Lo studio dell’ing. Ponteggia è in grado di eseguire misurazioni (con il sistema di misurazione Audiomatica CLIO 12) e di effettuare simulazioni (attraverso il software EASE) di comprensibilità del parlato secondo la norma IEC 60268-16:2020 con il metodo dello STI (Speech Transmission Index) indiretto e dello STIPA (Speech Transmission Index Public Address) diretto.

Lo STI cerca di valutare, attraverso un parametro a singolo indice, tutti i fenomeni acustici e psico-acustici che sono alla base della comprensione del parlato. La teoria alla base dello STI deriva dalla considerazione che il messaggio parlato può essere modellato attraverso una modulazione a bassa frequenza di una portante di rumore rosa.

Di seguito un esempio di file stimolo STI per portante nella banda 1 kHz e frequenza di modulazione 1 Hz.

Questo perché l’informazione del messaggio vocale è veicolata attraverso la modulazione associata al parlato. Rappresentando il canale di comunicazione come un sistema è possibile vedere come la modulazione del messaggio si riduca al passaggio attraverso il sistema stesso a causa della non idealità del canale.

Tramite l’uso di 7 portanti di rumore per banda di ottava e 14 frequenze di modulazione si arriva a definire una matrice di riduzione della modulazione (Modulation Transfer Function MTF) da cui poi, attraverso una serie di passaggi matematici, si compone l’indice STI che racchiude in un singolo numero gli effetti delle distorsioni lineari e non lineari, del rapporto segnale/rumore e della percezione del parlato. I passaggi matematici includono anche calcoli che tengono conto di un modello psico-acustico di percezione, con l’introduzione di penalizzazioni in caso di mascheramento da parte di bande adiacenti o livelli di segnale al di sotto di una certa soglia.

L’indice STI può variare tra un minimo di 0 ad un massimo di 1, dove il valore 1 è per il canale di trasmissione “perfetto” che non introduce alcuna riduzione della modulazione. Sono diversi i fattori che portano alla riduzione della modulazione e di conseguenza alla diminuzione dello STI, tra questi gli effetti di riverberazione ambientale, gli arrivi multipli di più sorgenti in un sistema di sonorizzazione distribuito ed il rumore ambientale.

La norma prevede due diverse metodologie di misurazione: metodo diretto e metodo indiretto.

Nel metodo diretto occorre inviare al sistema sotto esame ciascuna delle 98 modulazioni al fine di ricevere e demodulare per ottenere la riduzione di modulazione e quindi riempire la matrice di riduzione di modulazione, da cui poi si calcola il singolo indice STI.

Un’alternativa è l’uso del metodo indiretto in cui è possibile calcolare la riduzione di modulazione del canale a partire dalla risposta all’impulso misurata dello stesso, tramite la relazione:

Dove \(h_k (t)\) è la risposta all’impulso filtrata per la k-esima banda portante di rumore e dove \(f_m\) è la m-esima frequenza di modulazione.

Gli elementi della matrice di riduzione della modulazione MTF calcolati dall’equazione precendente non tengono conto dell’effetto del rapporto segnale/rumore, per cui devono essere corretti tramite la relazione:

Dove \(SNR_k\) è il rapporto segnale/rumore in dB della k-esima banda di analisi.

Il vantaggio del metodo indiretto è che con tre sole misurazioni, contro le 98 misurazioni necessarie per il metodo diretto, è possibile calcolare l’indice STI.

Il concetto di risposta all’impulso è valido solo per sistemi di tipo Lineari e Tempo Invarianti LTI, questo ha dirette implicazioni sull’applicabilità del metodo indiretto, tra cui l’assenza di distorsioni e la tempo-invarianza del contesto di misura.

In particolare lo standard tra l’altro raccomanda di bypassare eventuali funzioni di processamento non-lineare, come compressori, nella catena di misurazione e di effettuare misurazioni con condizioni ambientali stabili (vento inferiore ai 4 m/s).

Esistono situazioni però dove il metodo indiretto non è applicabile, e come detto il metodo diretto dello STI è troppo complesso da utilizzare. Sono state sviluppate dunque delle semplificazioni del metodo diretto che utilizzano per il calcolo dello STI solo un sottoinsieme delle 98 combinazioni portante/modulante.

Tra questi assume notevole importanza lo STIPA (acronimo per Speech Transmission Index for Public Address systems) che è definito come un sottoinsieme dello STI comunque sensibile alle distorsioni tipiche degli ambienti e/o dei sistemi di rinforzo elettroacustico.

La particolarità dello STIPA è che la scelta delle frequenze di modulazione e dell’indice di modulazione per ciascuna portante fa si che sia possibile sovrapporre tutte e 7 le portanti modulate in un unico segnale con la possibilità di filtrare il segnale in uscita al sistema e demodulare ciascuna banda in parallelo. Questo rende possibile la stima dell’indice STIPA attraverso il metodo diretto con una sola misurazione della durata di circa 20 secondi contro le 98 misurazioni richieste dallo STI completo.

Lo standard definisce degli intervalli di qualifica per i livelli di STI ottenuti riportati nella figura seguente:

Nella norma IEC viene riportato inoltre in forma tabellare il valore tipico dell’indice di STI per diverse applicazioni, i valori sono riportati come riferimento in figura seguente:

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