基于音频均衡器的语言清晰度测试声源设计

张欢欢，洪小峰，阚雪珍，吴郁夫，张静

（杭州爱华仪器有限公司，浙江杭州 311122）

随着我国城镇化的推进，促使了大型厅堂建筑（如体育馆、购物中心、音乐厅、车站等）的数量不断增加。但这些大型建筑，往往注重外观造型，却忽略了建筑声学的设计[1]。声音在传播过程中会受到传播路径中混响、环境噪声等因素的影响，使得语言清晰度降低，导致听众无法听清演讲者的语音信号[2]。在大型厅堂的逃生系统中，如果语言清晰度过低，可能导致人们无法安全逃离，产生无法预料的后果[3]。常用的语言清晰度评价方法有主观评价和客观评价两种[4]。主观评价是利用发音人和听音人组成的队伍，以一定的语言声级和语速，现场测听，然后加以统计分析[5]，需要较多的人力物力，且测量结果存在一定的不确定性，难以成为厅堂语言清晰度的测试标准；客观评价是利用仪器设备对一些指数进行测量[6]，如清晰度指数AI、语言可懂度SI、语言传输指数STI[7]、房间声学语言传输指数RASTI[8]、扩声系统语言传输指数STIPA[9]等。其中，扩声系统语言传输指数STIPA 因其测试方便、快捷，逐渐成为厅堂语言清晰度测量的主要方法[10]。

针对STIPA 测试的需求，该文设计了一种测试声源，其模拟人头大小，放在麦克风前演讲者头部所在的位置。该声源经过校准后，可以实现在100 Hz～10 kHz 扬声器频率响应的平坦度在±1 dB 内。该声源播放STIPA 信号，配以专用STI 分析仪（如安装STI 分析软件的AWA6292 型声级计），可以精确测量语言传输指数，以实现厅堂场所的语音清晰度指标检测。

1 硬件电路设计

该文的主要目的是设计一个控制器，使得普通扬声器的频响由±20 dB 以上优化到±1 dB。测试声源的组成框图如图1 所示。

图1 测试声源组成框图

控制器单元由电源模块、MCU 模块、存储模块、音频处理模块、交互模块组成。

1）电源模块含有可充电的12 V 聚合物锂电池，为整个电路系统提供电源，另外还有DC-DC 以及LDO 电路，产生3.3 V、±15 V 以及±12 V 电源。设计时，产生两路3.3 V 信号，分别为数字电路和模拟电路供电。线输入和线输出采用OPA1602 构建差分运算放大器电路，由±12 V 供电；功率放大电路用于驱动8 Ω，15 W 的扬声器单元发声，采用TDA2030L，由±15 V 电源供电。

2）MCU 模块的 主控为STM32H743，内核为Cortex-M7，主频为400 MHz，支持双精度浮点运算，具备较高的性能，是整个系统控制的核心，主要功能有信息交互、系统功能控制、音频文件读取与播放以及音频信号的均衡处理等，同时，MCU 内部Flash 作为存储器存储校准参数。

3）存储模块提供SD 卡接入功能，控制器可播放SD卡内的WAV文件，WAV文件的采样率为44.1 kHz，位数为16 bit，用于语言清晰度测试的STIPA信号存于SD卡内，采用外置SD卡的方式，用户可以依照指定的格式，添加自己需要的信号，增加了扩展性和适用性。

4）音频处理模块包含音频编解码电路、信号选择电路、功率放大电路，信号由MCU 模块从SD 卡内读取，由音频编解码电路输出至信号选择电路，再经过功率放大电路将信号输出至扬声器单元，产生声信号。该文采用音频编解码器WM8978，包含ADC和DAC 两种模块。MCU 通过I2C 总线向WM8978 写入寄存器参数，设置采样率、数据格式等，设置好之后，WM8978 通过I2S 接口与MCU 传递数据。信号选择电路用于选择信号输入、输出的通路，该文设计的测试声源可选择SD 卡输入、线输入以及扬声器输出、线输出，经过扬声器输出的信号，均经过了音频均衡器的处理。

5）交互模块包含按键及状态指示灯电路、OLED显示屏等，便于用户操作。按键用于输入方式和输出方式的选择；指示灯用于指示当前声源的工作状态；OLED 显示屏用于显示当前声源的音轨以及播放音频文件的名称；

6）除以上几个电路模块之外，仪器设置有USB转串口的通信电路，用于出厂校准时，并与测量放大器进行通信。

扬声器单元作为声信号输出的执行部件，其大小为4 寸，纸盆直径为100 mm，功率为15 W，阻抗为8 Ω。该单元由音频处理模块的功率放大电路进行驱动，将控制器单元从SD 卡读取或线输入的电信号转化为声信号。

2 软件设计

2.1 音频均衡器设计

音频均衡器是一种数字滤波器[11]，主要用于对音效的调节，可以改善系统的频率响应、声场频率传输以及降低噪声等。音频滤波器的实现方法有很多，都是由各种滤波器叠加而成[12-14]。该文设计音频均衡器时，将可听音范围（20 Hz～20 kHz）分为31 个频率段，在对信号进行带通滤波之后，分别对每一段进行IIR 峰值滤波处理。带通滤波器滤除低频和高频噪声，频率范围为100 Hz～10 kHz。峰值滤波器可以实现对中心频率点的增益进行调整，以实现调节扬声器频响的目的。峰值滤波器有增益、带宽、中心频率三个最为直观的指标，其设计过程如下：

1）IIR 双二阶滤波器的传递函数如下[15-16]：

将其进行归一化处理并展开到时域，可得：

设计数字滤波器只需给定式（2）中的五个滤波系数即可。

2）峰值滤波器的传递函数为：

其中，A(z)为二阶全通滤波器。

3）二阶全通滤波器的传递函数为：

当信号放大时，有：

当信号衰减时，有：

其中，V0为放大倍数，f0为中心频率，fs为采样频率，bw为带宽。

4）根据以上计算可知，峰值滤波器的滤波系数为：

根据式（9）～（13），可以计算出峰值滤波器的差分方程。通过以上峰值滤波器再另外配合带通滤波器，便可实现均衡器的效果。

2.2 软件控制流程

软件控制组成框图如图2 所示。软件包含硬件初始化、数据采集、数据播放、平坦度调节、数据存储、按键与指示灯、串口通信、OLED显示等几个模块。

图2 软件控制组成框图

1）硬件初始化模块用于初始化MCU 的外设及硬件电路部分器件的驱动。

2）数据采集模块用于采集线输入接口的信号或者获取SD 卡内WAV 文件的数据流。

3）数据播放模块用于播放线输入的信号或者选定的SD 卡内的WAV 文件存储的信号，信号可以通过线输出或者扬声器输出。

4）平坦度调节模块主要用于对采集信号的数据流进行音频均衡器处理，扬声器输出的声信号均经过该模块进行处理。

5）数据存储模块用于存储各中心频率点的校准值，每台声源在出厂时，均要通过定制的测量放大器进行自动校准。

6）按键与指示灯模块便于用户交互，按键用于设置输入和输出方式，指示灯用于指示测试声源当前的工作状态；

7）串口通信模块用于与定制测量放大器的通讯，实现声压级的自动校准。

8）OLED 显示模块用于显示当前的音轨以及WAV 文件的名称，当音轨为0 时，表示当前输入方式为线输入。

STIPA 信号的播放流程图如图3 所示。仪器开机后首先对系统进行初始化，读取存储模块中的校准数据，并对仪器的电池电量进行采集和显示。指示灯指示当前的工作状态。用户通过按键，选择SD卡内存储STIPA 信号的WAV 文件，在OLED 显示屏中显示文件的名称。选定WAV 文件之后，MCU 解析WAV 文件并获取数据流，然后对数据流进行音频均衡器处理，处理完成后将数据通过I2S 接口传输至WM8978 的DAC 模块，从而将STIPA 信号播放出来。

图3 STIPA信号播放流程图

3 频响校准方法

测试声源在设计完成后，需要对每台仪器进行频响的自动校准，以改善扬声器的频响。扬声器的校准采用自动非人工的校准目的在于：1）整个校准过程为减少干扰，需要在消声室内进行，采用自动校准可以减少人力和物力，增加可操作性；2）人为校准，容易带来主观误差，影响扬声器校准的效果。自动校准采用杭州爱华仪器有限公司研发的AWA5812 型测量放大器，该测量放大器具有电压测量、SPL 测量、1/1 倍频程滤波器和1/3 倍频程滤波器的测量等功能。在消声室内搭建的自动校准系统如图4 所示。

自动校准的流程如下：

1）将AWA14604 型前置放大器和AWA14425 型自由场传声器连接至AWA5812 型测量放大器的通道1，使用SPL 测量模式，利用AWA6221A 型声校准器进行校准，调整测量放大器通道1 的灵敏度级别，将Z 计权声压级校准至94 dB。

2）将AWA14425 型自由场传声器对准测试声源扬声器的中心位置，距离其中心1 m 水平对齐。

3）使用mini-USB 转RS232 设备线，分别连接至测试声源的mini-USB 口和AWA5812 的RS232 接口，设置测试声源为扬声器输出模式[17]。

4）将AWA5812 设置为1/3OCT、通道1、Z 计权、前置输入、极化电压0 V 模式。

5）将测试声源开机，并进入自动校准功能，关闭消声室等待自动校准结束。自动校准结束后，测试声源将校准后的参数存储于MCU 的Flash 中，自动校准完成后，在AWA5812 的1/3OCT 分析仪的图示界面可以看到扬声器的频率响应，如图5 所示。

图5 自动校准完成后扬声器的频率响应

4 试验结果

将测试声源依照图4 进行连接，并设置为线输入、扬声器输出模式。将AWA1651 型信号发生器接入测试声源的线输入接口，调节信号发生器输出信号的频率为1 kHz，然后调节信号发生器的输出幅度，使得扬声器输出声信号声压级约为70 dB。保持信号发生器输出幅度不变，调节信号发生器输出信号的频率，分别记录自动校准前后100 Hz～10 kHz 频率范围内1/3 倍频程中心频率点处的声压级。根据记录的数据，绘制了校准前后扬声器频响的对比曲线，如图6 所示。可以看出，校准之后扬声器的频响得到了很大的改善，在100 Hz～10 kHz 频率范围，其频响平坦度可以达到±1 dB。

图6 扬声器平坦度调节前后的频响曲线

5 结论

该文设计了一款测试声源，其尺寸与人类头部相似，完成了硬件电路、均衡器算法程序以及控制程序设计，利用带通滤波器和31 段音频均衡器等数字信号处理技术，有效改善了扬声器的频率响应。利用该声源播放STIPA 信号，配以专用的STI 分析仪，可以精确测量语言传输指数，操作简便，可广泛应用于车站、机场、购物中心等场所的疏散逃生系统，以及会议厅、音乐厅、体育场馆等建筑的公共广播系统的语言传输指数测量。