Сөйлеу берілісінің индексі: даму тарихы және қолданылуы

Кіріспе

Сөйлеуді тарату индексі (СТИ) – сөйлеуді беру сапасын өлшейтін көрсеткіш. Сөйлеудің түсініктілігін абсолютті түрде өлшеу – күрделі ғылым. СТИ – бұл тарату арнасының (бөлме, электроакустикалық жабдық, телефон желісі сияқты) кейбір физикалық сипаттамаларын өлшеу арқылы, арнаның сөйлеу сигналының ерекшеліктерін жеткізу қабілетін көрсетеді. СТИ – тарату арнасының сипаттамалары сөйлеуді түсінуге қалай әсер ететінін объективті түрде болжайтын жақсы қалыптасқан өлшеу құралы. Тарату арнасының сөйлеу түсініктілігіне әсері мына факторларға байланысты:
сөйлеу деңгейі
арнаның жиілік жауабы
сызықсыз бұрмалаулар
фондық шу деңгейі
дыбыс көшіру жабдығының сапасы
эхо (100 мс-тен жоғары кешігумен дыбыс қайтарылуы)
реверберация уақыты
психоакустикалық әсерлер (жабу әсерлері)

Тарих

STI-ді 1971 жылы Таммо Хоутгаст пен Герман Стиненекен енгізді, ал 1980 жылы Америка Акустикалық Қоғамы қабылдады. Стиненекен мен Хоутгаст сөйлеуді тарату индексін (STI) әзірлеуді шешті, себебі оларға Нидерланд Қарулы Күштері үшін сөйлеуді түсіну қабілетін өлшеудің өте ұзақ және көбінесе қиын сериясын жүргізу тапсырылды. Олар оның орнына уақытты әлдеқайда жылдам, объективті әдіс әзірлеуге жұмсады (бұл, шын мәнінде, STI-дің алғашқы нұсқасы болды). Хоутгаст пен Стиненекен Нидерландының қолданбалы ғылыми зерттеулер ұйымы TNO-да жұмыс істеген кезде STI-ді жасады. Олардың TNO-дағы командасы 2010 жылға дейін STI-ді қолдауды және дамытуды жалғастырды, модельді жетілдірді және STI-ді өлшеуге арналған аппараттық және бағдарламалық құралдарды жасады. Сол жылы STI-ге жауапты TNO зерттеу тобы TNO-дан бөлініп, өз жұмысын Embedded Acoustics деп аталған жеке меншік компания ретінде жалғастырды. Embedded Acoustics қазір STI-ді дамытуды қолдауды жалғастыруда, Герман Стиненекен (қазір TNO-дан ресми түрде зейнеткерлікке шыққан) әлі де аға кеңесші ретінде қызмет етеді. STI-дің қолданылуы алғашқы жылдары (шамамен 1985 жылға дейін) ауызекі сөйлеуді зерттеушілердің салыстырмалы түрде шағын халықаралық қауымдастығымен шектелді. RASTI ("Бөлме Акустикасы STI") енгізілуі STI әдісін инженерлер мен консультанттардың кеңірек тобына қолжетімді етті, әсіресе Bruel & Kjaer олардың RASTI өлшеу құрылғысын ұсынған кезде (ол Стиненекен мен Хоутгаст TNO-да әзірлеген алдыңғы RASTI жүйесіне негізделген). RASTI бастапқы ("толық") STI-ге қарағанда әлдеқайда жылдам болуы үшін жасалған, өлшеу нүктесі үшін 15 минут емес, 30 секундтан кем уақыт қажет. Дегенмен, RASTI тек (аты айтып тұрғандай) таза бөлме акустикасы үшін арналған, электроакустика үшін емес. RASTI-ді электроакустикалық компоненттермен (мысалы, динамиктер мен микрофондар) жабдықталған тарату тізбектеріне қолдану жиі болды, бұл нәтижелердің дұрыс еместігі туралы шағымдарға әкелді. RASTI кейбір қолдану стандарттарында (мысалы, CAA спецификациясы 15 әуе кемелерінің кабиналық дыбыс жүйелері үшін) электроакустиканы қамтитын қосымшалар үшін де талап етілді, себебі ол сол кездегі жалғыз мүмкін әдіс болды. Кейде RASTI-нің жетіспеушіліктері жақсырақ балама болмағандықтан ғана қабылданды. TNO толық STI және оның басқа да туындыларын өлшеуге арналған құралдарды өндіріп сатты, бірақ бұл құралдар салыстырмалы түрде қымбат, үлкен және ауыр болды. 2000 жылға қарай RASTI-ге балама, сонымен қатар қоғамдық дабыл жүйелеріне (PA) қауіпсіз қолдануға болатын әдіс қажеттігі айқын болды. TNO-да Ян Верхаве мен Герман Стиненекен жаңа STI әдісі бойынша жұмыс істей бастады, ол кейін STIPA (қоғамдық дабыл жүйелері үшін STI) деп аталды. STIPA өлшемін қамтитын алғашқы құрылғыны Gold Line жасады. Қазір STIPA өлшеу құралдарын әртүрлі өндірушілер ұсынады. RASTI 1988 жылы IEC 60268-16 стандартында халықаралық деңгейде стандартталды. Содан бері IEC 60268-16 үш рет қайта қарастырылды, соңғы нұсқасы (rev.4) 2011 жылы жарық көрді. Әр қайта қарауда STI әдістемесіне STI зерттеу қауымдастығы қабылдаған жаңартулар енгізілді, мысалы, көршілес октавалар арасындағы резервтік қосымшаны енгізу (rev.2), деңгейге тәуелді есту маскасы (rev.3) және STI-ді белгілі бір топтарға (мысалы, ана тілі емес және есту қабілеті нашар адамдар) қолданудың әртүрлі әдістері (rev.4). IEC техникалық тобы қазіргі уақытта 5-нұсқаны дамытуда. RASTI 2011 жылдың маусым айында IEC 60268-16 стандартының 4-нұсқасымен бірге ескірген деп жарияланды. Бұл кезде осы оңайлатылған STI туындысы кейбір салаларда әлі де стандартты әдіс ретінде қолданылып келді. STIPA қазір RASTI-нің барлық қолданыстар үшін мұрагері ретінде қарастырылады.

The STI was introduced by Tammo Houtgast and Herman Steeneken in 1971, and was accepted by Acoustical Society of America in 1980. Steeneken and Houtgast decided to develop the Speech Transmission Index because they were tasked to carry out a very lengthy series of tedious speech intelligibility measurements for the Netherlands Armed Forces. Instead, they spent the time developing a much quicker objective method (which was actually the predecessor to the STI). Houtgast and Steeneken developed the Speech Transmission Index while working at The Netherlands Organisation of Applied Scientific Research TNO. Their team at TNO kept supporting and developing the STI, improving the model and developing hardware and software for measuring the STI, until 2010. In that year, the TNO research group responsible for the STI spun out of TNO and continued its work as a privately owned company named Embedded Acoustics. Embedded Acoustics now continues to support development of the STI, with Herman Steeneken (now formally retired from TNO) still acting as a senior consultant. In the early years (until approx. 1985) the use of the STI was largely limited to a relatively small international community of speech researchers. The introduction of the RASTI ("Room Acoustics STI") made the STI method available to a larger population of engineers and consultants, especially when Bruel & Kjaer introduced their RASTI measuring device (which was based on the earlier RASTI system developed by Steeneken and Houtgast at TNO). RASTI was designed to be much faster than the original ("full") STI, taking less than 30 seconds instead of 15 minutes for a measuring point. However, RASTI was only intended (as the name says) for pure room acoustics, not electro acoustics. Application of RASTI to transmission chains featuring electro acoustic components (such as loudspeakers and microphones) became fairly common, and led to complaints about inaccurate results. The use of RASTI was even specified by some application standards (such as CAA specification 15 for aircraft cabin PA systems) for applications featuring electro acoustics, simply because it was the only feasible method at the time. The inadequacies of RASTI were sometimes simply accepted for lack of a better alternative. TNO did produce and sell instruments for measuring full STI and various other STI derivatives, but these devices were relatively expensive, large and heavy. Around the year 2000, the need for an alternative to RASTI that could also be applied safely to Public Address (PA) systems had become fully apparent. At TNO, Jan Verhave and Herman Steeneken started work on a new STI method, that would later become known as STIPA (STI for Public Address systems). The first device to include STIPA measurements available for sale to the general public was made by Gold Line. At this time, STIPA measuring instruments are available from various manufacturers. RASTI was standardized internationally in 1988, in IEC 60268 16. Since then, IEC 60268 16 has been revised three times, the latest revisions (rev.4) appearing in 2011. Each revision included updates of the STI methodology that had become accepted in the STI research community over time, such as the inclusion of redundancy between adjacent octave bands (rev.2), level dependent auditory masking (rev.3) and various methods for applying the STI to specific populations such as non natives and the hearing impaired (rev.4). An IEC maintenance team is currently working on rev. 5. RASTI was declared obsolete by the IEC in June 2011, with the appearance of rev. 4 of IEC 602682 16. At this time, this simplified STI derivative was still stipulated as a standard method in some industries. STIPA is now seen as the successor to RASTI for almost every application.

Өлшемі

STI – байланыс арнасының сипаттамаларының сандық өлшемі, оның мәні 0 = нашардан 1 = өте жақсыға дейін өзгереді. Бұл шкалада көптеген қолданулар үшін кем дегенде 0,5 STI болуы қажет. Барнетт (1995, 1999) STI-мен математикалық байланысы бар (CIS = 1 + log (STI)) ортақ түсініктілік шкаласын (CIS) қолдануды ұсынды. STI буын, сөз және сөйлемдердің түсінілу ықтималдығын болжайды. Мысалы, ана тілінде сөйлейтін адамдар үшін бұл ықтималдық былай беріледі:

STI мәні IEC 60268 бойынша сапасы 16 Буындардың түсініктілігі (%) Сөздердің түсініктілігі (%) Сөйлемдердің түсініктілігі (%)
0 – 0.3 нашар 0 – 34 0 – 67 0 – 89
0.3 – 0.45 төмен 34 – 48 67 – 78 89 – 92
0.45 – 0.6 орташа 48 – 67 78 – 87 92 – 95
0.6 – 0.75 жақсы 67 – 90 87 – 94 95 – 96
0.75 – 1 өте жақсы 90 – 96 94 – 96 96 – 100

Егер ана тілінде сөйлейтін емес, сөйлеу бұзылыстары бар немесе есту қабілеті нашар адамдар қатысса, басқа ықтималдықтар қолданылады. STI болжамы сөйленген тілге тәуелсіз екендігі қызықты, бірақ таңқаларлық емес – себебі арнаның физикалық сөйлеу үлгілерін тасымалдау қабілеті өлшенеді. Сөйлеуді қабылдау сынақтары арқылы бағаланған сөйлеудің түсініктілігімен жоғары корреляцияға ие физикалық өлшемді есептеудің тағы бір әдісі бар. Бұл көрсеткіш Сөйлеу түсініктілігі индексі, немесе SII деп аталады.

STI үшін номиналды біліктілік диапазондары

IEC 60268 16 ed4 2011 стандарты әртүрлі қолданыстар үшін икемділік беру мақсатында біліктілік шкаласын анықтайды. Осы альфа шкаласының мәндері "U" әрпінен басталып "A+" әрпімен аяқталады.

STIPA

STIPA (Public Address жүйелері үшін сөйлеу беру индексі) – бұл жеңілдетілген әдіс және сынақ сигналын пайдаланатын STI нұсқасы. STIPA сигналында әрбір октавалық диапазон бір уақытта екі модуляция жиілігімен модуляцияланады. Модуляция жиіліктері октавалық диапазон арасында теңгерімді түрде таратылады, бұл модуляциялық трансферт функциясы матрицасы негізінде сенімді STI өлшемін алуға мүмкіндік береді. Бастапқыда Public Address жүйелері (және дауыстық эвакуация жүйелері және жаппай хабарлама жүйелері сияқты ұқсас орналымдар) үшін жасалған болса да, STIPA басқа да көптеген қолданыстар үшін де пайдаланылуы мүмкін. Қазіргі уақытта RASTI толық STI-ден тек күшті эхолар болған жағдайда ғана нашар деп есептеледі. Бір STIPA өлшемі әдетте 15-25 секундқа созылады, бұл RASTI жылдамдығын толық STI-дің қолданылу аясының кеңдігімен және сенімділігімен (шамамен) үйлестіреді. STIPA кеңінен қолжетімді болғандықтан және RASTI-нің STIPA-ға қарағанда бірнеше кемшіліктері бар және ешқандай артықшылығы жоқ болғандықтан, RASTI қазір ескірген деп саналады. STIPA сынақ сигналы адамның құлағына сөйлеуге ұқсамаса да, жиілік құрамы және интенсивтілік өзгерулері тұрғысынан сөйлеу сипаттағы сигнал болып табылады. Сөйлеуді төмен жиілікті сигналдармен модуляцияланған интенсивті шу ретінде сипаттауға болады. STIPA сигналы 7 октавалық диапазонға бөлінген 14 түрлі модуляция жиілігінде мұндай интенсивтілік модуляцияларын қамтиды. Байланыс жүйесінің қабылдаушы жағында алынған сигналдың модуляция тереңдігі өлшенеді және әр түрлі жиілік жолақтарындағы сынақ сигналымен салыстырылады. Модуляция тереңдігінің төмендеуі түсініктіліктің төмендеуімен байланысты.

Тікелей емес әдіс

Импульстік жауап әдісі, сондай-ақ "жайындама әдіс" деп те аталады, арнаның сызықтық екенін болжайды және дыбыс көзінің өлшеу құралымен қатаң синхронизациялануын қажет етеді. Жайындама әдістің тікелей әдіске (модуляцияланған сынақ сигналдарына негізделген) басты артықшылығы – барлық октавалық диапазонды қамтитын толық МТФ матрицасы өлшенеді, барлық маңызды модуляция жиіліктері кіреді. Эхо тууы мүмкін үлкен кеңістіктерде (мысалы, соборларда) жайындама әдіс тікелей әдіске қарағанда әдетте артық қолданылады (мысалы, модульді STIPA сигналдарын пайдалану). Жалпы алғанда, жайындама әдіс "таза бөлме акустикасына" негізделген сөйлеу түсініктілігін зерттегенде ең жақсы нұсқа болып табылады, егер беріліс жолында электроакустикалық компоненттер болмаса. Дегенмен, арнаның сызықтық болуы талабы жайындама әдісті көптеген нақты қолданыстарда сенімді пайдалану мүмкін емес етеді: беріліс тізбегінде сызықтық емес мінез-құлық көрсететін компоненттер болған жағдайда (мысалы, динамиктер), жайындама өлшемдер дұрыс емес нәтижелер бере алады. Сонымен қатар, қолданылатын импульстік жауап өлшеу түріне байланысты, өлшеу кезіндегі фондық шудың әсері дұрыс ескерілмеуі мүмкін. Бұл жайындама әдісті дыбыс күшейткіш және эвакуациялық жүйелерді өлшегенде өте сақ болуды талап етеді. IEC 60268-16 rev. 4 мұндай қолданыстар үшін жайындама әдісті тыйымдамайды, бірақ ескертеді: "Сондықтан импульстік жауаптың қалай алынғаны және беріліс жүйесіндегі сызықтық емес факторлардың ықпалы болуы мүмкін екеніне қатысты сын тұрғысынан талдау қажет, әсіресе жүйе компоненттері өнімділік шегінде жұмыс істей алатын жағдайларда". Іс жүзінде сызықтық болжамның дұрыстығын тексеру күнделікті қолдану үшін тым күрделі, сондықтан (тікелей) STIPA әдісі динамиктер қатысқанда артықшылықты әдіс болып табылады. Көптеген жайындама әдіске негізделген өлшеу құралдары STIPA және "толық STI" опцияларын ұсынса да, STIPA-ға тән сиреп орналасқан модуляциялық трансферт функциясы матрицасы жайындама әдісті пайдаланғанда ешқандай артықшылық бермейді. Импульстік жауапқа негізделген STIPA өлшемдерін тікелей STIPA өлшемдерімен шатастыруға болмайды, өйткені нәтижелердің дұрыстығы арнаның сызықтық екендігіне байланысты.

An alternative Impulse response method, also known as the "indirect method," assumes that the channel is linear and requires stricter synchronization of the sound source to the measurement instrument. The main benefit of the indirect method over the direct method (based on modulated test signals) is that the full MTF matrix is measured, covering all relevant modulation frequencies in all octave bands. In very large spaces (such as cathedrals), where echoes are likely to occur, the indirect method is usually preferred over direct method (e. g. using modulated STIPA signals). In general, the indirect method is often the best option when studying speech intelligibility based on "pure room acoustics," when no electro acoustic components are present within the transmission path. However, the requirement that the channel must be linear implies that the indirect method cannot be used reliably in many real life applications: whenever the transmission chain features components that might exhibit non linear behaviour (such as loudspeakers), indirect measurements may yield incorrect results. Also, depending on the type of impulse response measurement that is used, the influence of background noise present during measurements may not be dealt with correctly. This means that the indirect method should only be used with great care when measuring Public Address systems and Voice Evacuation systems. IEC 60268 16 rev. 4 does not disallow the indirect method for such applications, but issues the following words of warning: "Critical analysis is therefore required of how the impulse response is obtained and potentially influenced by non linearities in the transmission system, particularly as in practice, system components can be operated at the limits of their performance range." In practice, verification of the validity of the linearity assumption is often too complex for everyday use, making the (direct) STIPA method the preferred method whenever loudspeakers are involved. Although many measuring tools based on the indirect method offer STIPA as well as "full STI" options, the sparse Modulation Transfer Function matrix inherent to STIPA offers no advantages when using the indirect method. Impulse response based STIPA measurements must not be confused with direct STIPA measurements, as the validity of the result still depends on whether or not the channel is linear.

ЖТК өлшеуіш аспаптарын өндірушілердің тізімі

STI өлшеуіш құралдары әртүрлі өндірушілермен жасалған (және жасалып келген). Төменде STI өлшеуіш құралдары сатылатын брендтердің тізімі алфавиттік тәртіппен келтірілген. Audio Precision APx500 сериялы аудио анализаторларымен қолдануға арналған STI плагинін ұсынады. Audiomatica CLIO 11 жүйесінде стандарттың ең соңғы нұсқасына сәйкес келетін STI (соның ішінде STIPA) құралын ұсынады (IEC 60268 16 rev. 4). CLIO 12 жүйесі STI/STIPA-ны жанама және STIPA-ны тікелей өлшеуге қабілетті. Bedrock Audio Бұл Embedded Acoustics компаниясының SM50 сияқты STIPA жабдықтарын сататын бренді. Brüel & Kjær қолмен басқарылатын, сондай-ақ бағдарламалық қамтамасыз етуге негіделген шешімдер ұсынады. Gold Line STIPA өлшеу шешімдерін (DSP2 және DSP30) ұсынған алғашқы, бірақ қазіргі уақытта соңғы стандарттарға (IEC 60268 16 rev. 4) сәйкес келетін құралдарды ұсынбайды. HEAD acoustics Artemis Suite және ACQUA сынақ жүйелері үшін STI опцияларын ұсынады (соның ішінде STIPA, STITEL және RASTI). Ivie STIPA мүмкіндігі бар акустикалық өлшеу құралдарын ұсынады, мысалы IE 45. Norsonic Norsonic STIPA-ны ерте қабылдап, өз құралдарында STIPA модульдерін ұсынды (Nor 140). Scantek, Inc. компаниясы арқылы сатылды (Колумбия, Мэриленд штаты). NTi Audio өздерінің AL1 және XL2 акустикалық өлшеу құралдарымен, сондай-ақ Talkbox және басқа да сыртқы құрылғылармен STIPA модульдерін ұсынады. Қазіргі уақытта нарықтағы көшбасшы (2013 жыл). Quest қазір 3M құрамында, Quest Verifier сияқты құралдарды шығарады. Svantek компаниясы дыбыс деңгейін өлшеуіштердің жаңартылған үлгілерімен STI (соның ішінде STIPA) өлшеу шешімін ұсынады. TNO. Қазіргі уақытта ешқандай өнімді сатпайды, бірақ бұрын STIDAS сериялы өлшеу құралдарын (басқалармен қатар) сатқан. STI өлшеу шешімдерінің нарығы әлі де дамуда, сондықтан жоғарыдағы тізім өндірушілер нарыққа кірген немесе одан шыққан кезде өзгеруі мүмкін. Тізімге STI мүмкіндігі бар акустикалық өлшеу және модельдеу бағдарламаларын жасаушы бағдарламалық жасақтама өндірушілері кірмейді. STIPA өлшеулеріне арналған мобильді қосымшалар (мысалы, Studio Six Digital және Embedded Acoustics компаниялары сатқандары) да тізімнен шығарылған.

STI measuring instruments are (and have been) made by various manufacturers. Below is a list of brands under which STI measuring instruments have been sold, in alphabetical order. Audio Precision Offers an STI Plug in option for use with APx500 Series audio analyzers. Audiomatica Offers an STI (including STIPA) tool in CLIO 11 system that is compliant with the latest version of the standard (IEC 60268 16 rev. 4). CLIO 12 system is capable of both indirect STI/STIPA and direct STIPA measurements. Bedrock Audio This is the brand under which Embedded Acoustics sells their STIPA hardware, such as the SM50. Brüel & Kjær Offers handheld as well as software based solutions. Gold Line First to offer STIPA measuring solutions (DSP2 and DSP30), but currently not offering any tools that comply with the latest standards (IEC 60268 16 rev. 4). HEAD acoustics Offers STI options (including STIPA, STITEL, and RASTI) for both the Artemis Suite and ACQUA test systems. Ivie Offers STIPA capable acoustic measuring tools such as the IE 45. Norsonic Norsonic was early to adopt STIPA and offer STIPA modules on their instruments (Nor 140). Sold by Scantek, Inc. in Columbia Maryland. NTi Audio Offers STIPA modules with their AL1 and XL2 line of acoustic measuring instruments as well as a Talkbox and other peripherals. Apparent market leader at this moment (2013). Quest Now part of 3M, Quest produces tools such as the Quest Verifier. Svantek Offers an STI (including STIPA) measurement solution with their more advanced sound level meters. TNO. Not currently marketing any products, but sold (among others) the STIDAS series of measuring instruments before. The market for STI measuring solution is still developing, so the above list is subject to change as manufacturers enter or leave the market. The list does not include software producers that produce STI capable acoustic measuring and simulation software. Mobile apps for STIPA measurements (such as the ones sold by Studio Six Digital and Embedded Acoustics ) are also excluded from the list.