基于音頻均衡器的語言清晰度測試聲源設計

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）

隨著我國城鎮化的推進，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，卻忽略了建筑聲學的設計[1]。聲音在傳播過程中會受到傳播路徑中混響、環境噪聲等因素的影響，使得語言清晰度降低，導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中，如果語言清晰度過低，可能導致人們無法安全逃離，產生無法預料的后果[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]。主觀評價是利用發音人和聽音人組成的隊伍，以一定的語言聲級和語速，現場測聽，然后加以統計分析[5]，需要較多的人力物力，且測量結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準；客觀評價是利用儀器設備對一些指數進行測量[6]，如清晰度指數AI、語言可懂度SI、語言傳輸指數STI[7]、房間聲學語言傳輸指數RASTI[8]、擴聲系統語言傳輸指數STIPA[9]等。其中，擴聲系統語言傳輸指數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，該文設計了一種測試聲源，其模擬人頭大小，放在麥克風前演講者頭部所在的位置。該聲源經過校準后，可以實現在100 Hz～10 kHz 揚聲器頻率響應的平坦度在±1 dB 內。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，以實現廳堂場所的語音清晰度指標檢測。

1 硬件電路設計

該文的主要目的是設計一個控制器，使得普通揚聲器的頻響由±20 dB 以上優化到±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，為整個電路系統提供電源，另外還有DC-DC 以及LDO 電路，產生3.3 V、±15 V 以及±12 V 電源。設計時，產生兩路3.3 V 信號，分別為數字電路和模擬電路供電。線輸入和線輸出采用OPA1602 構建差分運算放大器電路，由±12 V 供電；功率放大電路用于驅動8 Ω，15 W 的揚聲器單元發聲，采用TDA2030L，由±15 V 電源供電。

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

3）存儲模塊提供SD 卡接入功能，控制器可播放SD卡內的WAV文件，WAV文件的采樣率為44.1 kHz，位數為16 bit，用于語言清晰度測試的STIPA信號存于SD卡內，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 卡內讀取，由音頻編解碼電路輸出至信號選擇電路，再經過功率放大電路將信號輸出至揚聲器單元，產生聲信號。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，設置采樣率、數據格式等，設置好之后，WM8978 通過I2S 接口與MCU 傳遞數據。信號選擇電路用于選擇信號輸入、輸出的通路，該文設計的測試聲源可選擇SD 卡輸入、線輸入以及揚聲器輸出、線輸出，經過揚聲器輸出的信號，均經過了音頻均衡器的處理。

5）交互模塊包含按鍵及狀態指示燈電路、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；指示燈用于指示當前聲源的工作狀態；OLED 顯示屏用于顯示當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，儀器設置有USB轉串口的通信電路，用于出廠校準時，并與測量放大器進行通信。

揚聲器單元作為聲信號輸出的執行部件，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行驅動，將控制器單元從SD 卡讀取或線輸入的電信號轉化為聲信號。

2 軟件設計

2.1 音頻均衡器設計

音頻均衡器是一種數字濾波器[11]，主要用于對音效的調節，可以改善系統的頻率響應、聲場頻率傳輸以及降低噪聲等。音頻濾波器的實現方法有很多，都是由各種濾波器疊加而成[12-14]。該文設計音頻均衡器時，將可聽音范圍（20 Hz～20 kHz）分為31 個頻率段，在對信號進行帶通濾波之后，分別對每一段進行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。峰值濾波器可以實現對中心頻率點的增益進行調整，以實現調節揚聲器頻響的目的。峰值濾波器有增益、帶寬、中心頻率三個最為直觀的指標，其設計過程如下：

1）IIR 雙二階濾波器的傳遞函數如下[15-16]：

將其進行歸一化處理并展開到時域，可得：

設計數字濾波器只需給定式（2）中的五個濾波系數即可。

2）峰值濾波器的傳遞函數為：

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為：

當信號放大時，有：

當信號衰減時，有：

其中，V0為放大倍數，f0為中心頻率，fs為采樣頻率，bw為帶寬。

4）根據以上計算可知，峰值濾波器的濾波系數為：

根據式（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，便可實現均衡器的效果。

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、數據采集、數據播放、平坦度調節、數據存儲、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 的外設及硬件電路部分器件的驅動。

2）數據采集模塊用于采集線輸入接口的信號或者獲取SD 卡內WAV 文件的數據流。

3）數據播放模塊用于播放線輸入的信號或者選定的SD 卡內的WAV 文件存儲的信號，信號可以通過線輸出或者揚聲器輸出。

4）平坦度調節模塊主要用于對采集信號的數據流進行音頻均衡器處理，揚聲器輸出的聲信號均經過該模塊進行處理。

5）數據存儲模塊用于存儲各中心頻率點的校準值，每臺聲源在出廠時，均要通過定制的測量放大器進行自動校準。

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

7）串口通信模塊用于與定制測量放大器的通訊，實現聲壓級的自動校準。

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

STIPA 信號的播放流程圖如圖3 所示。儀器開機后首先對系統進行初始化，讀取存儲模塊中的校準數據，并對儀器的電池電量進行采集和顯示。指示燈指示當前的工作狀態。用戶通過按鍵，選擇SD卡內存儲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 文件并獲取數據流，然后對數據流進行音頻均衡器處理，處理完成后將數據通過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 頻響校準方法

測試聲源在設計完成后，需要對每臺儀器進行頻響的自動校準，以改善揚聲器的頻響。揚聲器的校準采用自動非人工的校準目的在于：1）整個校準過程為減少干擾，需要在消聲室內進行，采用自動校準可以減少人力和物力，增加可操作性；2）人為校準，容易帶來主觀誤差，影響揚聲器校準的效果。自動校準采用杭州愛華儀器有限公司研發的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。在消聲室內搭建的自動校準系統如圖4 所示。

自動校準的流程如下：

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 型聲校準器進行校準，調整測量放大器通道1 的靈敏度級別，將Z 計權聲壓級校準至94 dB。

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

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

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

5）將測試聲源開機，并進入自動校準功能，關閉消聲室等待自動校準結束。自動校準結束后，測試聲源將校準后的參數存儲于MCU 的Flash 中，自動校準完成后，在AWA5812 的1/3OCT 分析儀的圖示界面可以看到揚聲器的頻率響應，如圖5 所示。

圖5 自動校準完成后揚聲器的頻率響應

4 試驗結果

將測試聲源依照圖4 進行連接，并設置為線輸入、揚聲器輸出模式。將AWA1651 型信號發生器接入測試聲源的線輸入接口，調節信號發生器輸出信號的頻率為1 kHz，然后調節信號發生器的輸出幅度，使得揚聲器輸出聲信號聲壓級約為70 dB。保持信號發生器輸出幅度不變，調節信號發生器輸出信號的頻率，分別記錄自動校準前后100 Hz～10 kHz 頻率范圍內1/3 倍頻程中心頻率點處的聲壓級。根據記錄的數據，繪制了校準前后揚聲器頻響的對比曲線，如圖6 所示。可以看出，校準之后揚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到±1 dB。

圖6 揚聲器平坦度調節前后的頻響曲線

5 結論

該文設計了一款測試聲源，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計，利用帶通濾波器和31 段音頻均衡器等數字信號處理技術，有效改善了揚聲器的頻率響應。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，操作簡便，可廣泛應用于車站、機場、購物中心等場所的疏散逃生系統，以及會議廳、音樂廳、體育場館等建筑的公共廣播系統的語言傳輸指數測量。