5. Содержание отчёта

В отчёт необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) частотные характеристики звукоизоляции ЗИ_пом.2 для заданных ИЗК; 5) значения общего уровня шума в КНУ для двух контрастных ИЗК в трех частотных полосах.

5. Контрольные вопросы

1. Чем отличаются понятия “звукоизоляция помещения” и “звукоизоляция преграды”?

2. От каких особенностей преграды (перегородки) зависит её звукоизолирующее действие?

3. Равна ли звукоизоляция КНУ от КВУ звукоизоляции КВУ от КНУ?

4. Уровень шума, проникающего в помещение через одну преграду, равен 20 дБ, а через другую, в одной и той же частотной полосе, - 40 дБ. Чему равна величина общего уровня шума?

5. Как и почему влияет на различных частотах на величину собственной звукоизоляции перегородки наличие в ней щелей и отверстий?

Литература

1. Акустика: Учебник для вузов. / Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. Ю.А.Ковалгина.- М.: Горячая линия – Телеком, 2009.

2. ГОСТ 27296-87 (ИУС №8, 1999). Защита от шума в строительстве. Звукоизоляция ограждающих конструкций. Методы измерений. – М.: Госком по делам строительства, 1999.

3. СНИП 23-03-2003. Защита от шума. – М.: Госстрой России, 2004.

4. Пособие к МГСН 2.04-97. Проектирование защиты от транспортного шума и вибраций жилых и общественных зданий. – М.: Москомархитектуры, 1998.

Работа № 8 Исследование тонального метода определения разборчивости речи.

1. Цель работы: ознакомление с методикой определения разборчивости речи по тональному сигналу с шумовой маскировкой.

2. Общие сведения

Телефонная (и радио) связь между говорящим и слушающим абонентами существенно отличается от прямой (акустической) звукопередачи, в первую очередь, из-за наличия вторичного электроакустического тракта, который существенно нарушает условия как передачи (через микрофон), так и приема (через телефон). Последнее приводит к тому, что вместо пространственного «полевого» звука его прием ограничивается давлением ближнего поля (при непосредственном контакте телефона с ухом слушателя) и, что особенно важно, исключением всех дифракционных и бинауральных эффектов, свойственных естественному слуховому восприятию. Здесь звуковое давление p_c , действующее на ухо слушателя, определяется относительной деформацией ΔV/V замкнутого (в норме) объема V воздуха между диафрагмой (мембраной) телефона и барабанной перепонкой при возбуждении используемого электроакустического преобразователя телефона подводимым напряжением.

Такие условия прослушивания, уже по давлению («закороченная» звукопередача) существенно изменяют область слухового восприятия человека (рис 8.1, б) как по частотному, так и по динамическому диапазону, особенно при монауральном прослушивании через микротелефонную трубку.

а) б)

Рис. 8.1 Область кривых равной громкости при прослушивании в свободном поле (а) и по давлению, через головные телефоны (б)

Как видно, на рис. 8.1, а[1], где кривые равной громкости были построены по уровню звукового давления (УЗД) тональных сигналов в той точке, в которой до момента измерения находилась голова слушателя, область порога восприятия достигает 0 дБ (фон) на частотах 1000…2000 Гц и даже ниже на частотах 3…4 кГц. При наличии телефона УЗД (рис. 8.1, б), также тональных сигналов, измерялся микрофоном давления у барабанной перепонки слушателя, и область восприятия существенно изменялась («смещение» уровней с понижением чувствительности слуха примерно на 8…10 фон) за счет упругой реакции воздуха в замкнутом объеме (полости). Естественно в этом режиме исключаются волновая зона воздушного пространства вокруг головы и временные, фазовые и интенсивные разницы между ушами (при двух телефонах) для полезного сигнала. А при отсутствии возможности восприятия колебательной скорости пространственная локализация заменяется ограниченной (в голове) интенсивной латерализацией.

Комплексная оценка качества звуковых (речевых) трактов и систем осуществляется посредством универсального субъективного критерия – разборчивости речи, учитывающего не только свойства слуха, но и свойства голосового аппарата человека. Впервые этот критерий был использован в 1910 году Кемпбеллом для оценки результатов артикуляционных измерений качества именно телефонных линий связи [2]. Предложенный артикуляционный метод не претерпел принципиальных изменений и до настоящего времени с применением лишь более совершенной контрольно-измерительной аппаратуры и компьютерных технологий служит определенным эталоном (нормой стандартизации) всех звуковых средств информации и коммуникации.

Суть артикуляционного метода достаточно известна и применительно к оценке разборчивости речи в каналах проводной- и радиосвязи заключается в передачи специальных таблиц слогов, звукосочетаний и слов, определяемых ГОСТами [3,4] с учетом их встречаемости в русской речи. Измерение разборчивости производится с помощью квалифицированных дикторов (не менее 4) и тренированных слушателей (более 3) в условиях работы линий связи или в условиях, имитирующих виды и уровни помех, акустических шумов и т.д. в соответствии с требованиями, заданными технической документацией (ТД) конкретной аппаратуры.

Таким образом, при основных достоинствах как наиболее достоверного субъективного (при передаче и приеме) и естественного воспроизведения реального речевого сигнала (в заданных звуковых полях) артикуляционный метод в «чистом» виде отличается значительными экономическими и временными затратами. По нашему мнению, к принципиальным его недостаткам можно отнести отсутствие абсолютного (физического) контроля (в примерно заданных временных интервалах) громкости и тембра речи дикторов (даже в сравнительно ограниченных динамическом и частотном диапазонах) при передаче и несоответствие естественному (бинауральному) восприятию при приеме (по давлению) с помощью головных телефонов.

Более высокая точность измерений и стабильность громкости и «тембра» в передающей части трактов достигается в так называемых (по определению Л. Беранека) полусубъективных методах, основанных на свойствах восприятия слушателями речи по спектральной аддитивности формант. Формантная теория разборчивости речи впервые была предложена И. Коллардом и затем развита в работах отечественных и зарубежных ученых. Форманты звуков речи заполняют весь частотный диапазон от 150 до 7000 Гц. Средняя вероятность появления формант в том или ином участке диапазона для каждого языка вполне определённа. Условились делить весь частотный диапазон на 20 таких полос, так, чтобы в каждой из них вероятность появления формант была одинаковой. Соответствующие полосы назвали полосами равной разборчивости. Они определены для ряда языков, в том числе и для русского. Для последнего границы таких полос со средними частотами (в скобках) показаны в табл. 8.1.

Таблица8.1.

Границы полос равной разборчивости для русской речи

Номер полосы	Диапазон,Гц	Номер полосы	Диапазон,Гц
1	200-330 (265)	11	1800-2020 (1940)
2	330-465 (400)	12	2020-2260 (2140)
3	465-605 (535)	13	2260-2530 (2395)
4	605-750 (680)	14	2530-2840 (2865)
5	750-900 (825)	15	2840-3200 (3020)
6	900-1060 (980)	16	3200-3630 (3415)
7	1060-1230 (1145)	17	3630-4150 (3890)
8	1230-1410 (1320)	18	4150-4790 (4370)
9	1410-1600 (1505)	19	4790-5640 (5215)
10	1600-1800 (1700)	20	5640-7000 (6320)

Как выяснилось, в таких полосах при достаточно большом количестве передаваемого материала вероятности появления формант подчиняются правилу аддитивности. Вследствие этого вероятность появления формант в каждой полосе равной разборчивости равна 0,05. Эта вероятность называется коэффициентом разборчивости W, при этом в каждой полосе равной разборчивости вероятность приема формант (разборчивость формант – А_ф) будет равна ΔA_ф=0,05W . Вся энергия звуков речи сосредоточена в формантах, поэтому их уровни практически совпадают с уровнями звуков речи. При этом интегральная вероятность появления уровней речи больше или меньше среднего уровня речи за длительный интервал времени (порядка 30 с) сравнительно мала и совпадает с вероятностью распределения формант, которая практически не зависит от частоты.

В целом, при определенных ограничениях формантный является единственным методом, посредством которого рассчитывается субъективный параметр звукопередачи – разборчивость речи. Именно, аддитивность спектральных уровней формант, правда, в ограниченном частотном диапазоне, послужила основой для разработки ряда мировых стандартов по оценке качества трактов звукопередачи, включая каналы связи.

Порог слышимости (точнее – порог прослушивания) формант в шумах определяется спектральными уровнями шумов. Для флуктуационных шумов величина порога слышимости почти не зависит от времени. Вследствие этого разность между средним спектральным уровнем речи и спектральным уровнем шумов будет определять вероятность появления формант выше уровня шумов. Но разность между уровнем сигнала и уровнем порога слышимости называют уровнем ощущения. Следовательно, коэффициент разборчивости W определяется уровнем ощущения формант в каждой полосе равной разборчивости Δf_р.р .

, (8.1)

где N_p - средний спектральный уровень речи; N_ш - спектральный уровень шумов.

Для уровней E(f) в пределах 0…18 дБ коэффициент W(f) может быть определен по приближенной формуле W(f)=[E(f)+6]/30 или по табл. 8.2, а более точно по графику на рис. 8.2.

Таблица 8.2.

Зависимость коэффициента разборчивости W от уровня ощущения формант E

Е,Дб	W, отн. ед	Е,Дб	W, отн. ед	Е,Дб	W, отн. ед
-12	0,01	-4	0,095	12	0,60
-11	0,015	-3	0,11	15	0,70
-10	0,02	-2	0,14	18	0,80
19	0,03	-1	0,17	19	0,83
-8	0,04	0	0,20	20	0,85
-7	0,05	3	0,30	21	0,88
-6	0,06	6	0,40	22	0,90
-5	0,075	9	0,50	24	0,93

Рис.8.2.Зависимость коэффициента разборчивости W от уровня ощущения

(восприятия) формант E

Таким образом, определив для каждой из i полос Δf_р.р=Δf_i (табл. 8.1) уровень _Ei(Δ_fi), W_i(Δf_i) можно найти по рис. 8.1, который, соответственно, в общем случае будет разным. Поэтому суммарная вероятность приема формант, называемая формантной разборчивостью, будет

. (8.2)

Между формантной и другими видами разборчивости были найдены экспериментальные зависимости. На практике наибольшее распространение получила слоговая разборчивость S, обладающая заметной чувствительностью к различного рода шумам и помехам. Известная зависимость S(A_ф) представлена в табл. 8.3. и на рис. 8.3.

Таблица 8.3.

Зависимость между слоговой и формантной разборчивостью

A,%	S,%	A,%	S,%
5	5	55	81
10	15	60	87,2
15	26	65	90
20	36	70	92,5
25	46,2	75	95,2
30	55	80	96,2
35	62,5	85	98
40	69	90	99
45	75	95	99,5
50	80	100	100

Рис. 8.3. Зависимость слоговой разборчивости от формантной

Оценка качества передачи речи в электроакустических трактах и каналах связи на основе формантной теории дала возможность разработать простой, но вместе с тем более точный метод измерения разборчивости речи для всех языков, названный тональным. Здесь вместо модели речевого сигнала в передающем тракте используются гармонические сигналы с частотами, равными средней каждой полосы равной разборчивости. А их амплитуды равны пиковым значениям речи в соответствующей полосе. В свою очередь, в приемном тракте такой сигнал принимается слушателем только по давлению с применением головных телефонов. При этом появляется возможность, кроме монаурального (монофонического) режима, использовать и квазибинауральный режим включения телефонов, благодаря введению электрического фазового сдвига в подводимые напряжения.

Пороги прослушивания «чистых» тонов при наличии маскировки внешним шумом оказываются более низкими из-за селекции звуков критическими полосами Δf_кр слуха. Так, тональный сигнал может быть услышан, если его уровень равен уровню шума в критической полосе. Более того, при более или менее равномерном спектре шума в диапазоне речевых частот в пределах 100…4000 Гц тональные сигналы обнаруживаются слухом даже, если их уровни на 10…15 дБ ниже уровня шума! При этом общий уровень N_c сигнала определяется уровнем N_т тона и логарифмическим «весом» 10lgΔf_кр ширины критической полосы слуха, зависящей от частоты и режима (одно или два уха) прослушивания. Таким образом, чистый тон создает такой уровень возбуждения (ощущения) Е, дБ, какой был бы создан речью в критической полосе слуха со средней частотой f_i , равной частоте тона, т.е.

. (8.3)

Далее, как и в обычном варианте определения разборчивости речи, в тональном методе находятся коэффициенты разборчивости W_i[E(f_i)] по табл. 8.2 или рис. 8.2 для каждой из 20 полос равной разборчивости, а затем – суммарная формантная и другие виды разборчивости. Однако, в случае маскировки тонов более или менее равномерным шумом с «гладкой» огибающей спектра, тональный метод позволяет упростить методику определения разборчивости речи путем прослушивания «смеси» тона и шума только в стандартных октавных полосах f_с.р. , полагая, что в их пределах коэффициенты разборчивости будут примерно одинаковыми. Так, первой октаве 175…350 Гц частотного диапазона речи из шести (табл. 8.4.) соответствует и первая полоса равной разборчивости 200…330 Гц. Следующая октава 350…700 охватывает три полосы равной разборчивости (330-465 Гц, 465-605 Гц и 605-750 Гц). Октава 700…1400 Гц включает в себя четыре полосы, четвертая – шесть, а пятая – пять полос. Последняя октава 5600…7600 Гц не вполне соответствует стандартному ряду из-за естественного спада спектра речи, но включает в себя 20-ю полосу 5600…7000 Гц равной разборчивости.

Таблица 8.4.

Частотный диапазон речи в октавных полосах

Номер октавы	Границы октавы, Гц	Ширина полосы ∆fо.р., Гц	Средняя частота fо.р., Гц
1	175…350	175	250
2	350…700	350	500
3	700…1400	700	1000
4	1400…2800	1400	2000
5	2800…5600	2800	4000
6	5600…7600	2000	6000

С учетом данного распределения формантную разборчивость речи можно найти по приближенной формуле с весовыми коэффициентами

(8.4)

где W₁…W₆ – коэффициенты разборчивости на средних частотах октавных Δf_о.р полос.

Таким образом, к основным достоинствам тонального метода по определению разборчивости речи по сравнению с артикуляционными измерениями можно отнести: исключение использования специальных таблиц слов, звукосочетаний или слогов; отсутствие зависимости от временных параметров голосов дикторов, а главное - расширение динамического диапазона измерений из-за большей чувствительности как монаурального, так и бинаурального слуха к тональным сигналам при высоких уровнях широкополосных или узкополосных шумов и помех различного временного воздействия.