METODY MĚŘENÍ SROZUMITELNOSTI ŘEČI VE VOZIDLE Pavel Němeček 1 1. Anotace Speech understandability in passanger car cabin. The contribution describes the method and fundamental result of subdequent phase of speech understandability in passanger car cabin. The measurement was done by means of Articulation index as well as RASTI method. Detailed measurement results show the meaning and mutual dependance of both methods. The methodology is applied on ŠKODA Octavia Combi car. 2. Význam zkoumání srozumitelnosti řeči Srozumitelnost řeči v kabině osobního nebo nákladního automobilu je jedním z méně užívaných kritérií pro popis akustické kvality. Metodika vznikla původně pro stavební akustiku, kde nalézá širší uplatnění. Její aplikace pro interiér automobilu naráží na určité problémy, ale pro specifické vlastnosti při šíření hluku v takto malém prostoru ji lze použít. Srozumitelnost řeči se stanovuje dvěma nezávislými metodami: a) Metodou artikulačního indexu b) Metodou RASTI Obě metody byly podrobněji popsány v předchozích pracích 1, 2. Je třeba pouze zdůraznit, že se jedná o objektivní popis subjektivně vnímané vlastnosti. Na srozumitelnosti řeči, tedy schopnost prostoru přenést řečový signál bez zkreslení a ovlivnění hlukem pozadí od řečníka k posluchači má v interiéru osobního automobilu vliv několik okolností: I. Hluk pozadí způsobený zdroji na vozidle II. Pohltivost a odrazivost ploch ohraničujících interiér III. Poloha řečníků (zdrojů řečového signálu) a posluchačů Hluk pozadí je dán především hlukem motoru a při vyšších rychlostech hlukem aerodynamickým a hlukem pneumatik. Nevýhodou je nízkofrekvenční charakter hluku motoru, který je ohraničen maximální frekvencí 200 Hz. Tato frekvence je při vlnové délce cca 1,7 m prakticky neodstranitelná protihlukovou izolací. Aerodynamický hluk je sice širokopásmový, ale proniká do vozidla především přes okna o střechu, které jsou slabými izolátory. Z těchto důvodů je hluk pozadí nejsilnějším vlivem, který snižuje srozumitelnosti ve vozidle. Výhodu interiéru je jeho vysoká pohltivost daná vlákennou a porézní strukturou materiálů výplně dveří a 1 doc. Dr. Ing. Pavel Němeček Technická univerzita v Liberci Fakulta strojní - katedra strojů průmyslové dopravy Hálkova 6 461 17 Liberec 1 pavel.nemecek@vslib.cz
stropu, matriálem sedadel a především velikostí pohltivé plochy ve vztahu k odrazivé ploše oken. Srozumitelnost řeči je důležitá především ve vztahu k poloze hlavy řidiče. K tomuto vztažnému bodu je také nejčastěji zkoumána. Důvody jsou především bezpečnostní, tedy usnadnit spolupráci při řízení vozidla a snížit psychickou zátěž řidiče. Další důvody plynou z pohodlí jízdy, což je dáno především kvalitou poslechu rozhlasového přijímače a kvalitou komunikace přes hands-free sestavu mobilního telefonu. 3. Vlastnosti použitých metodik Použité metody mají za cíl totéž, bezrozměrným číslem od 0 do 1 (0 až 100 %) popsat subjektivní vjem srozumitelnosti. Za určitých zjednodušení lze pod tímto číslem vidět procento porozuměných náhodně generovaných slabik. Při skutečně přenášené řeči si pak musí mozek neporozuměnou část nebo celé slovo doplnit nebo musí požádat o zopakování informace. Obě metody mají však základní rozdíl: a) metoda Artikulačního indexu vyhodnocuje srozumitelnost pouze ze změřeného hluku pozadí. Vlastnosti řečového signálu jsou obsaženy ve vyhodnocovacím řetězci. Metoda tedy nerespektuje vzájemnou polohu řečníka a posluchače. b) metoda RASTI vychází ze speciálního měřicího systému, který zajišťuje vyslání řečového signálu z místa řečníka a jeho přijetí v místě posluchače. Výhodou je cílené zkoumání pro danou přenosovou cestu. Srovnáním výsledků obou metodik lze získat informace, které nelze určit z jejich jednotlivého užití. Výsledky měření podle obou metodik budou uvedeny v následujícím textu s praktickou aplikací na vozidlo ŠKODA Octavia 1,9 TDi Combi. V předchozích pracích 1, 2 byly uvedeny výsledky zkoumání pro úvodní měření, která byla provedena s cílem porovnat osobní a nákladní automobil a ověřit použitelnost obou metod. V současné době byla za pomocí studentů katedry strojů průmyslové dopravy provedena podrobná měření na vozidle, jejichž nejdůležitější výsledky budou stručně presentovány. 4. Měření na vozidle Pro určení srozumitelnosti řeči je vhodné: využít obou nezávislých metodik, provést měření za jízdy a klidu vozidla (především z důvodu oddělení zdrojů souvisejících s jízdou), přiblížit se reálným podmínkám provozu vozidla. Měření artikulačního indexu probíhá vždy v podmínkách venkovního prostoru. Vytýčí se málo frekventovaná asfaltová (nebo betonová) vozovka, na které se provede jak měření na místě, tak i jízdní zkouška. V případě jízdní zkoušky se provede měření v celém rozsahu pro jednotlivé rychlostní stupně (v rámci možností) a potom při optimální jízdě. To znamená, že řidič řadí tak, jak by odpovídalo daná rychlosti a zatížení. Tento stav nejlépe odpovídá skutečným podmínkám pro přenos řeči v kabině. Ve vozidle je přítomen řidič a operátor, který provádí a zaznamenává výsledky měření. Měřicí mikrofon je při obou metodách umístěn v přílbovém držáku ve vzdálenosti 50 mm od ucha posluchače blíže ke dveřím.
5. Získané výsledky Ve vozidla ŠKODA Octavia 1,9 TDi Combi bylo provedeno měření artikulačního indexu oběma metodami současně. Výsledky jsou graficky znázorněny na obr. 1 až obr. 4. Jednotlivé křivky jsou stanoveny pro místo posluchače (LP sedalo levé přední, PP sedadlo pravé přední, LZ sedadlo levé zadní, PZ sedadlo pravé zadní). U metody RASTI byl řečník vždy v místě spolujezdce (PP) s výjimkou měření na místě spolujezdce (zde byl řečník na místě řidiče). Pro snazší orientaci mezi metodami je pro RASTI zvolena stupnice 0 až 1 a pro Artikulační index stupnice 0% až 100%. Na obrázcích 1 a 2 jsou uvedeny výsledky měření srozumitelnosti řeči oběma metodami pro vozidlo za klidu. Vozidlo stálo na vozovce a řidič měnil otáčky motoru. Toto měření se využívá k tomu, aby byl ohodnocen vliv motoru. Z průběhů jsou zřejmé následující závěry. Měření na místě: 1) Metoda RASTI oceňuje prostor indexy od 0,6 a ž po 0,95, artikulační index vychází příznivěji v rozmezí 80% až 97% (srovnatelně s RASTI 0,8 až 0,97). 2) Metodou RASTI jsou výsledky více závislé na otáčkách, v pásmu do 200 min -1 je situace v kabině homogenní (pouze PZ sedadlo má horší výsledek). Při vyšších otáčkách je situace ve vozidle výrazně závislá na místě posluchače. PZ sedadlo je od řidiče nejvíce vzdáleno, nižší frekvence hluku pozadí vytváří ve vozidle homogenní zvukové pole. Se stoupající budící frekvencí se pole začíná měnit, což se projeví i na přenosových vlastnostech. Pro vysoké otáčky je nejhorší poloha LZ (za řidičem) a nejlepší poloha PP (spolujezdec na předním sedadle). 3) Z předchozího lze usoudit, že hluk pozadí (hluk motoru) maskuje řečový signál závisle na otáčkách. Se stoupajícími otáčkami závisí na nepřerušenosti cesty signálu od řečníka k posluchači. Sedadlo LZ je stíněno sedadlem řidiče a jeho tělem. 4) Artikulační index dává výsledky homogennější. Pokud se nebere v úvahu poloha řečníka a posluchače (což je vlastnost artikulačního indexu) vše závisí na spektru hluk pozadí na jednotlivých místech. 5) Artikulačním indexem vychází nejhůř přední sedadla, což je vysvětlitelné blízkostí motoru. Měření při jízdě: 6) Jízdou se situace pro přenos řeči výrazně zhoršuje. Oběma metodami poklesne srozumitelnost až na 0,5 (50%). 7) Homogenita výsledků metodou RASTI je nízká, metodou Artikulačního indexu však došlo k vyrovnání hodnot ve vozidle. 8) Metodou RASTI jsou srovnatelné zadní sedačky navzájem a přední sedačky navzájem. Tedy problém je při přenosu řeči ze předních sedadel na zadní. Vozidlo se za jízdy stává prostorem se dvěma zdánlivě oddělenými prostory. 9) Vysoké rychlosti (nad 90 km.h -1 ) ukazují na výrazné změny v průběhu srozumitelnosti. Lze to přisoudit zvyšujícímu se hluku pneumatik a aerodynamickému hluku, která může být proměnlivý vzhledem k relativní poloze vektorů rychlosti vozidla a vektoru rychlosti větru. Navíc zde zřejmě hraje roli i náhodný vliv nerovností, které při vyšších rychlostech vytváří větší hluk.
10) Vzhledem k tomu, že otáčky motoru jsou úměrné rychlosti vozu a zařazenému převodovému stupni, lze vliv motoru přičíst též zvlnění křivek indexu RASTI. 11) Vliv zařazeného rychlostního stupně ve vztahu k hluku pneumatik a aerodynamickému hluku je zřejmě příčinou náhlého poklesu hodnoty Artikulačního indexu při rychlosti 95 km.h -1. 12) Do rychlosti 80 km.h -1 jsou křivky Artikulačního indexu prakticky shodné, pro vyšší rychlosti dochází k výrazným změnám a nejhorší situace nastává na sedadle za řidičem. Celkový pohled: 13) Obě metody ukazují na zhoršování srozumitelnosti řeči se zvyšujícími se otáčkami motoru a zvyšující se rychlostí vozidla. Situace se v nejhorších případech blíží stavu NEVYHOVUJÍCÍ. 14) Index RASTI je blíže skutečným podmínkám protože respektuje cestu řečového signálu. Je zřejmé, že metodiku by bylo vhodné použít pro nalezení optimální polohy prvků hands-free a pro rozmístění reproduktorů rozhlasového přijímače. Metoda je však nepoměrně složitější na provedení a nákladnější vzhledem k potřebné speciální měřicí technice. 15) Artikulační index je velmi jednoduchý, neboť se vypočítává z třetinooktávového spektra hluku pozadí v místech posluchačů. Nerespektuje však přenosovou cestu řečového signálu. 16) Artikulační index je vhodnou veličinou pro porovnání jednotlivých vozidel nebo jako nástroj pro porovnávání jednotlivých kroků řešení akustiky kabin. Literatura 1 Havliš, J.: Srozumitelnost řeči v kabině osobního automobilu. Bakalářská práce. TU v Liberci 2003. 2 Němeček, P.: Srozumitelnost řeči v kabině automobilu. In.: XXXII. Mezinárodní konference KOKA 2001. VA v Brně 2001. 3 Planý, J.: Hodnocení akustické kvality. Diplomová práce. TU v Liberci 1995 Příspěvek vznikl v rámci projektu MŠMT LN 00B073 Lektoroval : doc. Ing. Josef Laurin, CSc.
1,00 RASTI - stojící automobil 0,95 0,90 0,85 RASTI 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 1000 1500 2000 2500 3000 3500 otáčky motoru [min -1 ] LP PP LZ PZ Obr. 1. Index RASTI v kabině vozidla v závislosti na otáčkách motoru 100 AI - stojící automobil 95 90 AI [%] 85 80 75 70 1000 1500 2000 2500 3000 3500 otáčky motoru [min -1 ] LZ LP PZ PP Obr. 2. Artikulační index v kabině vozidla v závislosti na otáčkách motoru
1 RASTI - vozidlo v pohybu 0,9 0,8 RASTI 0,7 0,6 0,5 0,4 35 55 70 75 80 95 110 140 LP PP LZ PZ rychlost [km.h -1 ] Obr. 3. Index RASTI v kabině vozidla za jízdy 100 AI - vozidlo v pohybu 90 80 AI [%] 70 60 50 40 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 LP PP LZ PZ rychlost [km.h -1 ] Obr. 4. Artikulační index v kabině vozidla za jízdy