A comparative study of speech intelligibility metrics and the derivation of optimum reverberation time and maximum background-noise level for classrooms

A comparative study of speech intelligibility metrics that take into account sound refections in the room and the background noise has been developed based on the assumption of a d iffuse sound field in the room Under this assumption the room reverberant response results in an exponential decay with a damping constant inversely proportional to the reverberation time. This allows analytical formulas to be obtained for each of the speech intelligibility metrics considered in this study, and provides a common basis for this comparative study. These formulas were applied to three sizes of a rectangular shaped classroom, inside which the sound source was a human voice without amplification. The background noise was taken into account in these formulas by a noise-to-signal ratio written in terms of the noise level and the vocaloutput level at 1 meter in front of the talker. Correlation between the metrics and speechintelligibility obtained by the respective authors, using different types of articulation testing material, are also presented and applied to the classrooms under study. Relationships between some of the speech intelligibility metrics were also established. It was then possible to verify that for each noise-to-signal ratio, the value of each speech intelligibility metric is maximized for a specific reverberation time, which was considered to be the optimum reverberation time. It was found that for very quiet classrooms, the optimum reverberation time predicted by all the speech intelligibility metrics is 0.1 - 0.3 s. Where there is more ambient noise, optimum reverberation times are larger. The range of reverberation times for 100 % speech intelligibility was found to vary somewhat among the dzfferent speech intelligibility metrics. This is due to different articulation tests used, and also due to a rather arbitrary way of establishing cut-off values forthe metrics that use a subjective speech intelligibility scale. However it is possible to obtain 100% speech intelligibility with reverberation times of at least 0.4 - 0.5 s, and these reverberation times may be preferable in rooms with moderate ambient noise levels. For some metrics the reverberation time can be even higher, while still giving 100% speech intelligibility. The present study suggests an "ideal" and an "acceptable" maximum background-noise level for classrooms of 25 dB and 20 dB respectively below the voice level at 1 meter in front of the talker.On a mis au point une \ue9tude comparative sur les param\ue8tres de mesure de l?intelligibilit\ue9 de la parole qui prend en compte les r\ue9flexions sonores dans la pi\ue8ce ainsi que le bruit de fond, \ue9tude fond\ue9e sur la pr\ue9sence hypoth\ue9tique d?un champ acoustique diffus dans la pi\ue8ce. Selon cette hypoth\ue8se, la r\ue9ponse r\ue9verb\ue9rante de la pi\ue8ce a pour r\ue9sultat une d\ue9croissance exponentielle avec une constante d?amortissement sonore qui est inversement proportionnelle au temps de r\ue9verb\ue9ration. Ceci permet d?obtenir des formules analytiques pour chacun des param\ue8tres de mesure de l?intelligibilit\ue9 de la parole qui sont pris en compte dans cette \ue9tude, et fournit des modalit\ue9s communes aux fins de cette \ue9tude comparative. Ces formules ont \ue9t\ue9 appliqu\ue9es \ue0 trois (3) dimensions d?une salle de classe de forme rectangulaire, \ue0 l?int\ue9rieur de laquelle la source sonore \ue9tait une voix humaine sans aucune forme d?amplification. Le bruit de fond a \ue9t\ue9 pris en compte dans ces formules par un rapport signal/bruit enregistr\ue9 comme niveau de bruit relativement au niveau de sortie du signal vocal \ue0 1 m devant son \ue9metteur. On pr\ue9sente \ue9galement les corr\ue9lations entre les param\ue8tres de mesure et l?intelligibilit\ue9 de la parole qui ont \ue9t\ue9 d\ue9gag\ue9es respectivement par les auteurs, en utilisant diff\ue9rents types de mat\ue9riaux d?essai d?articulation, et on les applique aux salles de classe \ue0 l?\ue9tude. Des liens entre certains des param\ue8tres de mesure de l?intelligibilit\ue9, en outre, ont \ue9t\ue9 \ue9tablis. Ainsi, il s?est av\ue9r\ue9 possible de v\ue9rifier que pour chaque rapport signal/bruit, la valeur de chaque mesure de l?intelligibilit\ue9 est maximalis\ue9e pour un temps de r\ue9verb\ue9ration pr\ue9cis, lequel a \ue9t\ue9 consid\ue9r\ue9 comme \ue9tant le temps de r\ue9verb\ue9ration optimal. Il en ressort que, dans le cas des salles de classe tr\ue8s silencieuses, le temps de r\ue9verb\ue9ration optimal pr\ue9dit par tous les param\ue8tres de mesure est de 0,1 \ue0 0,3 s. Dans les cas o\uf9 il y a plus de bruit ambiant, les temps de r\ue9verb\ue9ration optimaux sont plus importants. Nous avons d\ue9couvert que la gamme de temps de r\ue9verb\ue9ration pour une intelligibilit\ue9 de 100 % variait quelque peu parmi les diff\ue9rents param\ue8tres. Ce ph\ue9nom\ue8ne est attribuable aux diff\ue9rents essais d?articulation qui sont utilis\ue9s et, \ue9galement, \ue0 l?\ue9tablissement plut\uf4t arbitraire des valeurs de coupure pour les param\ue8tres qui demandent une \ue9chelle subjective d?\ue9valuation. Toutefois, il est possible de parvenir \ue0 une intelligibilit\ue9 de 100 % avec des dur\ue9es de r\ue9verb\ue9ration d?au moins 0,4 \ue0 0,5 s, et ces dur\ue9es peuvent \ueatre pr\ue9f\ue9rables dans les pi\ue8ces aux niveaux de bruit ambiants mod\ue9r\ue9s. Pour certains param\ue8tres, le temps de r\ue9verb\ue9ration peut \ueatre m\ueame sup\ue9rieur, tout en procurant une intelligibilit\ue9 de 100 %. La pr\ue9sente \ue9tude sugg\ue8re l?existence d?un niveau de bruit de fond maximum \uab id\ue9al \ubb et d?un niveau de bruit de fond maximum \uab acceptable \ubb pour les salles de classe, qui seraient respectivement de 25 dB et de 20 dB sous le niveau sonore de la voix tel qu?enregistr\ue9 \ue0 1 m devant son \ue9metteur.Peer reviewed: NoNRC publication: Ye