РАСЧЕТ Разборчивости РЕЧИ

 

Разборчивость – характеристика устной речи, определяемая отношением числа правильно воспринятых слушателем элементов речевой передачи к числу переданных. В зависимости от вида оцениваемых элементов речи различают следующие виды разборчивости: слоговую, словесную, фразовую или смысловую, формантную.

Обеспечение высокой разборчивости речи необходимо прежде всего для залов, предназначенных для прослушивания речи, однако высокая разборчивость требуется и для музыкальных произведений.

Для хорошей разборчивости сигнала должен быть достаточно высокий уровень сигнала (не менее 50 дБА), низкий уровень фоновых помех и определенная структура звукового сигнала, определяемая геометрическими и акустическими свойствами помещения.

На величину разборчивости оказывает влияние соотношение полезной составляющей речи и помех. К полезному сигналу относят прямой звук и ранние отражения звука от ограждений, которые усиливают прямой звук и улучшают его тембр. Ранними отражениями считают отражения, приходящие в расчетную точку с запаздыванием по сравнению с прямым звуком не более t = 1/16 с. Отраженный звук, приходящий с запаздыванием более указанной величины, относится к поздним отражениям. Поздние отражения наряду с фоновым шумом снижают величину разборчивости и считаются помехами для распознавания речи.

Распределение энергии между ранними и поздними отражениями зависит от акустических характеристик помещения, времени реверберации, геометрических параметров и формы помещения.

Разборчивость речи существующих залов может определяться экспериментально на основе артикуляционных испытаний, когда группа слушателей фиксирует воспроизводимый текст из артикуляционных таблиц. Класс зала по разборчивости и условия слышимости речи определяется величиной слоговой разборчивости табл. 6 [1]. На стадии проектирования акустики залов используют различные расчетные методы оценки разборчивости речи.

Таблица 6. Критерии слышимости речи

 

Класс	Условия слышимости	Средние значения слоговой разборчивости, %
I	Отличные	Св. 90
II	Хорошие	" 80 до 90
III	Удовлетворительные	" 70 " 80
IV	Неудовлетворительные	До 70

 

 

Методика расчета разборчивости речи

Для расчета разборчивости речи в расчетно-графических работах предлагается использовать метод реверберационных помех [8], который обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами:

- учитывает увеличение полезного сигнала за счет ранних отражений;

- позволяет четко разделить все сигналы на полезные и помехи;

- в методе оценки разборчивости могут использоваться различные методы расчета звуковых помещений на основе геометрической или статистической теорий акустики, выбираемые в зависимости от пропорций помещений и других акустических характеристик.

Согласно методу реверберационных помех разборчивость сигналов определяется фактором

(17)

где T – время реверберации помещения.

Коэффициент , учитывающий влияние величины полезного сигнала на значение разборчивости, с достаточной точностью можно вычислить по выражению

(18)

где

или (19)

- уровень полезного сигнала, который состоит из плотности энергии прямого звука и отраженной энергии , которая поступает в расчетную точку в течение t = 1/16 с после прихода прямой; =0,0294*10^-12 Дж/м³ - пороговое значение плотности звуковой энергии.

Плотность энергии и уровень прямого сигнала на расстоянии r от источника звука рассчитываются по формулам

, (20)

где L_p, Р - уровень и величина акустической мощности источника звука, Ω - пространственный угол излучения оратора, Ф - фактор направленности. В расчетно-графических работах следует принять Ω = 2 π, Ф= 1.

Отношение плотности энергии полезного сигнала к величине помех определяется по выражению

или . (21)

Помехе складываются из фонового шума помещения с плотностью энергии и энергии поздних отражений звукового сигнала с запаздыванием более 1/16 с относительно прямого звука.

 

Рис. 4. Зависимость слоговой разборчивости W от фактора реверберационных помех

 

Расчет разборчивости речи в помещениях с диффузным звуковым полем

 

В большинстве залов звуковые поля можно приближенно считать диффузным с одинаковым значением отраженной энергии во всех точках помещения и с равномерным приходом звуковых лучей со всех направлений. Энергетические параметры диффузных полей рассчитывают на основе формул статистической теории:

- средняя плотность и уровень отраженной энергии

; (22)

- плотность и уровень энергии ранних отражений за время t = 1/16 с

; (23)

- плотность энергии и уровень звука поздних отражений, поступивших в расчетную точку за время более t после прихода прямого сигнала

; (24)

- общий уровень прямого и отраженного звука

(25)

При разработке реальных проектов акустики залов необходим расчет по шести октавным полосам частот, основным с точки зрения разборчивости сигнала. В расчетно-графической работе достаточно выполнить расчет для одной частоты 500 Гц, вносящей основной вклад в разборчивость сигнала. При этом следует использовать интегральный уровень акустической мощности 78 дБА. и значение уровня фонового шума, равного допустимому уровню шума по прилож. Г [1].

Пример. Для лекционного прямоугольного зала выполнить расчет разборчивости сигнала в характерных точках помещения методом реверберационных помех.

Исходные данные.

Размеры зала 25*15*6 м. Положение оратора (источника звука) и зрительские места (расчетные точки) показаны на рис. 5. Расчет разборчивости сигнала выполнить для частоты 500 Гц. Уровень акустической мощности Средний коэффициент звукопоглощения ограждений α=0,24. Уровень фонового шума = 40 дБА по прилож. Г.

Рис. 5. Расчетная схема помещения с указанием расчетных точек: план и разрез

Геометрические параметры помещения:

- объем помещения

,

- площадь ограждающих поверхностей

;

- средняя длина свободного пробега

.

Время реверберации (см. раздел 5 данных указаний)

;

Результаты расчета разборчивости речи в центральной точке зала:

- расстояние в плане R₁= 10, м, разность отметок ∆Н= 1,5м, расстояние между источником звука и расчетной точкой составит

Уровень прямого звука в расчетной точке равен

=47,9 дБ

Уровень ранних отражений

Уровень поздних отражений

Отношение энергии полезного сигнала к величине помех

.

Полезный сигнал

Коэффициент равен

Фактор реверберационных помех составит

1,57

Слоговая разборчивость по графику рис. 4 равна W= 86%, условия слышимости по табл. 6 - «хорошая».

Результаты расчета разборчивости сигнала в других характерных точках зала приведены в табл. 7.

Расчеты показали, что в основной части зала разборчивость речи хорошая, а в самой дальней от источника звука зоне помещения разборчивость - удовлетворительная. Для повышения разборчивости речи можно уменьшить размеры зала или увеличить звукопоглощающие свойства ограждений.

Проверим необходимость системы звукоусиления. В самой удаленной расчетной точке уровень звука составит

Звукоусиление не требуется, так как уровень звука в самой удаленной точке больше 50 дБ.

 

Таблица 7. Результаты расчета разборчивости речи в расчетных точках зала

 

№	R, м	Lпр, дБ	Lран, дБ	Lпоз, дБ	Q	Lпол, дБ	KL	Q";	W, %	Прим
		56,0	53,5	52,7	3,19	57,9	0,988	3,44		Отл
	7,2	50,9	53,5	52,7	1,78	55,4	0,979	1,91		Отл
	10,1	47,9	53,5	52,7	1,48	54,6	0,976	1,57		Хор
	12,3	46,2	53,5	52,7	1,37	54,3	0,975	1,46		Хор
	14,6	44,7	53,5	52,7	1,31	54,1	0,974	1,39		Хор
	18,4	42,7	53,5	52,7	1,25	53,9	0,973	1,33		Хор
	21,3	41,5	53,5	52,7	1,23	53,8	0,973	1,31		Хор
		41,2	53,5	52,7	1,22	53,8	0,973	1,30		Хор
	23,5	40,6	53,5	52,7	1,22	53,7	0,973	1,29		Удов

 

Расчеты разборчивости речи можно выполнять вручную или с помощью таблицы EXCEL (см. рис. 6). В таблице приведены результаты расчета разборчивости речи при среднем коэффициенте звукопоглощения ограждений α=0,27, при этом во всех точках помещения разборчивость «хорошая» или «отличная».

 

Рис.6. Вид таблицы EXCEL с результатами расчета разборчивости речи

В таблице EXCEL зеленым цветом отмечены ячейки для ввода исходных данных, а розовым – ячейки с результатами расчета.

 

Программа для расчета разборчивости речи

 

Расчет разборчивости речи в залах на основе метода диффузного поля является приближенным, так как не учитывается фактическое распределение отраженной энергии сигнала по помещению. Кроме этого величина ранних и поздних отражений зависит от формы помещения, что также игнорируется в методе диффузного поля.

В компьютерной программе предусмотрена возможность более точного расчета распределения отраженной энергии по помещению и определения структуры сигнала в каждой точке помещения на основе метода прослеживания лучей. Согласно этому методу формируется описание замкнутого объема помещения в виде уравнений аналитической геометрии для ограждающих плоскостей. Излученная источником звука энергия равномерно распределяется между достаточно большим количеством лучей (не менее 1000 лучей), излучаемых в пространство согласно диаграмме направленности источника. При каждом столкновении луча с границей объема помещения происходит его зеркальное отражение и уменьшение энергии за счет звукопоглощения ограждением. Путь каждого луча прослеживается за время 1/16 с после излучения или в течение прохождения расстояния 340/16= 21,25 м. Программа фиксирует каждое попадание луча на зрительские места, таким образом, происходит точный расчет распределения ранних отражений. Поздние отражения также могут рассчитываться лучевым методом, однако для повышения быстродействия расчетов без значительного снижения точности поздние отражения в программе рассчитываются по методу диффузного поля. Программа разработана в среде Visual Basic 6.

Программа имеет удобные формы для ввода исходных данных. Наиболее трудоемко описание геометрии помещения.

Общий вид зала приведен на рис. 7. Все размеры зала необходимо вводить в метрах. В том случае, если некоторые элементы зала отсутствуют, необходимо в программе указать нулевые значения, например:

- при отсутствии балкона R=0, S=0, T=0, U=0;

- при отсутствии сцены N=0, K=0;

- при плоском потолке F=0, L=0;

- в случае горизонтального пола P=0, M=0;

- при отсутствии вертикальных отражающих плоскостей рядом со сценой E=0, D=0.

 

 

Рис. 7. Геометрическая схема зала

 

Программа предлагает студентам ввести площадь ограждений S и объем зала V, так как эти параметры зала ранее вычислялись при расчете времени реверберации. В случае значительных расхождений (более 10%) между введенными и рассчитанными значениями S и V выдается предупреждение.

Для ввода акустических характеристик ограждения разделены на три группы: стены, пол и потолок, в пределах каждой группы ограждений акустические свойства считаются постоянными. Если же ограждение состоит из нескольких разных конструкций или материалов (не более 3), например, пол выполнен из паркета и ковра с разными звукопоглощающими свойствами, то можно указать коэффициенты звукопоглощения каждого материала и его площадь или процент от площади. Можно сразу ввести средний коэффициент звукопоглощения всех полов в соответствующее окно формы рис. 8.

 

 

Рис. 8. Форма для ввода акустических характеристик зала

 

Ход расчета иллюстрируется траекториями движения лучей. После окончания расчетов можно просмотреть результаты в виде карты изолиний равного уровня разборчивости сигнала (рис. 9), в виде параметров поля и результатов расчета разборчивости для конкретного зрительского места.

Для улучшения разборчивости речи можно повысить звукопоглощение ограждающих конструкций, при этом снизится доля поздних отражений, однако при этом необходимо не выходить за пределы оптимальной величины времени реверберации. Следует обратить внимание, что уменьшение времени реверберации может снизить отраженный звук в дальних от источника зонах помещения, что потребует устройства системы звукоусиления. Без изменения времени реверберации можно улучшить разборчивость речи в конкретных зрительских местах за счет изменения формы помещения, например увеличение разности в размерах А и Б (рис. 7) может повысить первые отражения в дальней зоне помещения и, соответственно, увеличить величину полезного сигнала.

В районе балкона могут оказаться проблемные зоны с низкой величиной полезного сигнала. Если попытки улучшить акустические параметры зала в зоне балкона за счет изменения времени реверберации и положения отражающих звук поверхностей не приведут к положительным результатам, то придется или отказаться от балкона или проектировать систему звукоусиления.

 

Просмотр результатов расчета и их перенос в файл осуществляется после перехода на закладку «Отчет» программы.

 

 

Рис. 9. Карта с изолиниями равной разборчивости речи

 

Результаты расчета записываются в файл «отчет.htm» в папке «Отчет». Для перевода расчетных данных в текстовый редактор WORD рекомендуется выполнить следующие действия.

Сохранить файл в формате «.mht», для чего с помощью Microsoft Internet Explorer открыть файл «отчет.htm” и сохранить его как файл типа «веб-архив один файл». Полученный файл можно открыть с помощью Microsoft Office Word и после редактирования вставить в пояснительную записку.

 

Задания для выполнения исследовательской части работы:

- сравнить расхождения результатов расчета разборчивости речи на основе метода диффузного поля и по компьютерной программе в помещениях разных геометрических форм и пропорций;

- исследовать влияние уровня фонового шума на величину разборчивости речи в помещениях различного назначения;

- с помощью компьютерной программы исследовать влияние формы помещения на структуру звукового поля и на величину разборчивости речи.

 

 

 

Приложение А

Значения функции j(α_ср) = – ln(1- α_ср) в зависимости от величины среднего коэффициента звукопоглощения α_ср в зале

αср	0,00	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
		0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09
0,1	0,1	0,12	0,13	0,14	0,15	0,16	0,17	0,19	0,2	0,21
0,2	0,22	0,24	0,25	0,26	0,27	0,29	0,3	0,32	0,33	0,34
0,3	0,36	0,37	0,39	0,4	0,42	0,43	0,45	0,46	0,48	0,49
0,4	0,51	0,53	0,54	0,56	0,58	0,6	0,62	0,64	0,65	0,67
0,5	0,69	0,71	0,73	0,76	0,78	0,8	0,82	0,84	0,87	0,89
0,6	0,92	0,94	0,97	0,99	1,02	1,05	1,08	1,11	1,14	1,17
0,7	1,2	1,24	1,27	1,31	1,35	1,39	1,43	1,47	1,51	1,56
0,8	1,61	1,66	1,72	1,77	1,83	1,9	1,97	2,04	2,12	2,21

Пример: Для α_ср = 0,24 находим по таблице j(α_ср) = – ln(1- α_ср) = 0,27.

 

Приложение Б

Эквивалентная площадь звукопоглощения слушателями и креслами

Объект звукопоглощения	Эквивалентная площадь поглощения, А 1(2)(м2) на частоте
Зритель, сидящий в кресле мягком и полумягком	0,25	0,3	0,4	0,45	0,45	0,4
То же, в жестком кресле	0,2	0,25	0,3	0,35	0,35	0,35
Зритель на жестком стуле	0,17	0,36	0,47	0,52	0,5	0,46
Кресло мягкое, обитое тканью, с пористым заполнением сиденья и спинки	0,15	0,2	0,2	0,25	0,3	0,3
Кресло полумягкое, обитое тканью	0,08	0,1	0,15	0,15	0,2	0,2
Кресло, обитое искусственной кожей	0,08	0,1	0,12	0,1	0,1	0,08
Кресло, обитое кожей	0,1	0,12	0,17	0,17	0,12	0,1
Кресло, обитое бархатом	0,14	0,22	0,31	0,4	0,52	0,6
Кресло деревянное жесткое	0,02	0,02	0,03	0,04	0,04	0,05
Стул мягкий	0,05	0,09	0,12	0,13	0,15	0,16
Стул полумягкий	0,05	0,08	0,18	0,15	0,17	0,15
Стул жесткий	0,02	0,02	0,02	0,02	0,02	0,02

 

 

 

Приложение В

Коэффициенты звукопоглощения материалов и конструкций

Материалы и конструкции	Коэффициент звукопоглощения на частоте, Гц
Полы
Пол, натертый мастикой, на деревянных балках	0,15	0,11	0,10	0,07	0,06
Паркет по асфальту	0,04	0,04	0,07	0,06	0,06
Паркет по деревянному основанию	0,1	0,1	0,1	0,08	0,06
Релин	0,04	0,05	0,07	0,07	0,08
Линолеум толщ. 5мм на твердой основе	0,02	0,02	0,03	0,03	0,04
Ковер шерстяной обычного типа	0,08	0,08	0,2	0,26	0,27
Ковер шерстяной на войлочной подкладке	0,11	0,14	0,37	0,43	0,27
Ковер безворсовый	0,02	0,05	0,07	0,11	0,29
Искусственная трава фирмы "Полиграс"	0,07	0,07	0,08	0,1	0,39
Пол для спортивных залов "Тартан"	0,02	0,03	0,06	0,1	0,18
Стены, потолки, проемы
Бетон	0,01		0,02		0,02
Бетон окрашенный	0,01	0,01	0,01	0,02	0,02
Стена кирпичная неоштукатуренная	0,03	0,03	0,03	0,04	0,05
Стена, оштукатуренная и окрашенная масляной краской	0,01	0,01	0,02	0,02	0,02
Стена, оштукатуренная и окрашенная клеевой краской	0,02	0,02	0,02	0,03	0,04
Мрамор, гранит и другие шлифованные каменные породы	0,01	0,01	0,01	0,01	0,02
Сухая гипсовая штукатурка	0,02	0,05	0,06	0,08	0,05
Сухая штукатурка на расстоянии 50-150 мм от поверхности	0,3	0,25	0,1	0,08	0,05
Деревянная панель толщ. 5-10мм с воздушной прослойкой 50-150мм	0,1	0,08	0,05	0,05	0,08
Деревянная обшивка (сосна) толщ. 19мм	0,1	0,1	0,1	0,08	0,08
Переплеты оконные застекленные	0,3	0,2	0,15	0,1	0,06
Светопрозрачные ограждения из стеклоблоков	0,01	0,02	0,02	0,06	0,06
Свободно висящая ткань в виде драпри ρ=0,35 кг/м2 (хлопок)	0,04	0,04	0,11	0,17	0,3
Свободно висящая ткань в виде драпри ρ=0,6 кг/м2 (бархат)	0,1	0,3	0,5	0,5	0,72
Проем сцены с декорациями	0,2	0,3	0,3	0,3	0,3
Проем оркестровой ямы	0,3	-	0,4	-	0,4
Киноэкран	0,3	-	0,4	-	0,4

Продолжение прил.В

Специальные звукопоглощающие материалы и конструкции
Акустические панели Harmony (стекловатные звукопоглощающие панели размерами 60×60 и 60×120см при толщине 20мм с облицовкой из стекловойлока):
- без воздушного зазора с основанием	0,03	0,15	0,45	0,78	0,98
- с зазором от основания 200мм	0,33	0,7	0,98	0,84	0,95
Плиты из перфорированного гипсокартона ППГЗ Gypton (производитель Gyproc), толщина листа 10-12,5мм, размер панели 60×60 и 60×120см
- Gypton Sixto 60 (высота подвеса 45мм)	0,15	0,3	0,65	0,8	0,75
- Gypton Sixto 60 (высота подвеса 185мм)	0,4	0,65	0,8	0,7	0,7
- Gypton Base (высота подвеса 45мм)	0,1	0,1	0,05	0,05	0,00
- Gypton Quattro 50 (высота подвеса 185мм)	0,5	0,6	0,65	0,60	0,65
Древесноволокнистые панели на магнезитовом связующем Heradesign толщиной 25мм и заполнением внутреннего слоя плитой Шуманет-БМ, размер панели 60×60, 60×120, 60×240см
- Heradesign Fine (высота подвеса 30мм)	0,2	0,58	1,04	0,75	0,67
- Heradesign Fine (высота подвеса 80мм)	0,75	0,95	0,73	0,58	0,66
- Heradesign Superfine (высота подвеса 30мм)	0,14	0,54	0,96	0,9	0,77
- Heradesign Superfine (высота подвеса 275мм)	0,65	0,92	0,9	0,9	0,8
- Heradesign Plano (высота подвеса 30мм)	0,48	0,4	0,35	0,28	0,25
- Heradesign Plano (высота подвеса 265мм)	0,38	0,35	0,3	0,29	0,28
Стеновые панели SoundLux Техно с наполнителем из минерального волокна на базальтовой основе с перфорированным металлическим экраном, размер панели 30×250см, толщина 40мм:
монтаж без относа	0,16	0,67	1,02	1,02	0,89
Напыляемое звукопоглощающее покрытие Sonaspray на основе целлюлозы (толщина слоя 25мм)	0,05	0,3	0,75	0,95	0,92
Плиты пористые акустические "Акмигран" из гранулированной минеральной ваты на синтетическом связующем, размер плит 30×30×2см
- без воздушной прослойки	0,05	0,15	0,5	0,65	0,65
- с воздушной прослойкой 100мм	0,25	0,55	0,55	0,65	0,65
Гипсовые перфорированные литые плиты "Мелодия", размер плит 60×60×3,8см
- без воздушной прослойки	0,15	0,25	0,8	0,4	0,2
- с воздушной прослойкой 100мм	0,25	0,5	0,6	0,45	0,3
Цилиндрические сегменты из 3-миллиметровой фанеры, покрытой мягким оргалитом, длина хорды 40см, стрела выноса 35см	0,35	-	0,26	-	0,08
Плиты "Силакпор" толщиной 45мм	0,15	0,4	0,5	0,6	0,65
Плиты "Силакпор" толщиной 35мм	0,1	0,2	0,35	0,45	0,5

Приложение Г

Предельно допустимые уровни шума в помещениях общественных зданий

Назначение помещений	Уровень звука LA, дБА
Классные помещения, учебные кабинеты, аудитории учебных заведений, конференц-залы, читальные залы библиотек, зрительные залы клубов, залы судебных заседаний, культовые здания, зрительные залы клубов с обычным оборудованием
Музыкальные классы
Помещения офисов, рабочие помещения и кабинеты административных зданий, конструкторских, проектных и научно-исследовательских организаций
Залы кафе, ресторанов
Зрительные залы театров и концертных залов
Многоцелевые залы
Кинотеатры с оборудованием «Долби»
Спортивные залы
Торговые залы магазинов, пассажирские залы вокзалов и аэровокзалов

 

Литература

 

1. СП 51.13330.2011. Защита от шума. Актуализированная редакция СНиП 23-03-2003. – М.: ОАО «ЦПП», 2011. – 42 с.

2. ВСН 45-86. Культурно-зрелищные учреждения. Нормы проектирования / Госгражданстрой. - М.: Стройиздат, 1988. - 85с.

3. СП 118.13330.2012. Общественные здания и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 31-06-2009.

4. Звукоизоляция и звукопоглощение: Учебное пособие для студентов вузов/ Л.Г. Осипов, В.Н. Бобылев, Л.А. Борисов и др. – М.: ООО «Издательство Астрель», 2004.

5. Ковригин, С.Д., Крышов С.И. Архитектурно-строительная акустика: Учеб.пособие для вузов по спец. "Архитектура" и "Промышленное и гражданское строительство"/ С.Д. Ковригин, С.И. Крышов. - М.: Высш. шк., 1986.- 256 с.

6. Архитектурная физика: учебник для вузов / В. К. Лицкевич, Л. И. Макриненко, И. В. Мигалина [и др.]; под ред. Н. В. Оболенского. - стер. изд. - М.: Стройиздат, 2001. - 448 с.

7. Руководство по акустическому проектированию запои многоцелевого назначения средней вместимости / НИИ строит. физики Госстроя СССР. — М.: Стройиздат, 1981. — 47 с.

8. Маньковский В.С. Акустика студий и залов для звуковоспроизведения. - М.: Искусство, 1966. - 376 с.