噪声回放系统的研究与运用

引言

随着人们的生活品质提高，对于音频产品的要求也越来越高。在乘坐飞机、火车时，为了获得安静的休息空间，人们通常会选用带ANC降噪的耳机，减小耳道内的噪声干扰。在进行通话的时候，需要突出主讲方的话语声，周围的环境噪声也要被过滤掉，因此通讯设备必须具备ENC算法。再或者是人们需要在嘈杂的环境下使用智能语音交互设备，比如开着电视的时候想让自己的智能音箱播报时间， 如果不对麦克风收到的声音信号做过滤处理，智能设备可能无法被唤醒，或者被误唤醒。

因此，在音频领域，对噪声的处理已经变得越来越重要。音频工程师在调试噪声处理算法的时候，如果去户外进行调试，户外的噪声环境多变，调试完成后并不能准确的复现前一次的场景。因此怎样在实验室环境下，真实复现实际环境中不同场景下的背景噪声，就显得非常必要。

1 噪声回放系统的运用

噪声回放系统主要运用在于需要在特定的声场环境中复现出多种不同的实景噪声，给声学算法研发提供一个稳定可控的测试环境[1]。目前噪声回放系统主要运用在三个领域：隔音降噪测试、通话降噪测试、语音识别测试。

1.1隔声降噪测试

     隔声降噪的作用，是让人能尽可能的听不到外界的噪声。如乘坐飞机、火车等交通工具的时候，人们需要一个安静的环境休息，或者在安静的环境下享受一些音乐，耳机隔声降噪便能在这样的情境下起到很大的作用。再或者车内需要一个安静的环境，不能被路噪干扰太多。

隔声降噪分为两部分，物理降噪和算法降噪。物理降噪是靠物体本身，如耳机的耳塞部分，车的整体密封性，都能起到一定的降噪作用。低频的声音绕射能力强，高频的声音绕射能力弱，因此物理降噪针对高频有良好的降噪效果。针对低频噪声，一般采用ANC降噪，也就是反相波抵消的方式降噪。扬声器播放与外界噪声同幅反相的声波，使其与噪声叠加抵消。而高频很难适用。根据公式

              T= 1/f  （1）

100Hz的声音传过自身波长的时间是10ms，5000Hz的声音传过自身波长的时间是0.2ms，算法的适配时间很难做到这么低，因此高频很难使用ANC降噪。

在实验室中，我们实际采用实际录制的环境噪声，在消声室中进行噪声回放，测试Airpods Pro的降噪曲线。

1.2 通话降噪测试

     在通讯过程中，背景噪声传输质量是影响语音感知整体质量的一个重要因素。 通话降噪一般采用多mic降噪，利用波束成型的算法，针对人嘴方向作为主要收音方向，其余方向的声音被作为环境噪声。利用wiener filter等滤波器进行噪声的剔除。

测试采用ETSI 103 106标准，在消声室中进行回放标准的场景噪声，同时人工头说标准的语音。分析麦克风采集到的声音，传输背景噪声不能太大，并且时域与频域都要平稳为佳。人嘴的语音要完整清晰，不能有过多衰减。测试结果为mos值评定。Nmos评估对噪声的抑制能力，Smos评估对语音的还原能力。测试值从1～5分进行打分，分数越高代表能力越佳。

1.3 语音识别测试

     语音识别与通讯降噪类似，需要在噪声+与语音的环境中识别语音剔除噪声，并且进行识别。在有混响的听音室中进行噪声回放，模拟家庭/户外的环境噪声，测试智能设备在噪声下的唤醒率、识别率、误唤醒率。

2 噪声回放系统的硬件架构

2.1 原始声场录音设备

     噪声回放系统的录音通常需要模拟人耳的听感，使回放后的声音与原始噪声场的听感完全相同。录音采用能代表多数人头模型的头肩模拟器[5]，头肩模拟器应满足ITU-T P.58的标准。人工头垂直头部截面尺寸如图2所示，耳廓的设计需满足ITU-T P.57的标准要求，耳廓的平面与截面。

2.2  测试声场要求

     噪声回放系统需要在特定的房间中进行搭建，房间要求如下：

·房间尺寸: 房间尺寸需要在 2.5 m×3m 到 3.5 m×4m 之间。房间高度在2.2m 到 2.5m 之间。

·在200Hz-8kHz之间，房间混响时间小于0.7s。

·房间的本底噪声小于30 dB (A)。

2.3 背景噪声回放设备

     四个高保真扬声器，扬声器功率在100 W以上，灵敏度至少80dB(1 W/1m),频响曲线至少在120Hz-20kHz的区间范围内波动不超过±3dB。

·低音炮，提供20Hz~200Hz的低频声音。

·国际标准人工头（同2.1）。

·高品质功放。

·高品质声卡（能进行EQ调试）。

·测量分析系统（如 HBK LAN-XI 3160-A042）。

3 噪声回放系统搭建流程

3.1 声场还原技术要求

     声场的还原应做到人在声场中心的听感与在实际场景中的听感没有太大区别。在数据上表现为原始声场与模拟声场平均的声压级的大小差异应在±1dB之内，频域曲线对比每个频域点差值在±3dB之内。

3.2 声场布置

扬声器的布置应是按照矩形摆放，如图5所示。人工头放在声场的正中心位置，四个扬声器按照矩形放在人头的四个角上，距离为两米，但是不要放置在房间的四个角上。如果房间是一个非矩形的形状，音箱不按照严格的矩形摆放，稍不对称是可取的。高质量的扬声器应与理想的频率响应相差9dB之内，过于强烈的滤波器需求，通常会导致不稳定的声场。在全消声室中，稍微的不对成摆放可以减轻comb filter由于对称所造成的干扰。四个扬声器的高度基本相同，低音炮的摆放方式不重要，由于低频的强穿透效果，低音炮可以摆放在除了房间角落之外的任何区域。

4总结

     本文围绕在实验室环境中实现背景噪声声场还原的需求，提出了背景噪声回放系统的搭建技术要求和实现手段，重点分析了声场滤波均衡的过程，实现了在实验室中就可复现出外界环境噪声的期望，为音频算法的研发提供了极大的便利。

     未来，该系统可搭配语音识别系统使用。并且可增加通道数，将音箱数量扩大到8个甚至更多，形成环绕的音箱矩阵，让模拟的声场具有更良好的方向感。人在声场中间闭眼倾听，仿佛身临其境，从声场感受出环境中的位移变换。该系统还可用于车载中，在高速行驶的车中使用多麦克风录音后，在实验室中还原出车在行驶时的噪声，可为车载降噪技术提供强有力的辅助。