Kurzanleitung Messung der Sprachverständlichkeit STI-PA gemäß DIN60286-16

Das obige Bild zeigt ein vollständiges Meßsystem für STI-PA

Es besteht aus:

PC: hier ein kleines Netbook, das besonders für mobile Messungen geeignet ist.
Meßmikrofon (Das hier gezeigte Meßmikrofon wird über eine USB-Audio Schnittstelle an den PC angeschlossen)
Aktiver Testlautsprecher mit 10cm Membran
CD-Spieler zur Signalerzeugung
CD mit STI-PA Testsignal

Sinnvoll sind noch ein Handschallpegelmesser oder Kalibrator zur Messung absoluter Schallpegel.

Sofern ein hochwertiger IEC61672 Klasse 1 oder 2 Schallpegelmesser zur Verfügung steht, kann dieser über den AC-Ausgang anstelle des Messmikrofons verwendet werden.

Eigenschaften

Erfüllt IEC 60268-16:2003 und 2011 bzw. DIN EN 60268-16:2004 und 2012
STI, STIPA, RASTI
Die Benutzung ist sehr einfach. Führen Sie Ihre erste STIPA-Messung innerhalb von 2 Minuten durch.
Messung über moduliertes Rauschen (direkte Methode) und Raumimpulsantwort (indirekte Methode)
Berücksichtigung des Hintergrundgeräuschs über Oktavpegel oder direkt als .wav Datei. Es ist keine Nachberechnung mit einem Tabellenverarbeitungsprogramm erforderlich.
“Auditory masking” ist konform zu IEC 60268-16 ED 3.0 (2003) und ED 4.0 (2011) und ist optional abschaltbar.
Für jedes Band werden die Modulationsindizes angezeigt
Oktavanalysator konform zu IEC 1260-Klasse 0
Messung des Sprachpegels konform zu IEC 60268-16:2011 Annex J.2
Einfacher Export der Daten

Allgemeine Hinweise

Bitte beachten Sie, das für eine korrekte Messung der Sprachverständlichkeit gemäß DIN60268-16 folgende Bedingungen erfüllt sein müssen:

Keine Frequenzverschiebungen oder Frequenzmultiplikationen.
Keine Sprachcodecs (LPC, CELP, RELP etc.)
Das Hintergrundgeräusch darf keine hörbaren tonalen Komponenten enthalten.
Das Hintergrundgeräusch darf keine impulsartigen Komponenten enthalten.
Es dürfen keine Flatterechos auftreten, deren Periode ein Vielfaches der Modulationsfrequenzen ist.
Das Hintergrundgeräusch muss stationär sein. Es darf sich nicht während der Messdauer verändern.

Hinweise:

Das Meßsystem arbeitet mit einer Abtastrate von 44,1kHz und entspricht damit dem CD-Standard. Bei der Wiedergabe der Testsignale auf einem CD-Spieler kann die Abtastfrequenz geringfügig abweichen. Dies ist bedingt durch die Taktabweichungen der Oszillatoren. Diese Abweichungen sind typischerweise nicht hörbar und liegen in der Regel unterhalb von 100ppm. Allerdings können diese geringen Abweichungen die STI Messungen verfälschen, da die Filter sehr schmalbandig sind. Daher sollte die Frequenzabweichung mit einem 1kHz Ton gemessen werden und protokolliert werden.

Einführung

Sprachverständlichkeit ist der Schlüssel menschlicher Kommunikation. Für Notfallwarnsysteme, Telekomunikationssysteme, Durchsagesysteme ( z.B. in Bahnhöfen) oder allgemein Räume zur Sprachdarbietung (Schulungsräume) verringert eine ungünstige Sprachverständlichkeit nicht nur deren Funktion sondern ist auch sicherheitskritisch.

In vielen Ländern existieren daher gesetzliche Mindestanforderungen an die Sprachverständlichkeit. Für öffentliche Neubauten muss die Sprachverständlichkeit durch Messungen dokumentiert werden. In den meisten Fällen muss dabei die Norm IEC 60849 oder ISO 7240-16 berücksichtigt werden.

Die ersten Messungen der Sprachverständlichkeit basierten auf einer statistischen Analyse von Hörtests. Im Gegensatz hierzu sind die STI-Verfahren gemäß 60268-16 eine objektive Methode. Es werden spezielle Testsignale aus moduliertem Rauschen verwendet. Diese Signale simulieren die menschliche Sprache. Von besonderem Interesse ist die Verschlechterung des Signals durch den Übertragungskanal, der basierend auf den Testsignalen durch aufwendige Verfahren berechnet werden kann.

Die Sprachverständlichkeit eines Übertragungskanals wird beeinflusst von:

Pegel des Sprachsignals
Frequenzgang
Nicht-lineare Verzerrungen
Pegel des Hintergrundgeräuschs
Qualität des Wiedergabesystems
Echos (Reflektionen mit einer Verzögerung > 100ms)
Nachhall
psychoakustische Effekte (Maskierung)

Die STI-Methode verwendet 7 Oktavbänder im Bereich 125Hz bis 8kHz. Aus allen Bändern wird ein Einzahl-Wert berechnet. Dieser Wert kann zwischen 0 und 1.0 liegen. Ein Wert von 0 bedeutet das keine Sprachverständigung möglich ist. 1.0 bedeutet eine ideale Sprachverständlichkeit.

Installation

Führen Sie das Installationsprogramm „setup.exe“ auf der Programm-CD aus und folgen Sie den Anweisungen.

Einige Versionen werden mit einem USB-Kopierschutzstecker ausgeliefert. Dieser Dongle muss in einen USB Steckplatz eingesteckt werden. Das Programm startet nur, wenn dieser Dongle eingesteckt ist.

Zur Zeit verwenden wir ein System von Unikey.

Dieser Dongle wird von Windows automatisch erkannt und benötigt keine Treiber.

Erste STI-PA Messung

Legen Sie die Audio CD mit den STI-PA Testsignalen in einen Audio CD-Spieler und verbinden Sie diesen mit dem Aktiv-Lautsprecher.

Aus dem Lautsprecher sollte jetzt das rhythmische STI-PA Rauschen hörbar sein.

Halten Sie das Messmikrofon etwa 50cm vom Lautsprecher entfernt und stellen Sie einen Schallpegel von ca. 66dB(A) ein. Sie können den Pegel direkt am Lautsprecher oder am CD-Spieler anpassen.

Aktivieren Sie die STI-PA Messung

Nach etwa 10s wird die Anzeige grün und Sie können die Werte ablesen. Bei diesem einfachen Test, bei dem der Testlautsprecher direkt gemessen wird, sollte der STI-Wert über 0.9 liegen.

WinAudioMLS unterstützt gemäß der DIN60286-16 zwei Sprechertypen (Männlich ‚male’ und weiblich ‚female’). Auf der CD sind beide Testsignale enthalten.

Achten Sei darauf, dass das Programm entsprechend eingestellt ist. Sofern Sie keine genaueren Vorgaben haben, verwenden Sie den Typ männlich.

Eine reale Messung läuft wie folgt ab:

1)Positionieren Sie das Mikrofon
2)Starten Sie ein neue Messung mit Reset.
3)Warten Sie mind. 10-15s. Die Anzeige wird dann grün.
4)Die Messergebnisse können Sie entweder als ‚screenshot’ speichern oder die Meßdaten im Textformat weiterverarbeiten.

Meßdaten als Bildschirmfoto

Wenn Sie die Funktion „Copy to clipboard“ verwenden, werden die Messdaten in die Zwischenablage gespeichert, wo Sie diese leicht nach Excel etc. exportieren können.

STI: 0.96 CIS: 0.98 Rating:excellent

MTI:0.732 0.974 0.959 1.000 0.994 1.000

M1: 0.764 1.002 0.974 1.030 0.967 1.005

M2: 0.884 0.957 0.948 0.980 1.000 0.983

RMS: -59.3 -68.7 -68.4 -67.6 -71.6 -66.5

male

35s

Das Programm zeigt folgende Parameter:

Beschreibung	Parameter
Speech Transmission Index	STI
Common Intelligibility Scale	CIS
Pegel im Band	RMS
Modulation Transmission Index	MTI
Modulationsindices	M1 M2

Details zu insbesondere M1,M2, MTI finden Sie in der Norm DIN60268-16

Die beiden Verständlichkeitsmaße können auf einfache Weise umgerechnet werden:

CIS=1+log10(STI)

Der Sprachverständlichkeitsindex STI kann im Bereich von 0.0 (unverständlich) bis 1.0 (exzellent verständlich) liegen.

STI Index	Kommentar
0.0-0.3	unverständlich/bad
0.3-0.43	schwach/poor
0.43-0.6	angemessen/fair
0.6-0.75	gut/good
0.75-1.00	ausgezeichnet/excellent

Gemäß Norm DIN 60849 muß die Verständlichkeit auf der Allgemeinen Verständlichkeitsskala (CIS: Common Intelligibility Scale) größer oder gleich 0.7 sein. Dies entspricht einem STI (Speech Transmission Index) von 0.5.

Praktischer Meßaufbau

Der Meßaufbau ist sehr einfach. Das Testsignal, das aus speziellem modulierten Rauschen besteht, wird über einen Test-Lautsprecher über das Mikrofon der Notfallanlage eingespeist. An verschiedenen Stellen wird das Signal über ein Meßmikrofon aufgenommen und analysiert. Pro Messpunkt dauert die Messung etwa 15s.

Der Lautsprecher sollte einen Abstand von etwa 0.5m zum Mikrofon haben. Der Schallpegel des Testsignals sollte bei 66dB(A) liegen.

Auf der Produkt-CD befinden sich zwei Testsignale für STI-PA, einmal für eine männliche Stimme und die zweite für eine weibliche Stimme. Diese können Sie z.B. auf einen MP3-Spieler übertragen oder direkt von CD abspielen. Die Testsignale dürfen jedoch keinesfalls komprimiert werden sondern müssen direkt als .wav/PCM oder Audio CD abgespielt werden. Dieses Testsignal wird kontinuierlich über die Notfallanlage abgespielt.

Die Messung erfolgt sinnvollerweise mit einem kleinen Laptop z.B. Netbook und einem Messmikrofon an den Meßpunkten. Zusätzlich empfehlen wir einen Kalibrator, um auch absolute Schallpegel zu erfassen.

Überprüfung des Meßaufbaus

unter http://www.dr-jordan-design.de/Download/STIPA_test.ZIP

finden Sie eine Reihe von Testdateien, die eine Fehleranalyse erleichtern. Jede dieser .wav Dateien ist 15s lang und enthält einen speziell verringerten Modulationsindex.

Wenn Sie diese Dateien mit der STIPA-Messung analysieren, sollten sich folgende Werte ergeben.

30% STI-PA 0.38

40% STI-PA 0.44

50% STI-PA 0.50

60% STI-PA 0.56

70% STI-PA 0.62

Der verringerten Modulationsindex ist deutlich hörbar. Mit sinkendem Modulationsindex nimmt der Rauschcharakter zu.

Verbesserung der Sprachverständlichkeit

Die Sprachverständlichkeit kann durch verschiedene Massnahmen verbessert werden.

Pegel

In gewissem Rahmen kann die Sprachverständlichkeit durch einen höheren Pegel verbessert werden. Hier sollte aber vorher unbedingt der Signal-Störabstand bestimmt werden. Zu hohe Pegel verschlechtern wiederum die Sprachverständlichkeit. Ist die Raumakustik ungünstig, verbessern hohe Pegel nicht die Sprachverständlichkeit. Daher muss unbedingt vorher die Ursache der geringen Sprachverständlichkeit ermittelt werden.

Verringerung des Nachhalls

Hier sind verschiedene Massnahmen sinnvoll. Grundsätzlich ist die Sprachverständlichkeit im Hallradius eines Lautsprechers besser als ausserhalb. Daher sollten mehr kleine Lautsprecher als wenige große aufgestellt werden. Die Richtwirkung der Lautsprecher hat hier auch eine zentrale Bedeutung.

Durch Absorber kann die Nachhallzeit im sprachrelevanten Frequenzbereich verbessert werden.

Durch elektronische Entzerrung (Equalizer) können ausgeprägte Raumresonanzen verringert werden.

Pegelmessungen bei Sprache

Für reproduzierbare STI-Messungen müssen die verschiedenen Pegel sorgfältig gemessen und kalibriert werden.

Die aktuelle Norm 60268-16:2011 Annex J beschreibt eine Methode mit der der Pegel von Sprachsignalen gemessen werden kann. Bei Sprache ist es nicht ausreichend nur den A-bewerteten mittleren Schallpegel zu bestimmen. Diese Messung hängt in hohem Maße von den Sprachpausen ab. Mit dem standardisierten Messverfahren werden die Sprechpausen erkannt und aus der Berechnung entfernt.

Der rechte Wert zeigt den Sprachpegel gemäß 60268-16:2011 Annex J.2 an. Dieser Pegel ist immer größer als der reine RMS. Typischerweise liegt er etwa 3dB oberhalb des RMS. Sind die Sprechpausen größer, so ist auch der Pegelabstand zum RMS größer. Bei eienm kostanten signal ohne Pausen sind beide Pegel fast identisch.

Bei Sprache sollte mindestens über 40s gemittelt werden.

Test Signale

Das STIPA Testsignal enthält 7 bandbegrenzte modulierte Rauschsignale mit den Mittenfrequenzen 125Hz 250Hz 500Hz 1000Hz 2000HZ 4000Hz und 8000Hz.

Das Rauschsignal für jedes Band wird Amplituden-modululiert (AM). Das ideale Signal hat ein Modulationsindex von 1.0 und entspricht einem exzellenten STI-Wert. Rauschen, Nachhall, Echos, lineare und nicht-lineare Verzerrungen verringern den Modulationsindex und führen so zu einem schlechteren STI-Wert. Das Analyse-System bestimmt den Modulationsindex für jedes Band und berechnet daraus den STI-Wert als Einzahlwert.

Das obige Bild zeigt eine Spektralanalyse des STIPA-Signals (IEC 60268-16:2011). Man erkennt deutlich die 7 Oktavbänder. In jedem Band fällt der Pegel mit 3dB/Oktave ab da rosa Rauschen als Basissignal verwendet wurde.

Das folgende Bild zeigt den Frequenzgang unseres Band-Pass Filters für das 1000Hz Band

STIPA verwendet die folgenden Bänder mit Pegel:

Mittenfrequenz [Hz]	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Pegel [dB]	2.9	2.9	-0.8	-6.8	-12.8	-18.8	-24.8

0dB ist der A-bewertete Pegel des STIPA-Signals. Nach einer Kalibrierung zeigt ein Oktav-Analysator z.B. –6.8dB für das 1000Hz Band an.

STIPA verwendet 2 Modulationsfrequenzen pro Band. Zusätzlich beträgt die Phasenverschiebung 180° zwischen den beiden Modulationsfrequenzen.

Mittenfrequenz [Hz]	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Mod. Freq. 1 [Hz]	1.6	1	0.63	2	1.25	0.8	2.5
Mod. Freq. 2 [Hz]	8.0	5	3.15	10	6,25	4	12.5

STIPA Messung DIN60268-16