CN111757235A - 一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，包括扩声音箱、麦克风、音频主机等；音频主机采用改进的STI间接法测量语言传输指数，扩声音箱用于老师讲课声音的扩音和测试激励信号的播放，麦克风布置于教室内的各个测量点，用于测试信号的接收，将接收到的音频信号传输到音频主机；音频主机中的数字处理单元对传入的数字信号进行处理，计算得到语言传输指数STI，并根据语言传输指数STI值获得在各个测量点听课的语言清晰度。本发明具有精度高、误差小、可实时测量、可同时测量多个位置等优点，并且能够消除了由于发言者个体声音差异引起的测量误差，能更加准确地反映真实上课的语音清晰度。
Description
技术领域
本发明涉及扩声***技术领域，尤其涉及一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***。
背景技术
扩声***通常是指把讲话者的声音对听话者进行实时放大的***，使得讲话者和听话者处在同一个声学环境中，扩声***包括扩声***和声场。成功的扩声***必须要具有足够的响度和足够的清晰度，并且能使声音均匀地覆盖听众区域。
现在大多数的扩声***在使用时都会面临着一个问题，即扩声***的扩声增益应该调节到多少才能保证听众区域具有均匀的声场和足够的清晰度。语言传输指数(STI)是评价语音传输品质的客观评价方法。研究证明，语言传输指数与语言清晰度具有很大的相关性。一般而言，语言传输指数越大，说明语言清晰度越高。汉语清晰度与语言传输指数之间的关系如图1所示。我国国家标准GB/T 12060.16-2017中明确规定在教室、报告厅等场景下，要想达到较好的语言清晰度，语言传输指数值应不小于0.62。
STI的测量通常有两种方法，一种是直接测量法，即对声传输***发出特定的测试信号，通过分析并识别接收到的信号，得到声传输***的STI，根据STI值就能够确定语言清晰度。通常，测试信号包含7个从125Hz～8kHz的倍频带噪声载波信号，这些载波信号对应于语言的频谱，每个噪声载波信号用一个或多个调制频率调制，这些调制频率对应于不同词、句子的声学特征导致的语言信号的波动起伏。为与语言的语速对应，典型的调制频率从0.5Hz～16Hz按照1/3倍频程分布，共14个。完整的STI是经过对7×14＝98个调制数据点(调制转移矩阵)的综合计算得到的。采用完整的STI直接法进行测量至少需要15分钟，因此这种方法并不实用，大多用在研究方面。
另一种是间接测量法，因为调制传递函数MTF是STI计算的核心，所以MTF可使用Schroeder提出的方法从传输通路的脉冲响应中导出。因此，MTF的计算公式为：
式中，m(fm)是调制转移函数，h(t)是房间脉冲响应，fm是调制频率，SNR是信噪比。间接法STI只适用于线性时不变***。使用这种方法需要丰富的经验，因为测量***允许对一些参数进行调整，这会影响最终的结果。
STIPA(speech transmission index for public address systems)是从STI衍生出来的简化形式，STIPA是对每个载波用两个调制频率调制，一共14个调制数据点。由于该方法有效缩减了测量STI所需要的时间，所以得到了较为广泛的应用。不过该方法使用的测试信号是人工合成的模拟人声的音频信号，且模拟人声的音频信号是以英语语言为基准。众所周知，汉语和英语两种语言在发音等方面具有很大的不同。如果直接采用原始的STIPA测试信号来测量汉语的语言清晰度，难免会带来一些不可避免的误差，从而影响清晰度的测量结果的准确性。
传统的STI测量结果，只是反映了房间的声学特性，与发言者发音的个体差异无关。但实际上课时，听课者实际听到的声音的清晰度不仅与房间的声学特性有关，还跟讲课者本身的发音清晰度有关，另外教室内安装的扩声***也会对声音的清晰度产生影响。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，包括扩声音箱、麦克风、音频主机；所述音频主机采用改进的STI间接法测量语言传输指数，并根据语言传输指数STI值获得在各个测量点听课的语言清晰度；
所述扩声音箱用于老师讲课声音的扩音和测试激励信号的播放；所述麦克风用于测试信号的接收，将接收到的音频信号传输到音频主机；
所述音频主机包括模数转换模块(A/D)、数字处理单元(DSP)和数模转换模块(D/A)；所述模数转换模块(A/D)将麦克风接收到音频信号转换为数字处理单元(DSP)可直接处理的数字信号；所述数字处理单元(DSP)对传入的数字信号进行处理，所述数模转换模块(D/A)将处理后的数字信号转换为模拟信号，具体处理步骤如下：
(1)使用所述扩声***同时测量不同位置的混响时间，每一位置均包含多个不同频率下的混响时间。
(2)使用不同位置处的麦克风实时采集老师讲课的语音信号，并传入音频主机的数字处理单元中；
(3)对采集到的语音信号进行语音活动检测(VAD)，用于区分出采集信号样本中的有话段和无话段；
(4)分别将有话段和无话段信号通过不同中心频率的倍频程滤波器；
(5)分别计算滤波后有话段和无话段信号在每一个中心频率下的有效值(RMS)，计算公式为：
其中，xi是信号样值点，N是信号样值点的长度，k表示不同中心频率。
(6)在不同中心频率k下，将有效值转化为dB，则频率k下dB计算公式为：
其中，p0＝2*10-5是一个固定的参考值。
(7)在不同中心频率k下，老师讲课语音信号的信噪比(SNR)计算公式为：
SNRk＝dBk,1-dBk,2
其中，dBk,1为有话段的声压级，dBk,2为无话段的声压级。
(8)在不同中心频率k下，计算调制传递函数(MTF)，计算公式为：
其中，Tk和SNRk分别为频率k下的混响时间和信噪比。fk,m是频率k下的第m个调制频率。
(9)计算每一个中心频率k和调制频率fk,m下的等效信噪比，计算公式为：
(10)对等效信噪比进行限值，即
(11)计算等效信噪比的平均值，计算公式为：
(12)计算语言传输指数STI，计算公式为：
STI＝(SNR_eq+15)/30
(13)根据STI与汉语清晰度关系曲线，获得语言清晰度值。
进一步地，所述扩声***同时测量的每一位置均包含7个不同频率下的混响时间。7个频率分别为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz。
进一步地，所述滤波器的中心频率为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz。
进一步地，所述fk,m在每一频率k下有14个固定频率值，其中m＝1,2,3,…,14。fk,m的具体取值为：0.63Hz、0.8Hz、1Hz、1.25Hz、1.6Hz、2Hz、2.5Hz、3.15Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.5Hz。
进一步地，所述STI测试信号为教室内老师讲话声，得到的语言传输指数STI与发言者本身的发音清晰度以及扩声***相关。
进一步地，扩声***还包括电脑，用于测试指令的下发，并显示语言清晰度的测量结果。
进一步地，所述音频主机还包括功率放大器，有效保证良好音质的输出。
本发明的有益效果：本发明针对教室场景下，将语言传输指数测量功能移植到扩声***中，使得扩声***可以实时测量教室内语言传输指数，且可同时测量8个不同位置处的语言传输指数。本发明采用老师讲话声信号作为语言传输指数的测量信号，结合提前测得的混响时间来计算语言传输指数。本发明中语言传输指数的测量结果更符合真实值，具有精度高、误差小等优点，本发明的测量方法不同于传统测量方法使用调制的粉红噪声作为测量声源，而是对实际课堂上老师讲课的声音进行分析，消除了由于个体声音差异引起的测量误差以及扩声***对语言清晰度的影响，能更加准确地反映真实上课的语音清晰度。
附图说明
图1为汉语清晰度与STI的关系；
图2为本发明的硬件结构图；
图3为本发明的语言传输指数计算过程；
图4为本发明测量时设备的摆放图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图2所示，本发明提供的一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***主要由五部分组成，分别是麦克风、音箱、音频主机、交换机和电脑等。其中音频主机分为模数转换(A/D)、数字信号处理单元(DSP)、数模转换(D/A)、功率放大器等模块。
本发明的具体实施步骤如下：
步骤1：使用所述扩声***同时测量8个不同位置的混响时间，每一位置均包含7个不同频率下的的混响时间。7个频率分别为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz；
步骤2：使用8个位置处的麦克风实时采集老师讲课的语音信号，传入A/D模块，将模拟信号转换为数字信号，并将生成的数字信号传入音频主机的数字处理单元中；
步骤3：对采集到的语音信号进行语音活动检测(VAD)，用于区分出采集信号样本中的有话段和无话段；
步骤4：分别将有话段和无话段信号通过7个不同中心频率的倍频程滤波器，滤波器的中心频率为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz；
步骤5：分别计算滤波后有话段和无话段信号在每一个中心频率下的有效值(RMS)，计算公式为：
其中，xi是信号样值点，N是信号样值点的长度，k表示不同中心频率。
步骤6：在不同中心频率k下，将有效值转化为dB，则频率k下dB计算公式为：
其中，p0＝2*10-5是一个固定的参考值。
步骤7：在不同中心频率k下，老师讲课语音信号的信噪比(SNR)计算公式为：
SNRk＝dBk,1-dBk,2
其中，dBk,1为有话段的声压级，dBk,2为无话段的声压级。
步骤8：在不同中心频率k下，计算调制传递函数(MTF)，计算公式为：
其中，Tk和SNRk分别为中心频率k下的混响时间和信噪比。fk,m是调制频率。每一中心频率k下fk,m取14个固定频率值，其中m＝1,2,3,…,14。fk,m的具体取值为：0.63Hz、0.8Hz、1Hz、1.25Hz、1.6Hz、2Hz、2.5Hz、3.15Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.5Hz。
步骤9：计算每一个中心频率k和调制频率fk,m下的等效信噪比，计算公式为：
步骤10：对等效信噪比进行限值，即
步骤11：计算等效信噪比的平均值，计算公式为：
步骤12：计算语言传输指数STI，计算公式为：
STI＝(SNR_eq+15)/30
步骤13：通过以上步骤计算得到的STI值并根据STI值与汉语清晰度关系曲线获得语言清晰度，并将结果实时显示在电脑的测试界面。
测量实例：测量某教室内的语言清晰度。
将本发明中所包含的音箱和8支麦克风放置在待测房间内，摆放位置如图4所示。首先测出8个测点位置处的混响时间。当老师讲课时，老师的声音会通过音箱播放出来，此时8支麦克风会实时采集语音信号。音频主机对8支麦克风采集到的语音信号分别进行VAD、倍频程滤波、SNR、MTF、等效信噪比等操作后得到出8个STI值。然后根据STI与汉语清晰度的关系曲线，获得语言清晰度。测量结果如表1所示。
表1本发明测得的语言清晰度
| 位置 | 测点1 | 测点2 | 测点3 | 测点4 | 测点5 | 测点6 | 测点7 | 测点8 |
| 清晰度 | 56％ | 52％ | 49％ | 55％ | 51％ | 57％ | 52％ | 50％ |
本发明的测量方法不同于传统测量方法使用调制的粉红噪声作为测量声源，而是将实际课堂上老师讲课的声音信号作为激励信号，测得的结果更加接近于真实情况。同时，考虑到不同老师发音具有不同的语音特征，所以本发明的激励信号并不是不变的，而是实时采集老师讲课的声音信号，并进行分析，从而消除了由于个体声音差异引起的测量误差以及扩声***对语言清晰度的影响。语言清晰度只是针对老师有效声音信号而言的，如果当老师讲课的过程中发生停顿，此时的语言清晰度是没有意义的，所以本发明引入的语音活动检测模块可对采集到的声音信号进行判断，只分析老师正在说话时的清晰度。另外，本发明在测量时每一次都能得到8个语言清晰度的值，均匀地分布在教室中的8个不同位置，有效节约了测量时间。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，其特征在于，包括扩声音箱、麦克风、音频主机；所述音频主机采用改进的STI间接法测量语言传输指数，并根据语言传输指数STI值获得在各个测量点听课的语言清晰度；
所述扩声音箱用于老师讲课声音的扩音和测试激励信号的播放；所述麦克风用于测试信号的接收，将接收到的音频信号传输到音频主机；
所述音频主机包括模数转换模块(A/D)、数字处理单元(DSP)和数模转换模块(D/A)；所述模数转换模块(A/D)将麦克风接收到音频信号转换为数字处理单元(DSP)可直接处理的数字信号；所述数字处理单元(DSP)对传入的数字信号进行处理，所述数模转换模块(D/A)将处理后的数字信号转换为模拟信号，具体处理步骤如下：
(1)使用所述扩声***同时测量不同位置的混响时间，每一位置均包含多个不同频率下的混响时间。
(2)使用不同位置处的麦克风实时采集老师讲课的语音信号，并传入音频主机的数字处理单元中；
(3)对采集到的语音信号进行语音活动检测(VAD)，用于区分出采集信号样本中的有话段和无话段；
(4)分别将有话段和无话段信号通过不同中心频率的倍频程滤波器；
(5)分别计算滤波后有话段和无话段信号在每一个中心频率下的有效值(RMS)，计算公式为：
其中，xi是信号样值点，N是信号样值点的长度，k表示不同中心频率。
(6)在不同中心频率k下，将有效值转化为dB，则频率k下dB计算公式为：
其中，p0＝2*10-5是一个固定的参考值。
(7)在不同中心频率k下，老师讲课语音信号的信噪比(SNR)计算公式为：
SNRk＝dBk,1-dBk,2
其中，dBk,1为有话段的声压级，dBk,2为无话段的声压级。
(8)在不同中心频率k下，计算调制传递函数(MTF)，计算公式为：
其中，Tk和SNRk分别为频率k下的混响时间和信噪比。fk,m是频率k下的第m个调制频率。
(9)计算每一个中心频率k和调制频率fk,m下的等效信噪比，计算公式为：
(10)对等效信噪比进行限值，即
(11)计算等效信噪比的平均值，计算公式为：
(12)计算语言传输指数STI，计算公式为：
STI＝(SNR_eq+15)/30
(13)根据STI与汉语清晰度关系曲线，获得语言清晰度值。
2.根据权利要求1所述的一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，其特征在于，所述扩声***同时测量的每一位置均包含7个不同频率下的混响时间。7个频率分别为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz。
3.根据权利要求1所述的一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，其特征在于，所述滤波器的中心频率为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz。
4.根据权利要求1所述的一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，其特征在于，所述fk,m在每一频率k下有14个固定频率值，其中m＝1,2,3,…,14。fk,m的具体取值为：0.63Hz、0.8Hz、1Hz、1.25Hz、1.6Hz、2Hz、2.5Hz、3.15Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.5Hz。
5.根据权利要求1所述的一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，其特征在于，所述STI测试信号为教室内老师讲话声，得到的语言传输指数STI与发言者本身的发音清晰度以及扩声***相关。
6.根据权利要求1所述的一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，其特征在于，扩声***还包括电脑，用于测试指令的下发，并显示语言清晰度的测量结果。
7.根据权利要求1所述的一种具有教室语言清晰度测量功能的扩声***，其特征在于，所述音频主机还包括功率放大器，有效保证良好音质的输出。
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