聲系統(tǒng)開啟時的效果要比關閉時好。

為了更好地理解擴聲系統(tǒng)的開啟與關閉對每個多媒體階梯課室RASTI值的影響，進一步定義了如下的提高因子

圖11 RASTI增益與測點的關系圖Fig.11 Relationship diagram of RASTI gain and the measuring point

其中 IF 為提高因子，（RASTI擴聲開啟）avg為擴聲系統(tǒng)開啟時所有測點RASTI的平均值，（RASTI擴聲關閉）avg為擴聲系統(tǒng)關閉時所有測點RASTI的平均值

表4按提高因子（IF）升序的方法對21個多媒體階梯課室進行排序。提高因子平均值增加了

表4 21個多媒體階梯課室的IF值Tab.4 IF value of 21 multimedia ladder classroom

15%（相對于1）和RASTI增益增加了5%（相對于0）說明了擴聲系統(tǒng)的效果是明顯的。52.4%的多媒體階梯課室開啟擴聲系統(tǒng)時RASTI的增值超過了關閉時的10%，但也有28.6%的課室開啟擴聲系統(tǒng)是達到降低RASTI值的效果，這是因為這個6個多媒體課室的容量比較小，過多的噪音和回音容易回蕩在課室里面。實際上，只有9.6%的課室在擴聲開啟時達到“優(yōu)秀”的主觀評價等級。表5同時列舉了除去測點A的IF值，其在擴聲的開啟時提高了24%。

3 結(jié)論與展望

在擴聲系統(tǒng)開啟和關閉兩種情況下，依據(jù)《GB/T4959-1995廳堂擴聲特性測量方法》對某市21個高等院校的多媒體階梯課室中ABCD四個測點的RASTI值進行測量。測量結(jié)果顯示RASTI平均值在擴聲關閉時為0.18～0.55，開啟時為0.25～0.65。同時利用MATLAB對數(shù)據(jù)進行擬合，獲得RASTI增益與測點離聲源距離的關系式。表明了在多媒體階梯課室中，只有當離聲源距離超過4 m時，啟用擴聲系統(tǒng)才會增加RASTI值，獲得更好的語言清晰度。但也不是所有課室都能獲得良好的增益，有不少課室在擴聲系統(tǒng)開啟情況下RASTI值反而降低了。在現(xiàn)實中，不少高校的多媒體階梯課室通過加裝擴聲系統(tǒng)來提高課室內(nèi)的聲學效果，而如何提高離聲源距離4 m區(qū)域內(nèi)的RASTI值，以及如何解決部分課室在加裝了擴聲系統(tǒng)之后RASTI值反而降低的問題，是今后研究擴聲系統(tǒng)的一個重點。

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