Artur NO WOŚ WIAT*
Politechnika Śląska
ZROZUMIAŁOŚĆ MOWY W POMIESZCZENIU ZAMKNIĘTYM.
ANALIZA PORÓWNAWCZA WYNIKÓW NUMERYCZNYCH I SYMULACYJNYCH
Streszczenie. W pracy przedstawiono dwie metody analizy pomieszczenia pod względem odbioru dźwięku słownego. Za pomocą programu ODEON uzyskano wyniki wpływu czasu pogłosu na wskaźnik STI (Speech Transmisión Index), określający zrozumiałość mowy w pomieszczeniu zamkniętym, a następnie wyniki te porównano z wynikami otrzymanymi na podstawie algorytmu własnego [4] opartego na metodzie Houtgasta i Steenekena [3] i rozważanego za pomocą programu MATLAB.
SPEECH COMPREHENSIBILITY IN ROOMS. COMPARATIVE ANALYSIS OF NUMERICAL AND SIMULATION RESULTS
Summary. The paper presents two methods o f rooms’ analysis in respect of speech reception. Using the ODEON software results of reverberation times influence on the STI (Speech Transmission Index), specifying the speech comprehensibility in rooms, were obtained and then the results were compared with results obtained on the basis o f own algorithm [4] based on the Houtgast and Steeneken method [3] and considered using the MATLAB software.
1. Wstęp
Duże znaczenie przy ocenie akustycznej pomieszczeń zamkniętych przywiązuje się do problemu związanego ze zrozumiałością mowy. Określenie zrozumiałości mowy przez zidentyfikowanie i ocenę wpływu pomieszczenia określają znormalizowane metody STI opracowane przez Houtgasta i Steenekena i opisane w pracach [1, 3, 4, 6].
Na zrozumiałość mowy mają duży wpływ zakłócenia zewnętrzne (szum), stanowiące pewnego rodzaju tło akustyczne. Generalnie przyjmuje się, że im większy jest poziom tego szumu, tym większy musi być poziom sygnału mowy, aby zachować jej dobrą zrozumiałość.
Jeśli stosunek sygnału do szumu wynosi 6 dB, można uznać zrozumiałość mowy za zadowalającą. Dla wartości tego stosunku równego 0 dB zrozumiałość mowy wynosi około
* Opiekun naukowy: Dr hab. Tadeusz Zakrzewski, prof. Pol. Śląskiej
50%. Na zrozumiałość mowy ma też wpływ pogłos pomieszczenia. Badania wykazały, że zrozumiałość mowy maleje wraz ze wzrostem czasu pogłosu pomieszczenia [3,4, 5].
Sygnał źródła dźwięku posiada obwiednię zmodulowaną sygnałem sinusoidalnym o pewnej częstotliwości modulacji. W celu zmniejszenia modulacji sygnału wejściowego wprowadzono współczynnik redukcji modulacji m, który jest zależny od częstotliwości modulacji i częstotliwości sygnału nośnego. Współczynnik modulacji m ( f ) opisuje zależność [3]:
W pracach [1,3,5] wyznaczono znormalizowane wskaźniki STI i określono je za pomocą następującej zależności:
30
Znormalizowana metoda STI określa zrozumiałość mowy poprzez zidentyfikowanie i ocenę wpływu pomieszczenia, tzn. warunków panujących w nim, na sygnał dźwiękowy odbierany przez słuchaczy.
2. Analiza symulacyjna za pomocą programu ODEON
Celem analizy jest wyznaczenie wpływu czasu pogłosu na odbiór dźwięku w pomieszczeniu prostopadłościennym. Program ODEON opiera się w głównej mierze na algorytmie wyznaczania czasu wczesnego zaniku EDT (Elary Decay Time). Czas wczesnego zaniku EDT określany jest na podstawie prędkości zaniku dźwięku dla pierwszych 10 dB spadku poziomu ciśnienia akustycznego po wyłączeniu źródła dźwięku. Do badań przyjęto salę prostopadłościenną ze sceną o nieregularnym kształcie. Powierzchnie ograniczające sali przyjęto następująco:
1) Podłoga sceny 78 m2, 2) Podłoga sali 259,256 m2, 3) Ściana tylna sceny 75 m2, 4) Ściany boczne sceny 58,697 m2, 5) Ściany boczne sali 139, 52 m2,
6) Ściana tylna sali 119,040 m2, 7) Sufit nad sceną 84,500 m2 8) Sufit nad salą 256 m2.
Na scenie przyjęto pięć punktów pomiarowych, natomiast w sali 21 punktów pomiarowych, co daje łącznie 26 punktów pomiarowych. Badania przeprowadzono w pięciu wariantach:
( 1.1)
gdzie: /-c z ę sto tliw o ść [Hz], T - czas pogłosu [s], - stosunek sygnał do szumu [dB].
(1.2)
Wariant I. Sala słabo wytłumiona o średnim współczynniku pochłaniania dźwięku a = 0,1,
oraz idealnie odbijającej scenie. Wariant II. Sala słabo wytłumiona o średnim współczynniku pochłaniania dźwięku a = 0,1 oraz idealnie pochłaniającej dźwięk scenie.
Wariant III. Sala dobrze wytłumiona o średnim współczynniku pochłaniania dźwięku a = 0 ,6 oraz idealnie odbijającej scenie. Wariant IV. Sala dobrze wytłumiona o średnim
współczynniku pochłaniania dźwięku a = 0 ,6 oraz dobrze wytłumionej scenie a = 0 , 1.
Wariant V. Sala dobrze wytłumiona o średnim współczynniku pochłaniania dźwięku a = 0 , 6 , oraz idealnie odbijającej ścianach bocznych sceny i sufitu sceny a = 0,1.
2.1. Prędkość zaniku dźwięku w poszczególnych wariantach
Na poniższych wykresie przedstawiono prędkości zaniku dźwięku dla przykładowo wybranego wariantu drugiego. Czas T20 i T30 opisuje zanik dźwięku w zakresie dynamicznym, odpowiednio 20 lub 30 dB. W tym przypadku punktem odniesienia jest poziom 5 dB poniżej stanu ustalonego dźwięku.
Estrnated global reverberation times (Source 1.106763 rays used) Estimated room volume:2869.92 fit
^ ! 1 i i i i n I ; i i l t n '
! 1 | ,
10 [ p i
1 1I 1 i i i i 1
*o
1 I
1i 1
1i ; 1 i f i K i r
■„.u;.. i i „„! i, ,1 i,„MM M M
T30.63-1.40s T30.125-1 30 s T30.250-1.40s T30.500-1.40s 730,1000-1,37 s T30,2000-1.30 s T30.4000-1.08s T30,8000*0 68 s
Rys. 1. Globalny czas pogłosu
Fig. 1. Estimated global reverberation times
2.2. Wskaźnik zrozumiałości mowy STI we wszystkich punktach pomiarowych
Na poniższym wykresie dla wariantu drugiego przedstawiono wskaźniki STI dla poszczególnych punktów pomiarowych w badanym pomieszczeniu. Wskaźniki te obrazują wartości zrozumiałości mowy.
Rys. 2. Wskaźnik STI w zależności od miejsca pomiaru dźwięku Fig. 2. Parameters STI vs. the place o f sound measurement
W badaniach symulacyjnych sali prostopadłościennej osiągnięto następujące rezultaty:
- wariant 2 - czas pogłosu 1,4 s, zrozumiałość mowy 0,64;
- wariant 3 - czas pogłosu 0,8 s, zrozumiałość mowy 0,71;
- wariant 4 - czas pogłosu 0,43 s, zrozumiałość mowy 0,85;
- wariant 5 - czas pogłosu 0,6, zrozumiałość mowy 0,76.
3. Analiza numeryczna
Jakość akustyczną pomieszczenia określają między innymi wyżej wymienione wskaźniki STI bezpośrednio związane z krzywą zaniku dźwięku w pomieszczeniu. Ich wartość zależna od zmian chłonności akustycznych wewnętrznych ścian pomieszczenia określa końcowy rezultat jego własności akustycznych.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA PRZY WYZNACZANIU WSKAŹNIKA STI
Podczas symulacji użyto sygnału szumowego filtrowanego w dwóch pasmach częstotliwości 500 i 2000 Hz. Każde pasmo modulowane jest sumą częstotliwości odpowiednio dla / = 500 Hz, częstotliwości modulacji zawierają się w zakresie 1 - 8 Hz z odstępem tercjowym, natomiast dla / = 2000 Hz częstotliwości modulacji zawierają się w zakresie 0 ,7 -1 1 ,2 Hz z odstępem tercjowym. Poziomy dźwięku sygnałów wynoszą odpowiednio:
-d la / = 500 Hz poziom L ^ = 59 dB, -d la / = 2000 Hz poziom Leq =50dB .
W badaniach teoretycznych na podstawie zależności (1.1), oraz algorytmu wyznaczania zrozumiałości mowy [2, 5] poprzez numeryczne wyznaczanie tychże wskaźników otrzymujemy:
Tablica 1 Wskaźnik STI w zależności od wyznaczonego czasu pogłosu
Czas pogłosu Zrozumiałość mowy
1,4 s 0,56
0,8 s 0,69
0,6 s 0,76
0,43 0,85
Wyniki numeryczne otrzymane za pomocą programu MATLAB przedstawiono w pracy [4] i porównano je poniżej z wynikami otrzymanymi za pomocą symulacji komputerowej wykonanych w programie ODEON.
4. Porównanie wyników teoretycznych i symulacyjnych
Analizę porównawczą wyników otrzymanych za pomocą teoretycznego wzoru (1.1) oraz wyników symulacji otrzymanych za pomocą programu ODEON zobrazowano na poniższym wykresie:
W ariant
| -h>— Wyniki symulacji —» — Wyniki teoretyczne"]
Rys. 3. Porównanie wyników teoretycznych i symulacyjnych Fig. 3. Theoretical and simulation results comparison
Dla tak otrzymanych wyników wyznaczono współczynnik korelacji, który wynosi 0,8.
5. Wnioski
Jakość akustyczną pomieszczenia określają między innymi opisane wcześniej wskaźniki STI bezpośrednio związane z czasem pogłosu. Ich wartość zależna od zmian chłonności
akustycznych wewnętrznych ścian pomieszczenia określa końcowy rezultat jego własności akustycznych. W pracy przedstawiono przykład przebiegu wskaźnika STI w funkcji czasu pogłosu pomieszczenia T. Wyniki pokazują istotną zależność pomiędzy wskaźnikami zrozumiałości mowy a czasem pogłosu. Ponadto, wykazano zbieżność wyników otrzymanych metodą symulacji komputerowych za pomocą programu ODEON z wynikami otrzymanymi za pomocą modelu numerycznego analizowanego za pomocą programu MATLAB.
Współczynnik korelacji pomiędzy tymi wynikami na poziomie 0,8 wskazuje nam poprawność zastosowanego algorytmu oraz możliwość wyznaczania wskaźników zrozumiałości mowy za pomocą tego algorytmu, nie używając bardzo drogiego oprogramowania, jakim jest ODEON.
LITERATURA
1. Gołaś A.: Metody komputerowe w akustyce wnętrz i środowiska. Wydawnictwo AGH, Kraków 1995.
2. Gołaś A.: Podstawy sterowania dźwiękiem w pomieszczeniach. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo - Dydaktyczne, Kraków 2000.
3. Houtgast T., Steeneken H. J. M., Plomp R.: Predicting Speech Intelligibility in Rooms from the Modulation Transfer Function I, Acustica 46,1980, 60 - 72.
4. Nowoświat A.: Wpływ czasu pogłosu na zrozumiałość mowy w pomieszczeniu zamkniętym. Zeszyty Naukowe Pol. Śląskiej, Budownictwo z. 95 Gliwice 2002, 437 - 444.
5. Nowoświat A.: Zastosowanie metod korelacyjnych w wyznaczaniu zrozumiałości mowy w pomieszczeniach zamkniętych. L Otwarte Seminarium z Akustyki, Gliwice-Szczyrk 2003.
6. Rutkowski L: Modyfikacja dźwięków o zmiennej częstotliwości w pomieszczeniach.
Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Adama Mickiewicza, Poznań 1999.
7. Schroeder M. R.: Modulation Transfer Functions. Definition and Measurement. Acustica 49, N o 3 ,1 9 8 1 ,1 7 9 - 182.
8. Zakrzewski T.: Badania własności akustycznych sali widowiskowej w Miejskim Domu Kultury w Czyżowicach. Ekspertyza badawcza, Gliwice 1998.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Zbigniew Engel
