摘 要：語音傳輸指數（Speech Transmission Index，STI）是一個用于評估語音信號傳輸質量的指標，測量方法有完整STI法與公共廣播系統語音傳輸指數(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法所進行的無擴聲時的測量、有擴聲系統且含有傳聲器輸入時的測量、有擴聲系統且通過線路輸入的測量，并詳細介紹儀器的操作，可將其應用于會議室、教室、禮堂、體育館、廣播站，以及聽力輔助系統的測試中，為相關領域的從業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通信系統或公共廣播系統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，而聽者要盡可能正確記錄聽到的信息。結果以百分比形式給出，100%是滿分。GB/T 15508－1995就規定了這種“采用一個或幾個聽音人正確記錄一個或幾個發音人所發意義不連貫的音節比率，以定量地度量語言傳遞系統質量的一種方法”。這種主觀方法既費時費力，試驗結果受各種因素影響較大。
為確定經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出來，即語音傳輸指數（STI）。它是預測說話人發出的語音經過傳輸通路到達聽者后的可懂度的客觀度量。通過對傳輸通路發出特定的測試信號，然后分析接收到的信號，導出傳輸通路的傳輸品質并使用0～1之間的值表達，這就是STI。根據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《聲系統設備第16部分：通過語音傳輸指數客觀評價語言可懂度》規定了有關要求，同時指出：雖然漢語語言體系與西方語言體系有較大區別，但有研究表明，使用現有的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標準有最新版本IEC 60268－16:2020。
簡單來說，語音傳輸指數是衡量語音傳輸質量的一個指標，該參數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，并且考慮了系統失真、心理聲學效果（掩蔽效應）等因素。它的值范圍為0～1，值越大說明清晰度越好。好的擴聲系統即使用在聲學條件較差的環境也能達到0.45到0.65的結果，而在聲學環境較好的場所，能達到0.70至0.90。更直觀的例子是，一間優秀的錄音棚內，從麥克風到監聽音箱之間典型的STI值能達到0.90至0.97。圖1所示為評定等級，圖中字母為等級名稱，上面數字代表該等級的STI中心值，下面數字代表該等級的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是高品質的擴聲系統，F是較好品質的擴聲系統，G是語音報警系統的目標值，H是語音報警系統的正常下限，I是有限的語言可懂度，J和U是STI值太低，不宜用于擴聲系統。
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：使用調制信號的直接法和基于系統脈沖響應的間接法。
每個方法都有它的優點和缺點，兩者也不一定能給出相同的結果。本文主要介紹直接法。
測量中應盡量避免其他聲源干擾，測試信號的響應時間應足夠短，測試時間應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制。調制信號的頻率為：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。測量時每個調制信號平均10s，一個完整STI測量需要大約15min，因此，現在很少使用。而間接法被廣泛應用于完整的STI。
1.3 STI 法原理
在語音信號中，信號的強度隨時間而變化，產生了語音強度包絡的變化。強度包絡的緩慢波動與詞和句子的邊緣對應，而強度包絡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過傳輸通路后強度包絡受影響的程度，得到的調制遞函數能夠量化通路對語音信號強度包絡的影響。
STI 法通過計算一系列語音包含頻帶的計權貢獻，得到一個0～1之間的值，該值即為語音傳輸指數。
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語音傳輸指數。它是基于使用較少數量的調制指數進行的測量。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設兩個調制如表1所示。這14個調制指數是同時產生的。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用途徑。調制指數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用最廣泛的方法，本文所用的測量儀器就是使用STIPA法進行測量的。
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行濾波。
（3）對每個倍頻帶載波信號按如式（1）所示的調制函數進行調制。
mfm(t)=0.5{1+0.55[sin(2πf1mt)-sin(2πf2mt)]}(1)
式中：mfm(t)為振幅調制函數，f1m、f2m為表1中的第一個調制頻率和第二個調制頻率，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行修正。
（5）將所有調制過的載波信號進行疊加，構成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發聲，也可以使用語音音箱或校準過的測試揚聲器作為測試聲源，它應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、模數轉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備中，或者是分開的硬件和軟件的組合。現在，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，是采用數字信號處理和物聯網技術的新一代手持式聲學測量儀器，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，可以選擇工業噪聲測量、環境噪聲測量、職業衛生噪聲測量和建筑聲學測量等模塊。當選用建筑聲學測量模塊時，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，可以完成大多數建筑聲學測量項目，尤其適用于廳堂和室內場所的聲學和擴聲特性測量。
AWA5512型智能聲源如圖2（B）所示，是一種由電動式揚聲器發聲的聲源，其性能指標符合GB/T 12060.16－2017《聲系統設備第16部分：通過語音傳輸指數客觀評價語言可懂度》中對STIPA信號的要求。可以由內置揚聲器發出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聲系統，再由揚聲器系統發聲，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
根據以上場景，可以使用儀器進行如下測量：
對于場景1和4，具有播音員（或演講者）的擴聲系統如圖3所示。
圖 3 有擴聲時STI 法測量原理框圖（傳聲器輸入）
使用擴聲傳聲器講話或播音，再在擴聲系統播放的場所，使用智能聲源對著擴聲傳聲器發出STI-PA信號，模擬人類講話者發出測試信號。測試時，智能聲源應置于正常說話距離處，傳聲器的軸線指向正常發話方向；測試信號級與正常說話聲壓級相當，即距離揚聲器0.5m處的A計權聲壓級為66dB。在傳聲器輸入處檢查測試信號頻譜，在125～8000Hz之間所對應的各倍頻帶范圍內頻率響應不大于±1dB，調節智能聲源或測試揚聲器的均衡來滿足要求。
對場景2，預先錄制公告的擴聲系統如圖4所示。如果擴聲系統不含系統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生器（智能聲源線路輸出）將STIPA信號輸入至系統中，通過調節擴音系統持續播放大小可調的STIPA測試信號。測量時，擴聲系統處于最高可用增益工作狀態，測試信號通過擴聲調音臺線路輸入擴聲系統，擴聲系統處于穩定工作狀態。
圖 4 有擴聲時STI 法測量原理框圖（線路輸入）
對場景3，沒有擴聲系統的房間如圖5所示。STIPA測試信號應通過合適的揚聲器（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話方向，揚聲器應能模擬人類講話者的聲音大小，即在距離1米處聲壓級達到60dB（A），在IEC 60268－16標準中明確定義對它的要求。
圖 5 無擴聲時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STI測量的總體程序包括以下步驟：
（1）規劃：研究技術文件、藍圖及與項目和傳輸通道相關的所有其他文件。
（2）測量計劃：起草一份詳細的測量計劃，其中包括使用的設備、校準程序、測量的數量和位置等。
（3）校準：確保所有設備在使用前經過正確校準和測試。
（4）設置信號源：根據所涉及的場景類型，選擇合適的信號源（例如文件、音頻播放器、對講機）。為聲壓級正確配置信號源（在1m距離處標稱為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）收集測量數據：按照規劃的測量位置和網格，進行所有測量并記錄所有數據。通常會在每個位置進行多次測量。
（6）后處理：使用軟件工具（如測量設備制造商提供的工作表）對 STI數據進行必要的后處理。例如，在無噪聲條件下進行測量，再通過計算將操作狀態下的環境噪聲頻譜添加到MTF矩陣中。
（7）報告：描述設置、測量結果和結論。
4.2 聲源的設定
一般將聲源置于三腳架上，對準系統傳聲器如圖3所示，或將聲源置于桌面并將其輸出電信號加入擴聲系統的線路輸入如圖4所示，或將聲源置于三腳架并對準聲級計，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，需要考慮倫巴效應時將其置于70dB(A)±1dB（A）@1m檔。
4.3 聲級計的操作
點擊“STI”進入STI界面，界面顯示如圖6所示。步驟區顯示：一個完整的STI測量需進行6次測量，根據6次測量的STI計算出平均STI。
圖 6 STI 測試準備界面
測量區表中縱向是：125、250、500、1000、2000、4000、8000 Hz7個倍頻帶中心頻率。橫向是測量指標：Leq(dB)、mi1、mi2、TI1、TI2、MTI，根據測量時長計算。
進入需要測量的“STI”界面后，初始狀態為“準備中”（圖標為
，顯示為藍色），頁面上顯示的指標均為0或者是上一次測量值，觸摸點擊“
”開始測量，儀器狀態變為“測量中”（圖標為
，顯示為藍色），測量15s后本次測量結束并自動跳轉至下一測量界面，狀態為“準備中”。6次測量結束后不再跳轉，如圖7所示。手動點擊步驟區的“平均”可查看6次的STI、Rank和平均值，如圖8所示。可通過點擊步驟區的編號查看對應界面。
圖7測量結束界面 圖8平均界面
6 次測量結束后點擊“保存”保存該組STI，保存的數據可以通過點擊“歷史記錄”進行調閱。
測量過程中不能暫停測量，若想停止當前測量，可以通過“
”結束本次測量，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（按關機鍵）停止測量。
掩蔽：指兩個聲音同時呈現時，一個聲音因受到另一個聲音影響而減弱的現象。開啟掩蔽，當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。
可以調閱保存的測量結果數據，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，以及聲系統頻率響應、失真和測量收聽者位置的聲壓級、環境噪聲和混響時間，這些都可以使用AWA6292型多功能聲級計來完成。
5、應用
可用STI測量各種不同電子系統和聲學環境下的語言可懂度，典型的應用包括：
（1）測量公共廣播系統和擴聲系統；
（2）測量房間、教室和廳堂的語言可懂度（自然聲或使用擴聲系統）；
（3）評價直接的言語交流（不使用擴聲系統），包括房間和各種聲學環境（例如在交通工具內）；
（4）測量和鑒定通信電路（系統），例如內部通信和無線通信系統；
（5）測量和鑒定語音報警系統和緊急通知系統；
（6）聽力輔助系統的語言可懂度評價。
STI的用戶涉及各行各業，例如擴聲系統和聲頻系統的鑒定者、聲頻和無線通信設備的制造商、聲頻系統的安裝者、聲學和電聲工程師、語音報警系統和其他類型緊急通知系統的鑒定者、STI方法的研究者和STI測量儀器的開發者，ISO 3382－3和國家標準GB/T 36075.3－2018已將STI作為評價開放性辦公室聲環境的重要控制性參量。
6、結語
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，根據測得的STI指數評定并采取措施提高聲學場所和擴聲系統的語言可懂度，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、系統總噪聲級等，是建筑聲學最常用的測量儀器。
該文章已收錄于《噪聲與振動控制》第44卷 第5期
