黃奕文，吳志杰，陳樹輝

（1.暨南大學(xué) 信息技術(shù)研究所，廣州 510075；2.廣州市盛通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，廣州 510075）

教室的聲學(xué)要求主要是滿足語言清晰度的要求，即要求有足夠的響度、合適的混響時(shí)間、低背景噪聲，無低頻聲染色。目前，教室聲學(xué)研究已經(jīng)從注重環(huán)境噪聲的影響發(fā)展到著重室內(nèi)聽聞質(zhì)量的研究與改善，并把快速語言傳輸指數(shù)（以下簡(jiǎn)稱RASTI）視為首要的評(píng)價(jià)參量。對(duì)于以擴(kuò)聲為主的多媒體階梯教室，語言清晰度的優(yōu)劣主要受到教室室內(nèi)聲場(chǎng)和擴(kuò)聲系統(tǒng)兩方面因素的影響。良好的教室聲學(xué)環(huán)境是學(xué)生與老師之間信息溝通的基本保障，如果課室聲學(xué)條件不理想，不但老師講課費(fèi)勁，學(xué)生聽課也吃力。在現(xiàn)實(shí)中，不少多媒體階梯教室在加裝了擴(kuò)聲系統(tǒng)之后，語言清晰度效果是否得到增強(qiáng)還需要定量分析。為此，本文參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)21間多媒體階梯教室進(jìn)行了空?qǐng)鲭娐暅y(cè)量，對(duì)有關(guān)RASTI的客觀評(píng)價(jià)參量進(jìn)行分析和探討。

1 測(cè)試方法說明

1.1 RASTI法概述

長(zhǎng)期以來，評(píng)價(jià)廳堂內(nèi)語言清晰度只能采用主觀測(cè)試的方式。而RASTI法的提出，提供了一種客觀測(cè)量方法，它可在短時(shí)間內(nèi)得出語言清晰度評(píng)分。這一方法在上世界60年代末由荷蘭聲學(xué)家H.Houtgast和H.J.M.steeneken首先引入建筑聲學(xué)領(lǐng)域，建立在調(diào)制傳輸函數(shù)（Modular Transfer Function簡(jiǎn)稱MTF）的概念上。

RASTI法不僅可以用來比較同一廳堂中不同位置和不同條件下語言傳輸質(zhì)量，同時(shí)也適用于評(píng)價(jià)不同廳堂有關(guān)可懂度的語言傳輸質(zhì)量。

語言清晰度是根據(jù)模擬實(shí)際發(fā)話人聲學(xué)特性的測(cè)試信號(hào)通過空間時(shí)調(diào)制指數(shù)mi的降低來確定的。測(cè)試信號(hào)從發(fā)話人位置的聲源傳輸?shù)铰犚羧宋恢蒙系膫髀暺鲿r(shí)的調(diào)制指數(shù)為mo，mi為初始調(diào)制指數(shù)，調(diào)制指數(shù)的降低由調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)m(F)的數(shù)量表示，由式（1）確定

F為測(cè)試信號(hào)正弦強(qiáng)度的調(diào)制頻率。STI法是由對(duì)98個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)m(F)而確定的，數(shù)據(jù)點(diǎn)是從在0.63至12.5 Hz范圍內(nèi)的14個(gè)調(diào)制頻率（以1/3 oct間隔）和中心頻率從125 Hz至8 kHz范圍內(nèi)的7個(gè)倍頻帶獲得的。RASTI法中，把測(cè)試信號(hào)限制在中心頻率為500 Hz和2 kHz的兩個(gè)倍頻帶中，并且在這些倍頻帶中分別只有4個(gè)和5個(gè)調(diào)制頻率。

聲源參考軸指向正常發(fā)話方向且置于廳堂中真實(shí)發(fā)話人頭部位置。測(cè)試信號(hào)電平應(yīng)調(diào)節(jié)到參考語言聲級(jí)為60 dB。對(duì)于中心頻率為500 Hz的倍頻帶，應(yīng)調(diào)制測(cè)試信號(hào)使得長(zhǎng)期有效值聲壓級(jí)相對(duì)于參考語言聲級(jí)為-1 dB，對(duì)于中心頻率為2 kHz倍頻帶則應(yīng)調(diào)制為-10 dB。RASTI值與主觀評(píng)價(jià)的關(guān)系如表1所示。

表1 RASTI主觀評(píng)價(jià)表Tab.1 The RASTI subjective evaluation form

1.2 測(cè)量條件與布點(diǎn)

主要研究的是在課室擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟和關(guān)閉兩種情況下的RASTI值，對(duì)某市21個(gè)高等院校的多媒體階梯課室進(jìn)行RASTI的測(cè)量、記錄、分析和總結(jié)。RASTI法沒有考慮非線性失真影響，因此21個(gè)高等院校測(cè)試的課室的聲源系統(tǒng)基本是線性語言傳輸（無削波等），其擴(kuò)聲系統(tǒng)分布圖見圖1。

圖1 多媒體階梯課室擴(kuò)聲系統(tǒng)分布Fig.1 Microphone lecture theatres system distribution of lecture theatres

在課室滿場(chǎng)的情況下進(jìn)行RASTI測(cè)量的效果最好，然而實(shí)際情況很難做到，因此所有測(cè)試都是在空?qǐng)銮闆r下進(jìn)行。依據(jù)《GB/T4959-1995廳堂擴(kuò)聲特性測(cè)量方法》，測(cè)點(diǎn)高度離地1.2 m，距墻1.5 m，其詳細(xì)的布置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Measuring points

1.3 多媒體階梯課室的特征

研究的主要對(duì)象是表2所示的21個(gè)高等院校的多媒體階梯課室的RASTI值。為了清楚地比較擴(kuò)聲系統(tǒng)對(duì)RASTI值的影響，這21個(gè)院校覆蓋了文理科的幾個(gè)重點(diǎn)學(xué)校，且所選課室的物理結(jié)構(gòu)和聲學(xué)特性基本一致，具有一定的研究?jī)r(jià)值。

2 兩種情況下RASTI值的比較

2.1 測(cè)試結(jié)果分析

圖3和圖4分別代表了21個(gè)多媒體階梯課室在擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉和開啟時(shí)的RASTI值分布，圖中的“ ·”“?”“+”“o”分別代表測(cè)點(diǎn)ABCD的RASTI值。從表3可以知道RASTI值在擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)為0.14到0.66，大于0.60的有6個(gè)；開啟時(shí)為0.22到0.67，大于0.60的有9個(gè)。無論在開啟還是關(guān)閉的情況下，所有多媒體階梯課室測(cè)點(diǎn)的RASTI平均值均小于0.45，這也說明了大部分測(cè)點(diǎn)屬于“較差”等級(jí)。

表2 21個(gè)高等院校清單Tab.2 A list of 21 institutions of higher education

圖5和圖6顯示了兩種情況下ABCD四個(gè)測(cè)點(diǎn)RASTI值的分布。在擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，RASTI平均值從測(cè)點(diǎn)A到測(cè)點(diǎn)D呈現(xiàn)逐步遞減的趨勢(shì)，說明在擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉的情況下，越靠近聲源獲得的語言清晰度效果越好；而在擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)基本維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的語言清晰度。

圖7和圖8顯示了RASTI值與測(cè)點(diǎn)離聲源距離的對(duì)數(shù)關(guān)系。從圖7可以看出，在離聲源很近的聽眾區(qū)RASTI值急劇下降，而在離聲源稍遠(yuǎn)的聽眾區(qū)RASTI值的下降趨勢(shì)趨于緩慢。除去一些干擾數(shù)據(jù)之后，利用MATLAB對(duì)曲線進(jìn)行擬合，得出其最佳的曲線函數(shù)為

圖3 擴(kuò)聲關(guān)閉時(shí)RASTI分布Fig.3 Microphone system close RASTI distribution

圖4 擴(kuò)聲開啟時(shí)RASTI分布Fig 4 Microphone system open RASTI distribution

表3 RASTI值特征統(tǒng)計(jì)Tab.3 RASTI value characteristics statistics

R-square為方程的確定系統(tǒng)（下同），取值在0至1之間。而圖8則顯示，在擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟的情況下，離聲源較近的聽眾區(qū)RASTI值下降不如圖7急劇，整個(gè)曲線的下降趨勢(shì)也很緩慢，說明在有擴(kuò)聲系統(tǒng)的環(huán)境中，聽眾區(qū)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的清晰度效果都比較接近。

圖5 擴(kuò)聲關(guān)閉時(shí)RASTI分布Fig.5 RASTI distribution with microphone system close

圖6 擴(kuò)聲開啟時(shí)RASTI分布Fig.6 RASTI distribution with microphone system open

2.2 擴(kuò)聲開啟和關(guān)閉時(shí)RASTI值的關(guān)系

圖9 顯示了多媒體階梯課室所有測(cè)點(diǎn)的RASTI值在擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟和關(guān)閉兩種情況下的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用MATLAB的擬合功能可得最佳曲線為

為了更好地檢查擴(kuò)聲系統(tǒng)的效果，定義了“RASTI增益”為擴(kuò)聲開啟時(shí)的RASTI值減去擴(kuò)聲關(guān)閉時(shí)的RASTI值

如果RASTI增益為正值，說明擴(kuò)聲系統(tǒng)的開啟提高了測(cè)點(diǎn)的語言清晰度；如果為負(fù)值，說明擴(kuò)聲系統(tǒng)的開啟反而降低了該測(cè)點(diǎn)的語言清晰度（開啟關(guān)閉均為同個(gè)測(cè)試點(diǎn)）。圖10給出了RASTI增益與測(cè)點(diǎn)離聲源距離的關(guān)系，利用MATLAB的擬合功能可得最佳曲線為

圖7 RASTI與測(cè)點(diǎn)離聲源距離的關(guān)系圖（擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉）Fig.7 Relationship diagram of RASTI and the measuring point from the sound source distance(microphone system close)

圖8 RASTI與測(cè)點(diǎn)離聲源距離的關(guān)系圖（擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟）Fig.8 Relationship diagram of RASTI and the measuring point from the sound source distance(microphone system open)

圖9 擴(kuò)聲開啟和關(guān)閉時(shí)的RASTI分布圖Fig.9 RASTI distribution of the microphone system open and close

由圖10可知，在測(cè)點(diǎn)離聲源距離為4 m的范圍內(nèi)，擴(kuò)聲開啟時(shí)的RASTI值比擴(kuò)聲關(guān)閉時(shí)要?。欢嚯x大于4 m之后，擴(kuò)聲開啟時(shí)的RASTI值比擴(kuò)聲關(guān)閉時(shí)要大。說明在多媒體階梯課室中，距聲源4 m范圍內(nèi)，擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)聽眾區(qū)的清晰度效果要比開啟時(shí)好，而在大于4 m之后，擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟時(shí)的效果要比關(guān)閉時(shí)好。

圖10 RASTI增益與測(cè)點(diǎn)離聲源距離的關(guān)系圖Fig.10 Relationship diagram of RASTI gain and the measuring point from the sound source distance

圖11 是ABCD四個(gè)測(cè)點(diǎn)的RASTI增益分布圖。由圖可以看出測(cè)點(diǎn)A（最靠近講臺(tái)）有超過一半在擴(kuò)聲開啟時(shí)RASTI值反而減小了，而BCD三個(gè)測(cè)點(diǎn)大部分在擴(kuò)聲開啟時(shí)的RASTI值在增大（最大值為0.29）。對(duì)這13個(gè)擴(kuò)聲開啟時(shí)RASTI值反而減小的測(cè)點(diǎn)A的距離進(jìn)行平均，其平均值為3.2 m，說明大部分多媒體階梯課室中，距聲源3.2 m范圍內(nèi)，擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)聽眾區(qū)的清晰度效果要比開啟時(shí)好，而在大于3.2 m之后，擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟時(shí)的效果要比關(guān)閉時(shí)好。

為了更好地理解擴(kuò)聲系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉對(duì)每個(gè)多媒體階梯課室RASTI值的影響，進(jìn)一步定義了如下的提高因子

圖11 RASTI增益與測(cè)點(diǎn)的關(guān)系圖Fig.11 Relationship diagram of RASTI gain and the measuring point

其中 IF 為提高因子，（RASTI擴(kuò)聲開啟）avg為擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟時(shí)所有測(cè)點(diǎn)RASTI的平均值，（RASTI擴(kuò)聲關(guān)閉）avg為擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)所有測(cè)點(diǎn)RASTI的平均值

表4按提高因子（IF）升序的方法對(duì)21個(gè)多媒體階梯課室進(jìn)行排序。提高因子平均值增加了

表4 21個(gè)多媒體階梯課室的IF值Tab.4 IF value of 21 multimedia ladder classroom

15%（相對(duì)于1）和RASTI增益增加了5%（相對(duì)于0）說明了擴(kuò)聲系統(tǒng)的效果是明顯的。52.4%的多媒體階梯課室開啟擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)RASTI的增值超過了關(guān)閉時(shí)的10%，但也有28.6%的課室開啟擴(kuò)聲系統(tǒng)是達(dá)到降低RASTI值的效果，這是因?yàn)檫@個(gè)6個(gè)多媒體課室的容量比較小，過多的噪音和回音容易回蕩在課室里面。實(shí)際上，只有9.6%的課室在擴(kuò)聲開啟時(shí)達(dá)到“優(yōu)秀”的主觀評(píng)價(jià)等級(jí)。表5同時(shí)列舉了除去測(cè)點(diǎn)A的IF值，其在擴(kuò)聲的開啟時(shí)提高了24%。

3 結(jié)論與展望

在擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟和關(guān)閉兩種情況下，依據(jù)《GB/T4959-1995廳堂擴(kuò)聲特性測(cè)量方法》對(duì)某市21個(gè)高等院校的多媒體階梯課室中ABCD四個(gè)測(cè)點(diǎn)的RASTI值進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示RASTI平均值在擴(kuò)聲關(guān)閉時(shí)為0.18～0.55，開啟時(shí)為0.25～0.65。同時(shí)利用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得RASTI增益與測(cè)點(diǎn)離聲源距離的關(guān)系式。表明了在多媒體階梯課室中，只有當(dāng)離聲源距離超過4 m時(shí)，啟用擴(kuò)聲系統(tǒng)才會(huì)增加RASTI值，獲得更好的語言清晰度。但也不是所有課室都能獲得良好的增益，有不少課室在擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟情況下RASTI值反而降低了。在現(xiàn)實(shí)中，不少高校的多媒體階梯課室通過加裝擴(kuò)聲系統(tǒng)來提高課室內(nèi)的聲學(xué)效果，而如何提高離聲源距離4 m區(qū)域內(nèi)的RASTI值，以及如何解決部分課室在加裝了擴(kuò)聲系統(tǒng)之后RASTI值反而降低的問題，是今后研究擴(kuò)聲系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)。

[1]黃凱旗，麻衛(wèi)芬.多媒體教室語言可懂度測(cè)量與分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(32)：106-109.

[2]彭健新.教室語言清晰度測(cè)量與分析[J].聲學(xué)技術(shù)，2003，(z2)：335-337.

[3]GB/T14476-93，客觀評(píng)價(jià)廳堂語言可懂度的“RASTI”法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[4]宋擁民，盛勝我.教室室內(nèi)聲學(xué)研究進(jìn)展[J].聲學(xué)技術(shù)，2006，25（1）：56-61.

[5]張飛碧.如何評(píng)價(jià)擴(kuò)聲系統(tǒng)的音響效果[J].音響技術(shù)，2003，(3)：34-35.

[6]Antonio P.0.Carvalho and Margarida M.M.F.Lencastre.How does rasti change with sound reinforcement systems in churches?[J].Sixth International Congress on Sound and Vibration,1999,157-164.