摘 要：语音传输指数（Speech Transmission Index，STI）是一个用于评估语音信号传输质量的指标，测量方法有完整STI法与公共广播系统语音传输指数(Speech Transmission Index for Public Address Systems，STIPA)法，使用AWA6292型多功能声级计与AWA5512型智能声源，介绍采用STIPA法所进行的无扩声时的测量、有扩声系统且含有传声器输入时的测量、有扩声系统且通过线路输入的测量，并详细介绍仪器的操作，可将其应用于会议室、教室、礼堂、体育馆、广播站，以及听力辅助系统的测试中，为相关领域的从业者提供有价值的参考。语言是人与人之间沟通交流的主要手段。很多情况下，语言信号会受说话人与听者之间信号路径或传输通路的影响而减弱，导致在听者位置处的语言可懂度降低。
语言清晰度（又称语言可懂度）描述的是语音信息经通信系统或公共广播系统传播后的清晰程度和完整性。很早的时候，人们通过人工测试的方式评估语言清晰度：一位朗读者在读一些没有意义的字词和音节，而听者要尽可能正确记录听到的信息。结果以百分比形式给出，100%是满分。GB/T 15508－1995就规定了这种“采用一个或几个听音人正确记录一个或几个发音人所发意义不连贯的音节比率，以定量地度量语言传递系统质量的一种方法”。这种主观方法既费时费力，试验结果受各种因素影响较大。
为确定经过传输通路后语言可懂度的降低程度，一个快速客观的测量方法被开发出来，即语音传输指数（STI）。它是预测说话人发出的语音经过传输通路到达听者后的可懂度的客观度量。通过对传输通路发出特定的测试信号，然后分析接收到的信号，导出传输通路的传输品质并使用0～1之间的值表达，这就是STI。根据STI值，就可确定传输通路可能的语言可懂度。虽然STI方法仍有一定的局限性，但也被证明在很多条件下是非常有效的。GB/T 12060.16－2017《声系统设备第16部分：通过语音传输指数客观评价语言可懂度》规定了有关要求，同时指出：虽然汉语语言体系与西方语言体系有较大区别，但有研究表明，使用现有的STI方法客观评价汉语的语言可懂度也具有适用性。GB/T 12060.16－2017修改采用的IEC标准有最新版本IEC 60268－16:2020。
简单来说，语音传输指数是衡量语音传输质量的一个指标，该参数可以较为全面反映混响时间、信噪比和回声等对语言清晰度的影响，并且考虑了系统失真、心理声学效果（掩蔽效应）等因素。它的值范围为0～1，值越大说明清晰度越好。好的扩声系统即使用在声学条件较差的环境也能达到0.45到0.65的结果，而在声学环境较好的场所，能达到0.70至0.90。更直观的例子是，一间优秀的录音棚内，从麦克风到监听音箱之间典型的STI值能达到0.90至0.97。图1所示为评定等级，图中字母为等级名称，上面数字代表该等级的STI中心值，下面数字代表该等级的STI边界值。A+是极高的语言可懂度，A、B和C是高的语言可懂度，D是较好的语言可懂度，E是高品质的扩声系统，F是较好品质的扩声系统，G是语音报警系统的目标值，H是语音报警系统的正常下限，I是有限的语言可懂度，J和U是STI值太低，不宜用于扩声系统。
图1 STI 的评定等级
1、STI测量方法
1.1 STI 测量方法
STI有两种测量方法：使用调制信号的直接法和基于系统脉冲响应的间接法。
每个方法都有它的优点和缺点，两者也不一定能给出相同的结果。本文主要介绍直接法。
测量中应尽量避免其他声源干扰，测试信号的响应时间应足够短，测试时间应够长以消除测量误差。
1.2 完整 STI 法
最初，完整STI 测量包括98个独立的测试信号，包含7个倍频带粉红噪声载波，其中心频率为125、250、500、1000、2000、4000、8000Hz；每一个载波分别用14个极低频的简谐信号调制。调制信号的频率为：0.63、0.80、1.0、1.25、1.6、2.0、2.5、3.15、4.0、5.0、6.3、8.0、10、12.5 Hz（相隔1/3倍频程），98个测试信号按序依次生成。测量时每个调制信号平均10s，一个完整STI测量需要大约15min，因此，现在很少使用。而间接法被广泛应用于完整的STI。
1.3 STI 法原理
在语音信号中，信号的强度随时间而变化，产生了语音强度包络的变化。强度包络的缓慢波动与词和句子的边缘对应，而强度包络的快速波动则与词所包含的音位吻合。STI 测量可以确定语音信号经过传输通路后强度包络受影响的程度，得到的调制递函数能够量化通路对语音信号强度包络的影响。
STI 法通过计算一系列语音包含频带的计权贡献，得到一个0～1之间的值，该值即为语音传输指数。
1.4 STIPA 法
STIPA是完整STI的一种简化形式，称之为公共广播系统语音传输指数。它是基于使用较少数量的调制指数进行的测量。STIPA测试信号仅由1个测试信号组成，在7个倍频带中的每一个波段都预设两个调制如表1所示。这14个调制指数是同时产生的。一次测量时间仅需15～25s，比完整STI要短得多，是直接方法的主要应用途径。调制指数也可以使用间接法得出，称为STIPA（IR）。
STIPA是世界上测量语言清晰度应用最广泛的方法，本文所用的测量仪器就是使用STIPA法进行测量的。
1.5 STIPA 测试信号的生成
（1）使用一个每倍频程降低3dB的低通滤波器，从63Hz开始对白噪声进行滤波，生成粉红噪声。
（2）使用表1中的7个125～8000 Hz 的倍频程带通滤波器对粉红噪声进行滤波。
（3）对每个倍频带载波信号按如式（1）所示的调制函数进行调制。
mfm(t)=0.5{1+0.55[sin(2πf1mt)-sin(2πf2mt)]}(1)
式中：mfm(t)为振幅调制函数，f1m、f2m为表1中的第一个调制频率和第二个调制频率，t为时间秒。
（4）由于STIPA只使用男声频谱的测试信号，使用如表2所示男声的修正值对各倍频带进行修正。
（5）将所有调制过的载波信号进行叠加，构成STIPA的测试信号。
2、STIPA测量仪器
STIPA测量需要一个测试声源和一台STIPA分析仪。测试声源可以是预先录制有STIPA信号的音频文件，再将这个文件输入公共广播系统发声，也可以使用语音音箱或校准过的测试扬声器作为测试声源，它应尽可能与说话者具有相似的方向性。STIPA分析仪主要由传声器、前置放大器、模数转换器以及硬件和软件组成，以提供计算STI所需的处理工具。所有这些都可以集成到单个设备中，或者是分开的硬件和软件的组合。现在，一台安装有STIPA测试软件的声级计就是一台STIPA分析仪。
AWA6292型多功能声级计如图2（a）所示，是采用数字信号处理和物联网技术的新一代手持式声学测量仪器，性能符合GB/T 3785.1/IEC 61672－1对1级声级计和GB/T 3241.1/IEC 61260－1对1级滤波器的要求，可以选择工业噪声测量、环境噪声测量、职业卫生噪声测量和建筑声学测量等模块。当选用建筑声学测量模块时，配置总值积分测量、倍频程和1/3倍频程滤波器、混响时间测量和STIPA测量等软件模块，可以完成大多数建筑声学测量项目，尤其适用于厅堂和室内场所的声学和扩声特性测量。
AWA5512型智能声源如图2（B）所示，是一种由电动式扬声器发声的声源，其性能指标符合GB/T 12060.16－2017《声系统设备第16部分：通过语音传输指数客观评价语言可懂度》中对STIPA信号的要求。可以由内置扬声器发出1kHz正弦波、白噪声、粉红噪声、STIPA测试信号、参考语音信号（中文、英文）、延迟信号等声信号，在距离声源1m处产生60dB(A)±1dB（A）或70dB(A)±1dB（A）声压级；也可以由线路输出这些信号的电信号，还可以由线路输入外加各种测试信号，并在100～10000Hz频率范围内保持±1dB的频响不均匀度，可以用作多种用途测试声源。
图 2 STIPA 测量仪器
3、测量场景
需要STI测试的可能场景有4种，如表3所示，其中确定了传输通道、说话者和收听者。场景1与场景4基本相同，都是测量时说话者通过传声器到扩声系统，再由扬声器系统发声，只是场景1中说话者与听者不在一个房间（场所），而场景4中说话者与听者同在一个房间（场所），所以下面分3种场景进行介绍。在STIPA测试期间，所有的说话者都被STIPA测试信号源所取代，所有的听者（和听者的位置）都是所用STIPA分析仪的测试位置。
表 3 STIPA 测量场景
根据以上场景，可以使用仪器进行如下测量：
对于场景1和4，具有播音员（或演讲者）的扩声系统如图3所示。
图 3 有扩声时STI 法测量原理框图（传声器输入）
使用扩声传声器讲话或播音，再在扩声系统播放的场所，使用智能声源对着扩声传声器发出STI-PA信号，模拟人类讲话者发出测试信号。测试时，智能声源应置于正常说话距离处，传声器的轴线指向正常发话方向；测试信号级与正常说话声压级相当，即距离扬声器0.5m处的A计权声压级为66dB。在传声器输入处检查测试信号频谱，在125～8000Hz之间所对应的各倍频带范围内频率响应不大于±1dB，调节智能声源或测试扬声器的均衡来满足要求。
对场景2，预先录制公告的扩声系统如图4所示。如果扩声系统不含系统传声器而是直接通过播放器播放音频，则需要通过外部信号发生器（智能声源线路输出）将STIPA信号输入至系统中，通过调节扩音系统持续播放大小可调的STIPA测试信号。测量时，扩声系统处于最高可用增益工作状态，测试信号通过扩声调音台线路输入扩声系统，扩声系统处于稳定工作状态。
图 4 有扩声时STI 法测量原理框图（线路输入）
对场景3，没有扩声系统的房间如图5所示。STIPA测试信号应通过合适的扬声器（智能声源如图5（a）所示）在说话人位置处播放，声级计如图5（b）所示的传声器的轴线指向正常发话方向，扬声器应能模拟人类讲话者的声音大小，即在距离1米处声压级达到60dB（A），在IEC 60268－16标准中明确定义对它的要求。
图 5 无扩声时STI 法测量原理框图
4、测量步骤
4.1 整个过程中的步骤
通常，大多数STI测量的总体程序包括以下步骤：
（1）规划：研究技术文件、蓝图及与项目和传输通道相关的所有其他文件。
（2）测量计划：起草一份详细的测量计划，其中包括使用的设备、校准程序、测量的数量和位置等。
（3）校准：确保所有设备在使用前经过正确校准和测试。
（4）设置信号源：根据所涉及的场景类型，选择合适的信号源（例如文件、音频播放器、对讲机）。为声压级正确配置信号源（在1m距离处标称为60dB(A)）。在测量开始前至少2秒启动测试信号，并保持其播放。
（5）收集测量数据：按照规划的测量位置和网格，进行所有测量并记录所有数据。通常会在每个位置进行多次测量。
（6）后处理：使用软件工具（如测量设备制造商提供的工作表）对 STI数据进行必要的后处理。例如，在无噪声条件下进行测量，再通过计算将操作状态下的环境噪声频谱添加到MTF矩阵中。
（7）报告：描述设置、测量结果和结论。
4.2 声源的设定
一般将声源置于三脚架上，对准系统传声器如图3所示，或将声源置于桌面并将其输出电信号加入扩声系统的线路输入如图4所示，或将声源置于三脚架并对准声级计，并保持讲话者与收听者之间的距离如图5所示。声源输出STIPA测试信号，声压级通常置于60dB(A）±1dB(A)@1m档，在嘈杂的场所背景噪声较大，需要考虑伦巴效应时将其置于70dB(A)±1dB（A）@1m档。
4.3 声级计的操作
点击“STI”进入STI界面，界面显示如图6所示。步骤区显示：一个完整的STI测量需进行6次测量，根据6次测量的STI计算出平均STI。
图 6 STI 测试准备界面
测量区表中纵向是：125、250、500、1000、2000、4000、8000 Hz7个倍频带中心频率。横向是测量指标：Leq(dB)、mi1、mi2、TI1、TI2、MTI，根据测量时长计算。
进入需要测量的“STI”界面后，初始状态为“准备中”（图标为
，显示为蓝色），页面上显示的指标均为0或者是上一次测量值，触摸点击“
”开始测量，仪器状态变为“测量中”（图标为
，显示为蓝色），测量15s后本次测量结束并自动跳转至下一测量界面，状态为“准备中”。6次测量结束后不再跳转，如图7所示。手动点击步骤区的“平均”可查看6次的STI、Rank和平均值，如图8所示。可通过点击步骤区的编号查看对应界面。
图7测量结束界面 图8平均界面
6 次测量结束后点击“保存”保存该组STI，保存的数据可以通过点击“历史记录”进行调阅。
测量过程中不能暂停测量，若想停止当前测量，可以通过“
”结束本次测量，也可通过页面左上角的返回“<”按钮或仪器下方的强制返回按钮（按关机键）停止测量。
掩蔽：指两个声音同时呈现时，一个声音因受到另一个声音影响而减弱的现象。开启掩蔽，当人耳听到一个较响的低频声时，它会掩蔽更高的频率，如果它们之间的声级差超过一个给定的阈值，更高频率的声音就可能听不到。
可以调阅保存的测量结果数据，查看历史详情，允许打印、删除。
4.4 其他操作
在测量开始前和/或开始后，需要测量说话者位置的声压级，以及声系统频率响应、失真和测量收听者位置的声压级、环境噪声和混响时间，这些都可以使用AWA6292型多功能声级计来完成。
5、应用
可用STI测量各种不同电子系统和声学环境下的语言可懂度，典型的应用包括：
（1）测量公共广播系统和扩声系统；
（2）测量房间、教室和厅堂的语言可懂度（自然声或使用扩声系统）；
（3）评价直接的言语交流（不使用扩声系统），包括房间和各种声学环境（例如在交通工具内）；
（4）测量和鉴定通信电路（系统），例如内部通信和无线通信系统；
（5）测量和鉴定语音报警系统和紧急通知系统；
（6）听力辅助系统的语言可懂度评价。
STI的用户涉及各行各业，例如扩声系统和声频系统的鉴定者、声频和无线通信设备的制造商、声频系统的安装者、声学和电声工程师、语音报警系统和其他类型紧急通知系统的鉴定者、STI方法的研究者和STI测量仪器的开发者，ISO 3382－3和国家标准GB/T 36075.3－2018已将STI作为评价开放性办公室声环境的重要控制性参量。
6、结语
使用AWA5512型智能声源和AWA6292型多功能声级计可以在各种场合很方便测量语音传输指数，根据测得的STI指数评定并采取措施提高声学场所和扩声系统的语言可懂度，在会议室、教室、礼堂、体育馆、广播站，以及听力辅助系统等场合都有广泛用途。该组合还可以在厅堂、体育馆等公共场所按GB/T 28049－2011和GB/T 4950－2011测量其扩声特性，如传输幅频特性、传声增益、声场不均匀度、最大声压级、总噪声级、系统总噪声级等，是建筑声学最常用的测量仪器。
该文章已收录于《噪声与振动控制》第44卷 第5期
