基于音頻均衡器的語言清晰度測試聲源設(shè)計

張歡歡，洪小峰，闞雪珍，吳郁夫，張靜

（杭州愛華儀器有限公司，浙江杭州 311122）

隨著我國城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，促使了大型廳堂建筑（如體育館、購物中心、音樂廳、車站等）的數(shù)量不斷增加。但這些大型建筑，往往注重外觀造型，卻忽略了建筑聲學(xué)的設(shè)計[1]。聲音在傳播過程中會受到傳播路徑中混響、環(huán)境噪聲等因素的影響，使得語言清晰度降低，導(dǎo)致聽眾無法聽清演講者的語音信號[2]。在大型廳堂的逃生系統(tǒng)中，如果語言清晰度過低，可能導(dǎo)致人們無法安全逃離，產(chǎn)生無法預(yù)料的后果[3]。常用的語言清晰度評價方法有主觀評價和客觀評價兩種[4]。主觀評價是利用發(fā)音人和聽音人組成的隊(duì)伍，以一定的語言聲級和語速，現(xiàn)場測聽，然后加以統(tǒng)計分析[5]，需要較多的人力物力，且測量結(jié)果存在一定的不確定性，難以成為廳堂語言清晰度的測試標(biāo)準(zhǔn)；客觀評價是利用儀器設(shè)備對一些指數(shù)進(jìn)行測量[6]，如清晰度指數(shù)AI、語言可懂度SI、語言傳輸指數(shù)STI[7]、房間聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI[8]、擴(kuò)聲系統(tǒng)語言傳輸指數(shù)STIPA[9]等。其中，擴(kuò)聲系統(tǒng)語言傳輸指數(shù)STIPA 因其測試方便、快捷，逐漸成為廳堂語言清晰度測量的主要方法[10]。

針對STIPA 測試的需求，該文設(shè)計了一種測試聲源，其模擬人頭大小，放在麥克風(fēng)前演講者頭部所在的位置。該聲源經(jīng)過校準(zhǔn)后，可以實(shí)現(xiàn)在100 Hz～10 kHz 揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)的平坦度在±1 dB 內(nèi)。該聲源播放STIPA 信號，配以專用STI 分析儀（如安裝STI 分析軟件的AWA6292 型聲級計），可以精確測量語言傳輸指數(shù)，以實(shí)現(xiàn)廳堂場所的語音清晰度指標(biāo)檢測。

1 硬件電路設(shè)計

該文的主要目的是設(shè)計一個控制器，使得普通揚(yáng)聲器的頻響由±20 dB 以上優(yōu)化到±1 dB。測試聲源的組成框圖如圖1 所示。

圖1 測試聲源組成框圖

控制器單元由電源模塊、MCU 模塊、存儲模塊、音頻處理模塊、交互模塊組成。

1）電源模塊含有可充電的12 V 聚合物鋰電池，為整個電路系統(tǒng)提供電源，另外還有DC-DC 以及LDO 電路，產(chǎn)生3.3 V、±15 V 以及±12 V 電源。設(shè)計時，產(chǎn)生兩路3.3 V 信號，分別為數(shù)字電路和模擬電路供電。線輸入和線輸出采用OPA1602 構(gòu)建差分運(yùn)算放大器電路，由±12 V 供電；功率放大電路用于驅(qū)動8 Ω，15 W 的揚(yáng)聲器單元發(fā)聲，采用TDA2030L，由±15 V 電源供電。

2）MCU 模塊的 主控為STM32H743，內(nèi)核為Cortex-M7，主頻為400 MHz，支持雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，具備較高的性能，是整個系統(tǒng)控制的核心，主要功能有信息交互、系統(tǒng)功能控制、音頻文件讀取與播放以及音頻信號的均衡處理等，同時，MCU 內(nèi)部Flash 作為存儲器存儲校準(zhǔn)參數(shù)。

3）存儲模塊提供SD 卡接入功能，控制器可播放SD卡內(nèi)的WAV文件，WAV文件的采樣率為44.1 kHz，位數(shù)為16 bit，用于語言清晰度測試的STIPA信號存于SD卡內(nèi)，采用外置SD卡的方式，用戶可以依照指定的格式，添加自己需要的信號，增加了擴(kuò)展性和適用性。

4）音頻處理模塊包含音頻編解碼電路、信號選擇電路、功率放大電路，信號由MCU 模塊從SD 卡內(nèi)讀取，由音頻編解碼電路輸出至信號選擇電路，再經(jīng)過功率放大電路將信號輸出至揚(yáng)聲器單元，產(chǎn)生聲信號。該文采用音頻編解碼器WM8978，包含ADC和DAC 兩種模塊。MCU 通過I2C 總線向WM8978 寫入寄存器參數(shù)，設(shè)置采樣率、數(shù)據(jù)格式等，設(shè)置好之后，WM8978 通過I2S 接口與MCU 傳遞數(shù)據(jù)。信號選擇電路用于選擇信號輸入、輸出的通路，該文設(shè)計的測試聲源可選擇SD 卡輸入、線輸入以及揚(yáng)聲器輸出、線輸出，經(jīng)過揚(yáng)聲器輸出的信號，均經(jīng)過了音頻均衡器的處理。

5）交互模塊包含按鍵及狀態(tài)指示燈電路、OLED顯示屏等，便于用戶操作。按鍵用于輸入方式和輸出方式的選擇；指示燈用于指示當(dāng)前聲源的工作狀態(tài)；OLED 顯示屏用于顯示當(dāng)前聲源的音軌以及播放音頻文件的名稱；

6）除以上幾個電路模塊之外，儀器設(shè)置有USB轉(zhuǎn)串口的通信電路，用于出廠校準(zhǔn)時，并與測量放大器進(jìn)行通信。

揚(yáng)聲器單元作為聲信號輸出的執(zhí)行部件，其大小為4 寸，紙盆直徑為100 mm，功率為15 W，阻抗為8 Ω。該單元由音頻處理模塊的功率放大電路進(jìn)行驅(qū)動，將控制器單元從SD 卡讀取或線輸入的電信號轉(zhuǎn)化為聲信號。

2 軟件設(shè)計

2.1 音頻均衡器設(shè)計

音頻均衡器是一種數(shù)字濾波器[11]，主要用于對音效的調(diào)節(jié)，可以改善系統(tǒng)的頻率響應(yīng)、聲場頻率傳輸以及降低噪聲等。音頻濾波器的實(shí)現(xiàn)方法有很多，都是由各種濾波器疊加而成[12-14]。該文設(shè)計音頻均衡器時，將可聽音范圍（20 Hz～20 kHz）分為31 個頻率段，在對信號進(jìn)行帶通濾波之后，分別對每一段進(jìn)行IIR 峰值濾波處理。帶通濾波器濾除低頻和高頻噪聲，頻率范圍為100 Hz～10 kHz。峰值濾波器可以實(shí)現(xiàn)對中心頻率點(diǎn)的增益進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器頻響的目的。峰值濾波器有增益、帶寬、中心頻率三個最為直觀的指標(biāo)，其設(shè)計過程如下：

1）IIR 雙二階濾波器的傳遞函數(shù)如下[15-16]：

將其進(jìn)行歸一化處理并展開到時域，可得：

設(shè)計數(shù)字濾波器只需給定式（2）中的五個濾波系數(shù)即可。

2）峰值濾波器的傳遞函數(shù)為：

其中，A(z)為二階全通濾波器。

3）二階全通濾波器的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)信號放大時，有：

當(dāng)信號衰減時，有：

其中，V0為放大倍數(shù)，f0為中心頻率，fs為采樣頻率，bw為帶寬。

4）根據(jù)以上計算可知，峰值濾波器的濾波系數(shù)為：

根據(jù)式（9）～（13），可以計算出峰值濾波器的差分方程。通過以上峰值濾波器再另外配合帶通濾波器，便可實(shí)現(xiàn)均衡器的效果。

2.2 軟件控制流程

軟件控制組成框圖如圖2 所示。軟件包含硬件初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)播放、平坦度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲、按鍵與指示燈、串口通信、OLED顯示等幾個模塊。

圖2 軟件控制組成框圖

1）硬件初始化模塊用于初始化MCU 的外設(shè)及硬件電路部分器件的驅(qū)動。

2）數(shù)據(jù)采集模塊用于采集線輸入接口的信號或者獲取SD 卡內(nèi)WAV 文件的數(shù)據(jù)流。

3）數(shù)據(jù)播放模塊用于播放線輸入的信號或者選定的SD 卡內(nèi)的WAV 文件存儲的信號，信號可以通過線輸出或者揚(yáng)聲器輸出。

4）平坦度調(diào)節(jié)模塊主要用于對采集信號的數(shù)據(jù)流進(jìn)行音頻均衡器處理，揚(yáng)聲器輸出的聲信號均經(jīng)過該模塊進(jìn)行處理。

5）數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲各中心頻率點(diǎn)的校準(zhǔn)值，每臺聲源在出廠時，均要通過定制的測量放大器進(jìn)行自動校準(zhǔn)。

6）按鍵與指示燈模塊便于用戶交互，按鍵用于設(shè)置輸入和輸出方式，指示燈用于指示測試聲源當(dāng)前的工作狀態(tài)；

7）串口通信模塊用于與定制測量放大器的通訊，實(shí)現(xiàn)聲壓級的自動校準(zhǔn)。

8）OLED 顯示模塊用于顯示當(dāng)前的音軌以及WAV 文件的名稱，當(dāng)音軌為0 時，表示當(dāng)前輸入方式為線輸入。

STIPA 信號的播放流程圖如圖3 所示。儀器開機(jī)后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，讀取存儲模塊中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并對儀器的電池電量進(jìn)行采集和顯示。指示燈指示當(dāng)前的工作狀態(tài)。用戶通過按鍵，選擇SD卡內(nèi)存儲STIPA 信號的WAV 文件，在OLED 顯示屏中顯示文件的名稱。選定WAV 文件之后，MCU 解析WAV 文件并獲取數(shù)據(jù)流，然后對數(shù)據(jù)流進(jìn)行音頻均衡器處理，處理完成后將數(shù)據(jù)通過I2S 接口傳輸至WM8978 的DAC 模塊，從而將STIPA 信號播放出來。

圖3 STIPA信號播放流程圖

3 頻響校準(zhǔn)方法

測試聲源在設(shè)計完成后，需要對每臺儀器進(jìn)行頻響的自動校準(zhǔn)，以改善揚(yáng)聲器的頻響。揚(yáng)聲器的校準(zhǔn)采用自動非人工的校準(zhǔn)目的在于：1）整個校準(zhǔn)過程為減少干擾，需要在消聲室內(nèi)進(jìn)行，采用自動校準(zhǔn)可以減少人力和物力，增加可操作性；2）人為校準(zhǔn)，容易帶來主觀誤差，影響揚(yáng)聲器校準(zhǔn)的效果。自動校準(zhǔn)采用杭州愛華儀器有限公司研發(fā)的AWA5812 型測量放大器，該測量放大器具有電壓測量、SPL 測量、1/1 倍頻程濾波器和1/3 倍頻程濾波器的測量等功能。在消聲室內(nèi)搭建的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖4 所示。

自動校準(zhǔn)的流程如下：

1）將AWA14604 型前置放大器和AWA14425 型自由場傳聲器連接至AWA5812 型測量放大器的通道1，使用SPL 測量模式，利用AWA6221A 型聲校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)整測量放大器通道1 的靈敏度級別，將Z 計權(quán)聲壓級校準(zhǔn)至94 dB。

2）將AWA14425 型自由場傳聲器對準(zhǔn)測試聲源揚(yáng)聲器的中心位置，距離其中心1 m 水平對齊。

3）使用mini-USB 轉(zhuǎn)RS232 設(shè)備線，分別連接至測試聲源的mini-USB 口和AWA5812 的RS232 接口，設(shè)置測試聲源為揚(yáng)聲器輸出模式[17]。

4）將AWA5812 設(shè)置為1/3OCT、通道1、Z 計權(quán)、前置輸入、極化電壓0 V 模式。

5）將測試聲源開機(jī)，并進(jìn)入自動校準(zhǔn)功能，關(guān)閉消聲室等待自動校準(zhǔn)結(jié)束。自動校準(zhǔn)結(jié)束后，測試聲源將校準(zhǔn)后的參數(shù)存儲于MCU 的Flash 中，自動校準(zhǔn)完成后，在AWA5812 的1/3OCT 分析儀的圖示界面可以看到揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)，如圖5 所示。

圖5 自動校準(zhǔn)完成后揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)

4 試驗(yàn)結(jié)果

將測試聲源依照圖4 進(jìn)行連接，并設(shè)置為線輸入、揚(yáng)聲器輸出模式。將AWA1651 型信號發(fā)生器接入測試聲源的線輸入接口，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的頻率為1 kHz，然后調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出幅度，使得揚(yáng)聲器輸出聲信號聲壓級約為70 dB。保持信號發(fā)生器輸出幅度不變，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的頻率，分別記錄自動校準(zhǔn)前后100 Hz～10 kHz 頻率范圍內(nèi)1/3 倍頻程中心頻率點(diǎn)處的聲壓級。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，繪制了校準(zhǔn)前后揚(yáng)聲器頻響的對比曲線，如圖6 所示。可以看出，校準(zhǔn)之后揚(yáng)聲器的頻響得到了很大的改善，在100 Hz～10 kHz 頻率范圍，其頻響平坦度可以達(dá)到±1 dB。

圖6 揚(yáng)聲器平坦度調(diào)節(jié)前后的頻響曲線

5 結(jié)論

該文設(shè)計了一款測試聲源，其尺寸與人類頭部相似，完成了硬件電路、均衡器算法程序以及控制程序設(shè)計，利用帶通濾波器和31 段音頻均衡器等數(shù)字信號處理技術(shù)，有效改善了揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)。利用該聲源播放STIPA 信號，配以專用的STI 分析儀，可以精確測量語言傳輸指數(shù)，操作簡便，可廣泛應(yīng)用于車站、機(jī)場、購物中心等場所的疏散逃生系統(tǒng)，以及會議廳、音樂廳、體育場館等建筑的公共廣播系統(tǒng)的語言傳輸指數(shù)測量。