阶梯课室扩声系统与语言传输指数的关系

黄奕文，吴志杰，陈树辉

（1.暨南大学 信息技术研究所，广州 510075；2.广州市盛通建设工程质量检测有限公司，广州 510075）

教室的声学要求主要是满足语言清晰度的要求，即要求有足够的响度、合适的混响时间、低背景噪声，无低频声染色。目前，教室声学研究已经从注重环境噪声的影响发展到着重室内听闻质量的研究与改善，并把快速语言传输指数（以下简称RASTI）视为首要的评价参量。对于以扩声为主的多媒体阶梯教室，语言清晰度的优劣主要受到教室室内声场和扩声系统两方面因素的影响。良好的教室声学环境是学生与老师之间信息沟通的基本保障，如果课室声学条件不理想，不但老师讲课费劲，学生听课也吃力。在现实中，不少多媒体阶梯教室在加装了扩声系统之后，语言清晰度效果是否得到增强还需要定量分析。为此，本文参照有关标准和规范对21间多媒体阶梯教室进行了空场电声测量，对有关RASTI的客观评价参量进行分析和探讨。

1 测试方法说明

1.1 RASTI法概述

长期以来，评价厅堂内语言清晰度只能采用主观测试的方式。而RASTI法的提出，提供了一种客观测量方法，它可在短时间内得出语言清晰度评分。这一方法在上世界60年代末由荷兰声学家H.Houtgast和H.J.M.steeneken首先引入建筑声学领域，建立在调制传输函数（Modular Transfer Function简称MTF）的概念上。

RASTI法不仅可以用来比较同一厅堂中不同位置和不同条件下语言传输质量，同时也适用于评价不同厅堂有关可懂度的语言传输质量。

语言清晰度是根据模拟实际发话人声学特性的测试信号通过空间时调制指数mi的降低来确定的。测试信号从发话人位置的声源传输到听音人位置上的传声器时的调制指数为mo，mi为初始调制指数，调制指数的降低由调制转移函数m(F)的数量表示，由式（1）确定

F为测试信号正弦强度的调制频率。STI法是由对98个数据点的调制转移函数m(F)而确定的，数据点是从在0.63至12.5 Hz范围内的14个调制频率（以1/3 oct间隔）和中心频率从125 Hz至8 kHz范围内的7个倍频带获得的。RASTI法中，把测试信号限制在中心频率为500 Hz和2 kHz的两个倍频带中，并且在这些倍频带中分别只有4个和5个调制频率。

声源参考轴指向正常发话方向且置于厅堂中真实发话人头部位置。测试信号电平应调节到参考语言声级为60 dB。对于中心频率为500 Hz的倍频带，应调制测试信号使得长期有效值声压级相对于参考语言声级为-1 dB，对于中心频率为2 kHz倍频带则应调制为-10 dB。RASTI值与主观评价的关系如表1所示。

表1 RASTI主观评价表Tab.1 The RASTI subjective evaluation form

1.2 测量条件与布点

主要研究的是在课室扩声系统开启和关闭两种情况下的RASTI值，对某市21个高等院校的多媒体阶梯课室进行RASTI的测量、记录、分析和总结。RASTI法没有考虑非线性失真影响，因此21个高等院校测试的课室的声源系统基本是线性语言传输（无削波等），其扩声系统分布图见图1。

图1 多媒体阶梯课室扩声系统分布Fig.1 Microphone lecture theatres system distribution of lecture theatres

在课室满场的情况下进行RASTI测量的效果最好，然而实际情况很难做到，因此所有测试都是在空场情况下进行。依据《GB/T4959-1995厅堂扩声特性测量方法》，测点高度离地1.2 m，距墙1.5 m，其详细的布置如图2所示。

图2 测点布置图Fig.2 Measuring points

1.3 多媒体阶梯课室的特征

研究的主要对象是表2所示的21个高等院校的多媒体阶梯课室的RASTI值。为了清楚地比较扩声系统对RASTI值的影响，这21个院校覆盖了文理科的几个重点学校，且所选课室的物理结构和声学特性基本一致，具有一定的研究价值。

2 两种情况下RASTI值的比较

2.1 测试结果分析

图3和图4分别代表了21个多媒体阶梯课室在扩声系统关闭和开启时的RASTI值分布，图中的“ ·”“∗”“+”“o”分别代表测点ABCD的RASTI值。从表3可以知道RASTI值在扩声系统关闭时为0.14到0.66，大于0.60的有6个；开启时为0.22到0.67，大于0.60的有9个。无论在开启还是关闭的情况下，所有多媒体阶梯课室测点的RASTI平均值均小于0.45，这也说明了大部分测点属于“较差”等级。

表2 21个高等院校清单Tab.2 A list of 21 institutions of higher education

图5和图6显示了两种情况下ABCD四个测点RASTI值的分布。在扩声系统关闭时，RASTI平均值从测点A到测点D呈现逐步递减的趋势，说明在扩声系统关闭的情况下，越靠近声源获得的语言清晰度效果越好；而在扩声系统开启时，各个测点基本维持一个相对稳定的语言清晰度。

图7和图8显示了RASTI值与测点离声源距离的对数关系。从图7可以看出，在离声源很近的听众区RASTI值急剧下降，而在离声源稍远的听众区RASTI值的下降趋势趋于缓慢。除去一些干扰数据之后，利用MATLAB对曲线进行拟合，得出其最佳的曲线函数为

图3 扩声关闭时RASTI分布Fig.3 Microphone system close RASTI distribution

图4 扩声开启时RASTI分布Fig 4 Microphone system open RASTI distribution

表3 RASTI值特征统计Tab.3 RASTI value characteristics statistics

R-square为方程的确定系统（下同），取值在0至1之间。而图8则显示，在扩声系统开启的情况下，离声源较近的听众区RASTI值下降不如图7急剧，整个曲线的下降趋势也很缓慢，说明在有扩声系统的环境中，听众区各个测点的清晰度效果都比较接近。

图5 扩声关闭时RASTI分布Fig.5 RASTI distribution with microphone system close

图6 扩声开启时RASTI分布Fig.6 RASTI distribution with microphone system open

2.2 扩声开启和关闭时RASTI值的关系

图9 显示了多媒体阶梯课室所有测点的RASTI值在扩声系统开启和关闭两种情况下的对应关系，利用MATLAB的拟合功能可得最佳曲线为

为了更好地检查扩声系统的效果，定义了“RASTI增益”为扩声开启时的RASTI值减去扩声关闭时的RASTI值

如果RASTI增益为正值，说明扩声系统的开启提高了测点的语言清晰度；如果为负值，说明扩声系统的开启反而降低了该测点的语言清晰度（开启关闭均为同个测试点）。图10给出了RASTI增益与测点离声源距离的关系，利用MATLAB的拟合功能可得最佳曲线为

图7 RASTI与测点离声源距离的关系图（扩声系统关闭）Fig.7 Relationship diagram of RASTI and the measuring point from the sound source distance(microphone system close)

图8 RASTI与测点离声源距离的关系图（扩声系统开启）Fig.8 Relationship diagram of RASTI and the measuring point from the sound source distance(microphone system open)

图9 扩声开启和关闭时的RASTI分布图Fig.9 RASTI distribution of the microphone system open and close

由图10可知，在测点离声源距离为4 m的范围内，扩声开启时的RASTI值比扩声关闭时要小；而距离大于4 m之后，扩声开启时的RASTI值比扩声关闭时要大。说明在多媒体阶梯课室中，距声源4 m范围内，扩声系统关闭时听众区的清晰度效果要比开启时好，而在大于4 m之后，扩声系统开启时的效果要比关闭时好。

图10 RASTI增益与测点离声源距离的关系图Fig.10 Relationship diagram of RASTI gain and the measuring point from the sound source distance

图11 是ABCD四个测点的RASTI增益分布图。由图可以看出测点A（最靠近讲台）有超过一半在扩声开启时RASTI值反而减小了，而BCD三个测点大部分在扩声开启时的RASTI值在增大（最大值为0.29）。对这13个扩声开启时RASTI值反而减小的测点A的距离进行平均，其平均值为3.2 m，说明大部分多媒体阶梯课室中，距声源3.2 m范围内，扩声系统关闭时听众区的清晰度效果要比开启时好，而在大于3.2 m之后，扩声系统开启时的效果要比关闭时好。

为了更好地理解扩声系统的开启与关闭对每个多媒体阶梯课室RASTI值的影响，进一步定义了如下的提高因子

图11 RASTI增益与测点的关系图Fig.11 Relationship diagram of RASTI gain and the measuring point

其中 IF 为提高因子，（RASTI扩声开启）avg为扩声系统开启时所有测点RASTI的平均值，（RASTI扩声关闭）avg为扩声系统关闭时所有测点RASTI的平均值

表4按提高因子（IF）升序的方法对21个多媒体阶梯课室进行排序。提高因子平均值增加了

表4 21个多媒体阶梯课室的IF值Tab.4 IF value of 21 multimedia ladder classroom

15%（相对于1）和RASTI增益增加了5%（相对于0）说明了扩声系统的效果是明显的。52.4%的多媒体阶梯课室开启扩声系统时RASTI的增值超过了关闭时的10%，但也有28.6%的课室开启扩声系统是达到降低RASTI值的效果，这是因为这个6个多媒体课室的容量比较小，过多的噪音和回音容易回荡在课室里面。实际上，只有9.6%的课室在扩声开启时达到“优秀”的主观评价等级。表5同时列举了除去测点A的IF值，其在扩声的开启时提高了24%。

3 结论与展望

在扩声系统开启和关闭两种情况下，依据《GB/T4959-1995厅堂扩声特性测量方法》对某市21个高等院校的多媒体阶梯课室中ABCD四个测点的RASTI值进行测量。测量结果显示RASTI平均值在扩声关闭时为0.18～0.55，开启时为0.25～0.65。同时利用MATLAB对数据进行拟合，获得RASTI增益与测点离声源距离的关系式。表明了在多媒体阶梯课室中，只有当离声源距离超过4 m时，启用扩声系统才会增加RASTI值，获得更好的语言清晰度。但也不是所有课室都能获得良好的增益，有不少课室在扩声系统开启情况下RASTI值反而降低了。在现实中，不少高校的多媒体阶梯课室通过加装扩声系统来提高课室内的声学效果，而如何提高离声源距离4 m区域内的RASTI值，以及如何解决部分课室在加装了扩声系统之后RASTI值反而降低的问题，是今后研究扩声系统的一个重点。

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