C - U P P S A T S
En jämförelse mellan två metoder för mätning av modulationsindex
David Grönlund
Luleå tekniska universitet C-uppsats
Ljudteknik
Institutionen för Arena media, musik och teknik Avdelningen för Medier och upplevelseproduktion
2008:032 - ISSN: 1402-1773 - ISRN: LTU-CUPP--08/032--SE
En jämförelse mellan två metoder för mätning av modulationsindex
David Grönlund 15 februari 2008
1
Sammanfattning
Speech Transmission Index (STI) är både en metod för att mä- ta taltydlighet och en skala som beskriver taltydlighet. Metoden pre- senterades av H. Steeneken och T. Houtgast 1985 och har därefter fått många användningsområden. STI beräknas utifrån modulation- sindex, där modulationsindex är förändringen av modulation genom ett system. Modulationsindex kommer att beräknas på två sätt: 1) med tallik testsignal 2) impulssvar. Dessa har jämförts mot varandra i syfte att klargöra skillnaderna mellan dem, för att kunna välja rätt metod när ett STI behöver beräknas. Jämförelsen mellan dem gjordes med avseende på (1) tidsåtgång för mätprocessen (2) komplexitet hos metoden och (3) tillförlitligheten i mätresulaten. Det har funnits att om lokalen inte har hög bakgrundsljudnivå är impulsmetoden att före- dra på grund av den korta mättiden och det enklare utförandet. Om det är mycket ljud i lokalen är det bättre att använda talsignalmetoden och se till så att kraven som ställs på utrustningen uppfylls.
3
Förord
Jag vill tacka Johan Odelius för vägledning och handledning inom STI, Mat- lab och signalbehandling. Jag vill även tacka min fru Jose n för hennes stöd och uppmuntran.
1 Inledning 5
2 Teori 6
2.1 Taltydlighet . . . 6
2.2 Modulationsindex . . . 6
2.3 Speech Transmission Index . . . 7
2.3.1 Begränsningar och svagheter i STI . . . 9
2.4 Talsignalmetoden . . . 10
2.5 Impulsmetod . . . 11
2.6 Modulationsindex via efterklang . . . 12
3 Metod 13 3.1 Utrustning . . . 14
3.2 Procedur . . . 15
3.2.1 Talsignalmetoden . . . 15
3.2.2 Impulsmetoden . . . 16
4 Resultat 18 4.1 Talsignalmetoden . . . 18
4.2 Impulsmetoden . . . 18
4.3 Efterklangsmätning . . . 19
5 Diskussion 20 5.1 Mätresultat . . . 20
5.2 Talsignalsmetoden . . . 20
5.3 Impulsmetoden . . . 20
5.4 Angående STI . . . 21
6 Slutsats 22
Referenser 24
Appendix 25
A Tabeller & Figurer 25
4
1 INLEDNING 5
1 Inledning
Speech Transmission Index (STI) är en metod för att mäta taltydlighet, men det är även en skala som beskriver taltydlighet. Metoden bygger på vägn- ing av modulationsindex (beskriver ett förhållande i modulation mellan två signaler). STI presenterades av H. Steeneken och T. Houtgast [1, 2], 1985 och har därefter fått många användningsområden. Ett av dessa områden är bilindustrin, där det är av vikt för säkerheten att det är god taltydlighet i fordonet [3]. God taltydlighet är också viktigt inom exempelvis nödsituation- sutrustning. Det är ju väldigt viktigt för säkerheten att nödmeddelanden som sänds ut via högtalare är lätta att uppfatta [4]. STI har också använts i viss utsträckning för att kartlägga taltydligheten i olika lokaler, bl.a i kyrkor [5].
I vissa fall är sämre taltydlighet i lokaler att föredra, som exempelvis mel- lan bås i kontorslandskap. Där är det ju viktigt att så lite ljud som möjligt överförs mellan båsen för att minska risken för distraktion [6].
Modulationsindex kan mätas på olika sätt. Enligt standard [7] används en tallik testsignal. Ett alternativt sätt är att beräkna modulationsindex via mätning av impulssvar [8].
Dessa två metoder att mäta modulationsindex skall jämföras mot varandra i den här uppsatsen. Det nns instrument som kan användas för mätning av STI, men det är ändå viktigt att förstå skillnaderna mellan dem för att kunna välja rätt metod när ett STI behöver mätas. Jämförelsen mellan dessa metoder skall göras med avseende på (1) tidsåtgång för mätprocessen (2) komplexitet hos metoden och (3) tillförlitlighet i mätresultaten.
2 Teori
I den här uppsatsen kommer följande de nitioner användas. Talsignalmeto- den: den fulla versionen av STI som beskrivs i IEC-60268 [7] och använder en testsignal. Impulsmetoden: metoden av Schroeder [8] som bygger på framta- gandet av modulationsindex via användandet av impulssvar.
I den här sektionen kommer de grundläggande fundamenten för taltydlighet, STI och modulationsindex via impulssvar att diskuteras. Sektionen inleds med en beskrivning av hur taltydlighet kan de nieras. Sektionen fortsät- ter sedan med en övergripande förklaring av teorin bakom metoderna samt påföljande beskrivning av tillvägagångssättet vid mätningar av STI och im- pulssvar.
2.1 Taltydlighet
Tal kan ses som en sekvens av fonem. Fonem är ett språkljud som är distink- tivt och skiljer olika betydelser åt. Om utbyte av ett ljud i ett ord mot ett annat ger ett nytt ord med en annan betydelse är de båda ljuden olika fonem.
Eftersom exempelvis par och kar är olika ord, är p och k olika fonem. Var- je fonem har ett eget frekvensspektrum. De spektrala skillnaderna behöver bibehållas för att talet skall uppfattas som tydligt. Distortion av tal exem- pelvis buller och efterklang, minskar de spektrala skillnaderna vilket medför reducerad taltydlighet [7].
2.2 Modulationsindex
De spektrala skillnaderna i talet kan beskrivas av Modulation Transfer Func- tion (MTF). MTF kvanti erar reduktionen i modulation som en funktion av modulationsfrekvensen [7]. Modulationsindex är kvoten av modulationen i två signaler, och används inte bara inom STI.
Vid överföring av tal i ett system är modulationsindex kvoten mellan mod- ulationen i insignalen (m0) och utsignal (m1) och beskriver hur systemet påverkar talets modulation [7].
En signal tar upp buller när den passerar genom en lokal eller ett system
2 TEORI 7
vilket medför att signalens modulation ökar (Fig. 1) [2]. Störljuden påverkar
Figur 1: Signalens modulation ökar när brus läggs på.
MTF olika. Efterklang i lokalen medför att MTF får formen av ett lågpass-
lter eftersom de högfrekventa modulationerna påverkas mer av efterklangen än de lågfrekventa. För bakgrundsbrus de nieras MTF istället av signalbrus- förhållandet och är oberoende av modulationsfrekvensen [7].
2.3 Speech Transmission Index
Modulationsindex kommer att mätas på två olika sätt i det här projektet.
Dels via den traditionella talsignalmetoden som använder en testsignal och dels med impulsmetoden som mäter impulsresponsen i lokalen för att sedan få fram ett modulationsindex. Även om beräknandet av modulationsindex är olika metoderna emellan, beräknas STI-värdet på samma sätt. Tabell 1 visar hur olika sti-värden kan tolkas mot taltydlighet.
STI 0.00-0.3 0.30-0.45 0.45-0.60 0.60-0.75 0.75-1.00
Taltydlighet Usel Dålig Medelbra Bra Perfekt
Tabell 1: Översättning av STI. Se Tabell 12.
Modulationsindex beräknas för 7 oktavband, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz och 14 modulationsfrekvenser 0.63, 0.8, 1, 1.25, 1.6, 2, 2.5, 3.15, 4, 5, 6.3, 8, 10, 12.5 Hz. Dessa oktavband och modulationsfrekvenser ska efterlikna mänskligt tal [7]. Därefter beräknas ett signalbrusförhållande (SNR) [9] för varje modulationsindex och metod fram.
SNR = 10 ∗ log 10(m/(1 − m)), (1) När SNR är funnet för varje oktavband och modulationsfrekvens begränsas värdena på SNR till ± 15 db, dvs värden mindre än -15 dB får värdet -15
dB och värden högre än 15 dB får värdet 15 dB. Enligt IEC-68268 [7] är signalbrusförhållandet, i intervallet -15 dB till +15 dB, i linjär relation till taltydlighet i intervallet mellan 0 och 1.
Av den anledningen konverteras signalbrusförhållandet till ett Transmission Index (TI) [9]
T Ik,f = snrk,f + 15
30 [0, 1], (2)
som är speci kt för varje oktavband k och modulationsfrekvens f. Modula- tion Transfer Index (MTI) beräknas därefter genom att beräkna ett medelvärde på transmission indexen för varje oktavband
MT Ik = 1 14
X14 f =1
T Ik,f. (3)
STI är ett vägt oktavmedelvärde. STI beräknas från MTI genom oktav- vägning som beror av hur viktigt ett visst oktavband är för taltydligheten (αk),
ST I =
X7 1
α ∗ MT I . (4)
Revised Speech Transmission Index (STIr) [7] är en vidareutveckling av STI.
Utöver oktav-vägning tas närliggande frekvensbands påverkan, på det egna frekvensbandet, hänsyn till (βk) (Tab. 2).
ST Ir =
X7 k=1
αkMT Ik−
X6 k=1
βkqMT Ik× MT Ik+1 . (5)
Oktavband Hz 125 250 500 1k 2k 4k 8k
Män α 0.085 0.127 0.230 0.233 0.309 0.224 0.173 β 0.085 0.078 0.065 0.011 0.047 0.095 - Kvinnor α - 0.117 0.0.223 0.216 0.328 0.250 0.194
β - 0.099 0.066 0.062 0.025 0.076 - Tabell 2: STIr: Vägning av Modulationsindex för varje oktavband. α - oktav-vägning. β - redundancy correction factors (närliggande frekvensbands påverkan på frekvensbandet [7]).
2 TEORI 9
2.3.1 Begränsningar och svagheter i STI
Det nns vissa typer av distortion som inte tas hänsyn till i STI exempelvis frekvensförändringar i apparatur som ska förebygga rundgång. Frekvensmul- tiplikation som exempelvis analoga bandspelare som spelar i fel hastighet tas heller inte hänsyn till. STI ger dessutom inte en tillförlitlig approximation av taltydlighet för hörselskadade, eller folk som använder skyddskåpor av olika slag [7].
STI är hela tiden under utveckling och revideringar görs. Tar med ett rön som exempel på hur STI utvecklas och förståelsen kring metoden ökar. Detta tas ännu inte hänsyn till i standarden [7].
Peter Mapp har visat att tidsdiskreta sena re ektioner från efterklangen i lokalen kan påverka STI-värdena [10]. Kamm ltereekten som uppstår när direktsignalen träar den fördröjda signalen kan påverka MTF:en mycket.
I ett fall med 50ms och 100ms fördröjning, påverkades STI-värdet felaktigt från 1 till 0.73 respektive 0.68 [10]. Eekten på MTF:en visas i Fig. 2. Om an-
Figur 2: Tidsdiskreta re ektioners påverkan på MTF. Grafen tagen från [10].
ledningen till STI-värdet bara berodde på efterklangen i lokalen skulle kurvan likna den som är på den vänstra delen av grafen, dvs mjuk och monoton. Den kraftiga dippen och spetsen på den högra delen indikerar diskreta re ektioner [10].
2.4 Talsignalmetoden
Det mänskliga talets modulation, frekvensspektra och direktivet används för att skapa en testsignal som sedan används för att mäta taltydligheten i lokalen. Denna signal spelas genom en högtalare och tas upp av en mätmikro- fon för att hitta förhållandet mellan den del av testsignalen som innehåller information och den del som innehåller distortion.
Testsignalen består av ett vitt brus som intensitetsmoduleras [1] i 7 ok- tavband mellan 125 − 8000Hz. Intensiteten för varje oktavband moduleras med 14 modulationsfrekvenser i tersband mellan 0, 63−12, 5Hz. Testsignalen kan beskrivas [7],
Ik(t) = Ik(1 + cos2πF t), (6) där Ik är intensiteten, Ik medelintensiteten i oktavbandet k, F är modula- tionsfrekvensen och t är tiden. Mätsignalen kan skrivas,
Ik(t) = Ik(1 + mkcos2πF t). (7) mkär modulationindex för varje oktav k. mkkan beräknas med fourieranalys.
Om distortionen i signalen är brus är SNR,
SNR = 10 log(Itest/Ibrus), (8) där Itest är intensiteten i testsignalen och Ibrus intensiteten i bruset. Modu- lationsindex påverkan på SNR fås genom att vi vet att m är,
m = Itest Itest+ Ibrus
, (9)
SNR härledes sedan [1] genom insättning av (9) i (1),
Vid mätningarna kalibreras systemet så att varje oktavband följer ett givet standardspektrum för att efterlikna en människas talspektrum (Tab. 3). För att väl efterlikna mänskligt tal är det rekomenderat [7] att använda en mun- simulator eller en högtalare med en membrandiameter på mindre än 10 cm.
Direktiviteten hos en högtalare ökar nämligen med minskad diameter. Anled- ningen till att direktiviteten hos högtalaren är viktig när den skall simulera mänskligt tal beror på att taltydligheten hos människor är bäst rakt framför munnen [7].
2 TEORI 11
Oktavband 125 250 500 1000 2000 4000 8000 dB +2,9 +2,9 -0,8 -6,8 -12,8 -18,8 -24,8
Tabell 3: Tabellen visar oktavbandsnivåerna för mänskligt tal relativt 60dB
2.5 Impulsmetod
Istället för att mäta vad som händer med en signal när den går från punkt (A) till punkt (B) så kan egenskaperna mellan dem mätas (C) via impulssvar (Fig. 3).
Figur 3: För att ta reda på vad som skulle hända med en signal när den passerar genom ett system kan vi beräkna C genom systemets impulssvar.
Impulsmetoden är en förenkling av STI, som tar fram systemets modulation- sindex via impulssvar. Enligt metoden av Schroeder [8] ges modulationsindex genom systemets kvadratiska impulssvar enligt:
mk =
Rh2(t)e−i2π·F tdt
R∞
0 h2(t)dt [8], (10)
där h är impulsvar och F modulationsfrekvensen. När modulationsindex är funnet beräknas signalbrusförhållandet för impulsmetoden genom (1).
(11) placeras i (2) och efterföljande beräkningar utförs för att få ett STI-värde från impulsmätningen.
Om mätningarna görs enligt impulsmetoden fås bara efterklangens inverkan på modulationsindex eftersom brusets inverkan inte syns på impulssvaret.
Därför måste det eventuella brus eller buller som nns i lokalen läggas till i efterhand enligt:
mi = 1
1 + 10−s/n [9], (11)
där s är signalens nivå (dB) och n den brusnivå (dB) som skall läggas till.
Det nns en metod som kan mäta impulsvar i bullrig miljö. D. Rife har visat en metod som använder MLS-brus. Teoretisk information om den tekniken
nns tillgänglig i [11, 12] och implementeringen av tekniken har dokumenter- ats i [12, 13].
2.6 Modulationsindex via efterklang
Efterklangstid är tiden det tar för ljudnivån att sjunka 60 dB, detta är dock problematiskt att mäta. Därför mäts tiden det tar för ljudnivån att sjunka 30 dB istället (T30) varpå tiden dubbleras.
Ett idealiserat impulssvar kan skrivas,
h(t) = e−t/τw(t) [8], (12) där h(t) är impulssvaret och w(t) är en stokastisk stationär process med medelvärde noll, ex., ett vitt brus, τ är konstant. Efterklangens påverkan på MTF, som skrivits i (2.2), kan beskrivas som ett lågpass lter, eftersom efterklangen i rummet påverkar de högfrekventa modulationerna mer än det lågfrekventa. Efterklangen kan härledas från impulssvaret h(t) genom,
T 60 = 13.8 ∗ τ /2 [8], (13) där konstanten 13.8 är en approximation av ln(106) (60dB minskning).
Modulationsindex (m) från efterklangenstidens påverkan fås av,
m = 1/q(1 + (2 ∗ pi ∗ F ∗ T 60/13.8)2) [8]. (14)
3 Metod
Mätningen av modulationsindex ska, som beskrivits tidigare, göras på två olika sätt: med talsignalmetoden i sin grundform och med en förenkling av STI som mäter impulsresponsen i lokalen. Förutom dessa två metoder ska modulationsindex baserat på lokalens efterklang mätas och ett STI ska även beräknas från det.
Både impulsmetoden och talsignalmetoden använde samma uppställning av utrustningen. I impulsmetoden placerades en referensmikrofon på 10 cm avstånd framför högtalaren (Fig. 4). Denna referensmikrofon stod även kvar vid mätningen med talsignalmetoden, även att den inte användes. I mät-
Figur 4: Skiss över mätuppställningen.
ningarna mättes bara modulationsfrekvenserna 2,4,8 i båda metoderna på grund av begränsningar i mätuttrustningen.
13
3.1 Utrustning
En munattrapp fanns inte att tillgå vid mättillfället men enligt IEC [7] kan då en enmembranshögtalare med membranstorlek under 10 cm användas istället.
Som högtalare valdes därför Canton Plus XS 40/70W vars membrandstorlek är mindre än 10 cm. I övrigt fanns inga speci kationer för utrustningen. Den övriga utrustningen som användes beskrivs i Tab. 4. På grund av utrustningen som användes fanns möjligheten att mäta i upp till fyra mätpunkter samtidigt med talsignalsmetoden.
Högtalare Canton Plus XS 40/70W
Mikrofoner Brüel & Kjaer Free- eld Microphone Type 4190
Förstärkare Proson RV 2040
CD-Spelare Teac
Ljudnivåmätare Brüel & Kjaer 2238
Mjukvara PULSE v7.0
Hårdvara (Pulse) Portable PULSE - 3560C
Tabell 4: Utrustning som valdes för användande vid mätningarna.
3 METOD 15
3.2 Procedur
I efterklangsmätningarna mättes efterklangen i samma punkt som de övriga mätningarna med pistol och RION ljudnivåmätare.
3.2.1 Talsignalmetoden
Konstruktionen av testsignalen utfördes i Matlab efter anvisningar från IEC- 60268 [7]. Testsignalen brändes sedan in på en CD som spelades med en CD-spelare. Systemet kalibrerades med testsignalen, som spelades i 60 dB, efter en given frekvenskurva (Fig. 5) som står beskriven i IEC-60268 [7].
Nivåerna för varje oktavband ck avvika med ±1 dB och reglerades för varje oktavband mellan 125 Hz och 8000 Hz.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 35
40 45 50 55 60 65
Hz
dB
Kurva över uppmätta värden och eftersträvade värden
Uppmätt Eftersträvat
Figur 5: Mätsystemet justerades så att det skulle följa en de nierad frekven- skurva.
De olika testsignalerna, för varje oktavband och modulationsfrekvens, sattes ihop till en enda lång signal. Därefter placerades en 'trig', i form av ett ljud, i början av signalen för att kunna lokalisera en tydlig startpunkt för varje frekvensspår. Trigen placerades på 3 sekunders avstånd från testsignalen så att ljudet från trigen inte skulle ringa kvar i lokalen när testsignalen började
spelas. Koordinaterna för denna trig lokaliserades därefter i Matlab. Testsig- nalen tillverkades så att alla 14 modulationsfrekvenser för ett oktavband spelades innan nästa oktavband började spela.
Den högtalare som användes vid mätningarna klarade inte att leverera ön- skat ljudtryck vid 125 Hz som Figur 5 också visar. Vägningen av 125 Hz är emellertid ganska låg och bristen i högtalaren medför en skillnad på 0.002 STI jämfört med rätt ljudtryck.
Enligt IEC-60268 skall era mätningar göras i varje punkt [7]. I det här projektet mättes dock bara en gång i en punkt.
3.2.2 Impulsmetoden
I detta fall användes i impulsmetoden två mikrofoner. Den ena mikrofonen placerades på ca 10 cm avstånd från ljudkällan, den andra placerades i den valda lyssningspositionen i samma punkt som i STI-mätningen. Mikrofonen placerad nära ljudkällan var en referensmikrofon och tog upp ljudet från högtalaren (insignal) för att kunna jämföra mätningen lyssningspositionen (utsignal).
Ett pseudo-randomiserat brus spelades genom högtalaren i ca 0,5 sekunder.
Därefter beräknades förhållandet, i Pulse, mellan mätningarna av insignal (x) och utsignal (y). Eftersom x och y är just mätningar, innehåller de mätfel vilket innebär att förhållandet H = Y/X (frekvensdomän) inte kan beräknas rakt av. Istället används autokorrelation och korskorrelation, H1 = Cxy/Cxx och H2 = Cyy/Cxy, vilket innebär att samvariansen mellan x och y beräk- nas. Dessa beräkningar förutsätter att systemet H är linjärt. Linjäriteten kontrolleras genom koherensen som ett värde mellan 0 och 1, där 1 visar på ett linjärt samband mellan signalerna.
I beräkningarna av STI-värdet sätts signal-brus-förhållandet inom intervallet [-15,15] dB (se ekv. (2)). Tiden som behövs för att göra en impulsmätning blir då alltså tiden det tar för signalen att sjunka 15 dB. Om tiden från efterklangsmätningen används fås T 30/4 = (0, 48/4) = 0, 12s. Mätningen hade alltså behövt vara minst 0,12s lång för att efterklangen i rummet skulle hinna ringa färdigt innan mätningen var klar. Mätningen som gjordes varade i 0.5s, vilket alltså ligger inom marginalen.
För att mätningarna skulle kunna göras ner till lägsta modulationsfrekvens
3 METOD 17
(0,63 Hz), var signalen tvungen att innehålla minst en period av den frekvensen (en period för modulationsfrekvensen 0,63 Hz är 1/0, 63 = 1, 6 s). Detta hör samman med frekvensupplösningen (frekvensupplösning = 1/mättid).
Så egentligen måste mätningen vara ännu längre för att få en tillräckligt bra frekvensupplösning. Tyvärr klarade FFT-analysatorn i programvaran inte de krav som ställdes för att göra en impulsmätning efter de speci kationer på modulationsfrekvenser som nns i IEC-standarden [7]. Därför gjordes en förenkling av metoden där ett mindre antal modulationsfrekvenser användes.
Eftersom frekvensupplösningen var 2 Hz valdes modulationsfrekvenserna till 2,4,8.
Efter att utfört mätningar med dessa metoder kan det konstateras att en mätning i en punkt med impulsmetoden tar mellan 0.5 sekunder att genom- föra. Talsignalmetoden tar ca 12 minuter i anspråk för att mäta i en punkt.
STIr-värdena (Tab. 5) som har fåtts fram med de olika metoderna visar att talsignalsmetoden ck 0,53 STIr, impulsmetoden ck 0,76 STIr och efterk- langsmätningen gav ett värde på 0,78 STIr. Mätvärdena från båda metoderna vägdes efter manlig vägning (se Tab. 2).
Metod Impulsmetoden Talsignalmetoden
STIr 0,76 0,53
Tabell 5: De beräknade STI-värdena för varje metod. I mätningarna användes manlig vägning.
4.1 Talsignalmetoden
TI från talsignalmetoden nns i Tab. A. Från Transmission Index gavs Mod- ulation Transfer Index (Fig. 9).
Oktavband (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000 MTI 0,67 0,75 0,83 0,63 0,56 0,27 0,13 Tabell 6: Modulation Transfer Index för varje oktavband i talsignalsmetoden.
MTI är medelvärdet av TI för varje okavband.
4.2 Impulsmetoden
Transmission Index för Impulsmetoden är redovisade i Tab. A. Koherensen och Impulsresponsen för mätpunkten är illustrerad i Fig. 6.
Oktavband (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000 MTI 0,73 0,72 0,79 0,76 0,71 0,70 0,76 Tabell 7: Modulation Transfer Index för varje oktavband i impulsmetoden.
18
4 RESULTAT 19
Figur 6: Koherensen och Impulsresponsen för mätpunkten.
4.3 Efterklangsmätning
Med efterklangens påverkan kunde ett värde på 0,78 STI räknas fram från formel (13). Efterklangen för de olika oktavbanden är redovisade i Tab. 8.
Oktavband (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Efterklang, T60 (s) 0,51 0,52 0,36 0,44 0,56 0,58 0,42 Tabell 8: Efterklangen för varje oktavband, som användes för att få efterk- langens påverkan på modulationsindex. Se 2.6
Oktavband (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000 MTI 0,75 0,75 0,82 0,78 0,73 0,72 0,79 Tabell 9: Modulation Transfer Index för varje oktavband i impulsmetoden.
Transmission Index för efterklangsmätningen är redovisad i Tab. A.
5 Diskussion
5.1 Mätresultat
Resultaten från de mätningar som gjorts i den här uppsatsen visar att värdet från talsignalsmätningen inte stämmer överens med värdet från impulsmät- ningen och efterklangsmätningen. Värdet från talsignalsmätningen är lägre än det borde vara under rådande förhållanden. Lokalen där mätningarna utförts har nämligen kort efterklang och lågt signal brus förhållande vilket också efterklangsmätningens och impulsmetodens STI-värde visar genom att värdena från de mätningarna är ca 0.25 STI högre.
Modulationsindexen från de olika metoderna (se Appendix A) visar att skill- naden mellan talsignalsmetoden och de andra metoderna är störst i frekvens- banden 2000 och 4000 samt i de högre modulationsfrekvenserna. En störning i dessa frekvensband, som vägningen av oktavbanden visar, medför också en stor skillnad i STI-värdet. I Figur 6 syns tidigare re ektioner i impulssvaret, detta kan också ha påverkat STI-värdet.
5.2 Talsignalsmetoden
Talsignalmetoden är en komplex metod. Det är krångligt att skapa testsig- nalen på grund av att det krävs kunskaper inom exempelvis Matlab och signalbehandling. Det krävs även en del mätning för att kalibrera mätutrust- ningen efter den givna kurvan (Fig. 5).
5.3 Impulsmetoden
Utrustningen som användes i impulsmätningen motsvarade inte de krav som ställdes. Därför användes bara tre av de 14 modulationsfrekvenser som skulle användas, nämligen 2,4,8 Hz. Dessa valdes på grund av frekvensupplösningen i Pulse som var på 2 Hz och dessa frekvenser var de enda som skulle kunna mätas rätt. Detta medför alltså att vissa modulationsfrekvenser inte tas med i beräkningen, vilket innebär en risk för fel i STI-värdet. Efterklang påverkar ju som känt de högre modulationsfrekvenserna mer än de lägre och när vissa av de högre modulationsfrekvenserna exkluderas märks efterklangens påverkan
5 DISKUSSION 21
inte lika väl. Därför kan det beräknade STI-värdet från impulsmätningen vara för högt.
Att utföra impulsmetoden är enklare än talsignalmetoden. Detta beror till största del på att det inte används någon testsignal i impulsmetoden. Om bra utrustning nns att tillgå så är impulsmetoden de nitivt enklare att få tillförlitliga resultat med. Detta beror på att talsignalmetoden innehåller många procedurer och tar lång tid att genomföra, det nns därför mycket som kan gå fel och påverka resultatet. Det kan exempelvis hinna komma in en del störljud i lokalen som påverkar signalen och STI-värdet.
Bakgrundsbruset syns inte på impulssvaret utan måste läggas till i efter- hand. Detta behöver nödvändigtvis inte vara dåligt, eftersom det i vissa fall kan vara intressant att särskilja efterklangens påverkan på impulssvaret och bakgrundsbruset. Det är dock ett moment extra och räknas som en nackdel i det här projektet.
5.4 Angående STI
Generellt sett är STI-skalan svårbegriplig eftersom det inte går att överföra skalan till något konkret, som fallet är med dB där exempelvis 60dB är normalt tal. Därför tar det också tid och erfarenhet för att få en uppfattning om hur exempelvis 0.6 STI låter.
I detta projekt har alla nödvändiga steg uförts för att få en ordentlig bild av skillnaderna mellan metoderna. I dag nns det emellertid automatiserade system som utför mätningarna. Dessa instrument använder både impulss- var och modulerat vitt brus (talsignalsmetod). Även om dessa mätsystem förenklar mätprocessen för de båda metoderna kvarstår alltjämt problemet med att förstå mätresultaten. Detta kan bäst göras genom att göra många mätningar samt att sätta sig in i hur metoderna fungerar från grunden.
6 Slutsats
I den här sektionen behandlas slutsatsen av jämförelsen mellan talsignalmeto- den (Tab. 10) och impulsmetoden (Tab. 11). De tre kriterierna som metoder- na skulle jämföras mot var: (1) tidsåtgång för mätprocessen (2) komplexitet hos metoden och (3) tillförlitlighet i mätresultaten. I fråga om tidsågång vid mätningarna är impulsmetoden klart snabbare vilket har visats ovan. I fråga om komplexitet är impulsmetoden där dockså bättre på grund av att det är färre steg som skall utföras. Tillförlitligheten i mätresultaten är till viss del beroende av komplexiteten eftersom er steg i mätprocessen medför risk för fel i slutändan. Därför räknas impulsmetoden som mer tillförlitlig.
Om lokalen där mätningarna skall göras inte har hög ljudnivå och utrust- ningen klarar den frekvensupplösning som krävs för en impulsmätning, är impulsmetoden att föredra på grund av den korta mättiden och det enklare utförandet. Om det är mycket ljud i lokalen är det bättre att använda talsig- nalmetoden och se till så att kraven som ställs på utrustningen uppfylls.
6 SLUTSATS 23
Talsignalmetoden
Fördelar Nackdelar
- kan mäta i upp till fyra punkter sam- tidigt (med den utrustning som använ- des)
- besvärligt att tillverka testsig- nalen
- är mindre känslig för distortion, även
icke-linjär distortion - besvärligt att kalibrera sys- temet innan mätning
- 12 minuter för en mätning
Tabell 10: Sammanfattning av talsignalmetodens egenskaper.
Impulsmetoden
Fördelar Nackdelar
- snabb metod - kan bara användas i passiva
linjära system - mätvärdena är nära de från efterk-
langensmätningen STI jämfört med talsignalsmetoden
- beroende av en bra frekvensup- plösning i programvaran
- kräver två mätmikrofoner för att kontrollera koherens och ko- rrelation
- måste lägga till bakgrunds- brusnivån i efterhand
Tabell 11: Sammanfattning av impulsmetodens egenskaper.
[1] T. Houtgast and H.J.M Steeneken. A physical method for measuring speech-transmission quality. Journal Acoustic Society America, 67:318
326, 1980.
[2] H.J.M Steeneken and T. Houtgast. The modulation transfer function in room acoustics as a predictor of speech intelligibility. Acustica, 28:6673, 1973.
[3] F. Bozzoli A. Farina. Measurement of the speech intelligibility inside cars. Journal Acoustic Society America, 113th Convention, October 2002.
[4] Peter Mapp. Limitations of current sound system intelligibility veri-
cation techniques. AES, 113th Convention, Los Angeles, California, 2002.
[5] Michael Lannie and Leonid Makrinenko. Acoustics of the old russian tent-shaped church. Journal Acoustic Society America, January 1994.
[6] Petra Larma and Valtteri Hongisto. Experimental comparison between speech transmission index, rapid speech transmission index, and speech intelligibility index. J. Acoust. Soc. Am., 119:11061117, 2005.
[7] ITU-R. Sound system equipment - part 16: Objective rating of speech intelligibility by speech transmission index. IEC-60268, 2003.
[8] M.R. Schroeder. Modulation transfer functions: De nition and measure- ment. Acustica, 49:179182, 1981.
[9] H.J.M Steenken and Tammo Houtgast. A review of the mtf concept in rooms acoustics and its use for estimating speech intelligibility in auditoria. J.Acoust.Soc, 77, 1985.
[10] Peter Mapp. Modifying sti to better re ect subjective impression. AES, 21th Convention, St. Petersburg, Russia, 2002.
[11] D. Rife. Modulation transfer functions with maximum length secuences.
Journal Acoustic Society America, 40(10), Oct 1992.
[12] Y Ando. Concert Hall Acoustics. Springer-Verlag, Berlin, 1985.
[13] Jerey Borish. Electronic simulation of auditorium acoustics. Ph.D Thesis, Stanford University, 1984.
24
Appendix
A Tabeller & Figurer
STI 0.00-0.3 0.30-0.45 0.45-0.60 0.60-0.75 0.75-1.00 Intelligibility Unacceptable Poor Fair Good Excellent
Tabell 12: STI values Tabellen är tagen från [7].
25
Transmission Index för valda modulationsfrekvenser i respektive oktavband.
125 250 500 1000 2000 4000 8000 2 0,75 1 0,99 0,65 0,63 0,29 0,27 4 0,74 0,81 0,90 0,56 0,51 0,21 0,19 8 0,44 0,50 0,63 0,49 0,50 0,24 0,12 Tabell 13: Transmission Index från Talsignalsmetoden
125 250 500 1000 2000 4000 8000 2 0,83 0,65 0,64 0,73 0,68 0,62 0,62 4 0,65 0,64 0,73 0,68 0,62 0,61 0,69 8 0,48 0,48 0,56 0,52 0,46 0,46 0,53 Tabell 14: Transmission Index från Impulsmetoden
125 250 500 1000 2000 4000 8000 2 0,91 0,90 0,95 0,93 0,89 0,88 0,93 4 0,73 0,73 0,83 0,78 0,70 0,69 0,79 8 0,47 0,47 0,60 0,53 0,44 0,43 0,54 Tabell 15: Transmission Index från Efterklangsmätning
