傳聲器陣列在語音空調中的設計研究及應用

毛躍輝

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

語音是人類交流最自然、最便捷的方式，因而也必然成為人機交互最自然的手段之一。常規(guī)空調搭載傳聲器陣列、語音模組、音箱等器件，并組成語音控制系統(tǒng)，用于空調控制和人機交互，此類空調稱之為語音空調。語音空調人機交互技術包括前端聲學處理、語音識別（ASR）、語義理解（NLU）和語音合成（TTS）等，其中前端聲學處理尤為重要，是語音識別的先決條件。語音空調聲學處理主要包括前端聲學件（傳聲器陣列）設計及前端識別降噪處理（語音模組），聲學件設計的好壞，直接影響前端降噪效果，進而影響語音音頻轉文本效果。

本文重點論述前端聲學件傳聲器陣列的設計選型方法、布放位置及相關整機工程應用設計注意要點，便于后續(xù)指導相應語音產品開發(fā)。

2 語音空調聲學設計重要性

消費級傳聲器陣列應用，主要面臨環(huán)境噪聲、房間混響、人聲疊加、模型噪聲、陣列結構等問題，若應用到語音識別場景，需要考慮陣列結構與整機匹配、密封性，陣列與音箱的相對位置、空調內部振動，以及避免振動對傳聲器陣列干擾等問題。良好的聲學設計能保證傳聲器陣列采音質量，有利于降噪算法處理。

圖1 語音信號處理流程圖

前端信號處理流程如圖1所示，從圖中可知，傳聲器陣列聲學處理處于十分重要的位置，其采音效果好壞，直接影響信號處理中回聲以及混響消除結果；其次，音箱發(fā)聲時，信號通過空調內部腔體傳播后直接傳輸?shù)絺髀暺麝嚵刑?，其與通過外部傳輸?shù)膫鬏斣肼暣嬖陲@著差異，影響回聲消除效果；另外，空調內部振動傳聲，也會影響語音空調喚醒與識別效果，且很難通過后期信號處理算法進行消除，此點在設計時需做規(guī)避。

3 傳聲器陣列設計及對語音識別影響

空調中主要運動部件包括壓縮機、電機、導風板等，該部件在運轉過程中會產生各種機械振動及噪聲，空調上的傳聲器陣列在采集聲信號過程中，同時會采集這些干擾噪聲，將對信號處理、語音識別等過程帶來不利影響。為減弱這些干擾，需要綜合考慮傳聲器陣列拓撲結構設計、音箱布放位置對陣列影響、陣列與整機密封性匹配、內部振動影響陣列等多種因素。合理的聲學結構設計能有效改善陣列陣元采音質量，從源頭上降低噪聲干擾，從而降低降噪算法信號處理復雜度。

3.1 傳聲器陣列設計要點分析

陣列選型設計時需注意：

（1）避免大音量時語音失真和回采音箱音量時被截幅，傳聲器最大錄音聲壓需要相應提高。

（2）總諧波失真要盡量小，可參照工程經驗值：100 Hz～200 Hz，總諧波失真＜10%；200 Hz～350 Hz，總諧波失真＜5%；350 Hz以上，總諧波失真＜3%。

（3）傳聲器本身引入噪聲對信號質量有影響，必須保證高信噪比，一般選擇SNR≥67 dB。

（4）有效采樣比特位數(shù)優(yōu)先考慮選擇不小于16 bit陣元為宜。

（5）同一傳聲器陣列中選用的陣元均需采用同一檔位靈敏度及其公差，保證陣元電性能參數(shù)一致性。

（6）設計中要求拾音孔深度≤1.5 mm，拾音孔直徑盡可能大，最小要求2 mm；均勻線性陣列采用緊貼面板安裝方式，參照如圖2所示。

圖2 掛式空調線性陣列設計示意圖

（7）振動對傳聲器陣列陣元拾音影響。當音箱播放音量超出其線性發(fā)聲區(qū)域而引起結構上振動，或由于內部隔聲效果不佳導致振音由內部結構被陣列陣元采集，而不是通過外部聲學路徑傳輸，此時會導致傳聲器陣列采音質量明顯受到影響，對后續(xù)信號處理、語音識別等過程造成嚴重干擾。

以AEC處理為例，內部直接傳導振音強、弱對其處理效果影響是十分明顯的。如圖3、圖4所示，在同樣信號回聲比情形下，較強和較弱振動直接傳導的算法前后處理效果對比。從圖3分析，振動殘余會對AEC算法造成影響，有若干頻帶振動分量的明顯殘余（人耳聽會有明顯的刺拉聲），進而影響后端各項處理，此時，需要在結構設計時加以規(guī)避，圖4為經過減振優(yōu)化后效果。

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圖3 較強振動直接傳導AEC算法處理前后效果對比

圖4 較弱振動直接傳導AEC算法處理前后效果對比

對于振動的影響，采用膠套進行減振密封處理，一般采用硅材質，硅膠軟硬程度可根據(jù)實際結構契合度進行匹配調整，要求盡可能軟，便于起到良好的減振作用。

（8）陣列拓撲結構外聲音能以接近自由場方式直接到達每一個陣元，避免出現(xiàn)掩蔽效應。陣元外表面要充分透聲，不能有聲反射區(qū)形成，可用阻尼布等材料覆蓋表面設計，防水透聲同時可避免反射形成。

（9）陣列設計時要考慮陣元各拾音孔腔之間的獨立性，確保每個陣元孔腔是唯一進聲孔。開發(fā)中可以采用簡易方法進行定性驗證，即用手按住陣元拾音孔，拾音音量減小值≥10 dB。圖5為雙傳聲器陣列安裝時聲腔內部與陣元之間結構配合示意圖。

圖5 均勻線陣雙傳聲器陣列陣元與面板安裝方式結構示意圖

（10）陣列與安裝位置面板間密封性匹配。傳聲器陣列陣元采用全向，空調運行中將無法避免產生各種自噪聲，且被傳聲器陣列所采集，此類噪聲要加以規(guī)避。為此，需要進一步對傳聲器拾音孔以外的部位進行密封，保證人聲拾音僅由拾音孔通道進入，而不去采集空調內部的聲音，降低結構內部傳聲帶來的強干擾。

3.2 傳聲器陣列布放位置選擇

傳聲器陣列通常安裝于室內機殼體內部，并在表面開孔以進行拾音。針對特定空調結構，需確定其主要噪聲（如蒸發(fā)器液流聲、電機運轉聲等）和振動異響（如面殼接合處不嚴所造成的摩擦等）的來源，并將傳聲器陣列布放在遠離這些干擾源位置，同時輔以相應隔音措施。圖6為掛式空調傳聲器陣列布放位置選擇示意圖。

圖6中示例的幾種陣列布放方式共同遵循原則：遠離出風口、振動噪聲源以及音箱位置，便于獲得較高信號回聲比和良好聲學回聲抵消效果。

圖6 掛式空調傳聲器陣列安裝位置

圖6中左圖所示結構相對遠離空調內機最大干擾源（出風口），同時距離音箱（音箱位于左上角）擺放位置較遠，其拾音信噪比和信號回聲比相對較高，是一個較好的傳聲器陣列布放位置?？紤]外觀效果，傳聲器陣列拾音需要在面板開孔，且開孔難以很好隱蔽，從而導致空調整體造型會受到影響。因而，在實施過程中，需要同步考慮將傳聲器陣列放置在出風口底殼附近且出風口下部（中圖方框示意）或底殼最底部（右圖方框示意）位置。

圖7 立式空調傳聲器陣列與音箱典型布放位置示意圖

如圖8，通過對傳聲器陣列和音箱在空調內部模擬聲音泄露路徑分析，兩者布放設計要點總結如下：

（1）音箱結構設計要避免引發(fā)失真，安裝及周圍關聯(lián)位置要進行減振、隔聲處理，避免振動對陣列造成影響；

（2）避免結構內聲音傳播，即音箱聲音不能在結構內直接泄露到陣列陣元處，只能通過結構外空氣傳播至陣元。音箱和陣列布放在不同腔體，選用較好密封材料，單獨對傳聲器陣列進行密封隔離；

（3）150 Hz～7 kHz頻率范圍的THD優(yōu)先考慮在1%以下，具體可結合工程應用做實際調整。

圖8 空調內部模擬聲音泄露傳播路徑圖

3.3 傳聲器陣列布放位置對不同方位說話人影響

目前空調頭部基本為弧面結構，導致陣列適應結構設計也呈弧面形式，易出現(xiàn)某些邊界角度喚醒、識別明顯弱于說話人正面水平識別，主要原因有：

（1）傳聲器陣列安裝時與面板弧面拾音孔契合度不好，漏音，導致拾音不集中；

（2）傳聲器陣列各陣元間靈敏度存在較大差異，一致性不夠；

（3）結構本身限制，對傳聲器陣列形成了遮擋或拾音孔位置偏離，影響陣元整體拾音。

對于上述影響因素，在陣列設計之初，注意陣元參數(shù)一致性，陣列拓撲結構選型以及裝配時與結構契合度等多種保障措施協(xié)調配合。

4 試驗驗證及結果分析

以某款掛式語音空調為例進行整機聲學工程試驗驗證，關鍵試驗項有：①設備自身MIC錄音，REF信號幅值，REF信道底噪試驗；②REF和MIC錄音通道延時試驗；③MIC頻響曲線試驗；④MIC的總諧波失真（THD）試驗；⑤音箱總諧波失真（THD）試驗。通過上述試驗，并結合實際語音識別性能（喚醒率、識別率、誤喚醒）測試，驗證本文提出設計方法和關鍵技術要點可行性，試驗效果如下（以下序號分別對應上述試驗項）：

（1）不播放任何聲音，空調自身MIC錄音，REF信號幅值應該為0 smpl，REF信道的底噪設計要求＜100 Hz，相應測試結果如圖9所示，基本趨于無信號。

（2）REF和MIC錄音通道延時設計要求＜10 ms，如圖10所示，驗證結果為2 ms。

（3）傳聲器頻響曲線（FR）測試，在200 Hz～1 kHz時，測試差值為±1.7和±2.3；在1 kHz-8 kHz時，測試差值為±4.4和±4.6，如圖11所示。

（4）傳聲器的總諧波失真（THD），設計要求在200 Hz～8 kHz時，小于0.5%，目前測試結果分別為0.6%和0.52%，如圖12所示，略微超出設計要求，后續(xù)需要結合實際語音識別性能進行綜合判斷。

圖9 空調MIC錄音時REF信號幅值

圖10 REF和MIC錄音通道延時

（5）音箱總諧波失真（THD），設計要求在100 Hz～200 Hz時，THD＜10%；在200 Hz～350 Hz時，THD＜5%；350 Hz以上時，THD＜3%，測試結果僅在4 kHz處有超標，測試結果為8.4%，如圖13所示，后續(xù)結合實際識別性能進行綜合判斷。

5 結論

通過對語音空調傳聲器陣列設計研究分析，提出設計方法和關鍵技術注意要點，并在項目實施中經過一系列工程試驗驗證，得到較好效果，總結傳聲器陣列設計和確認步驟如下：

針對傳聲器陣列進行設計選型評價。主要對傳聲器陣列、音箱聲學結構設計評估，便于確認陣元選型和陣列拓撲構型，明確陣列與聲腔及安裝結構間匹配度，確認陣列拾音孔深度和直徑大??；其次，確認音箱選型、音箱構型、出聲孔直徑和數(shù)量，確認陣列與音箱布放相對位置。

進行首次快速摸底測試評價。計算陣元和帶聲腔結構傳聲器陣列之間錄音的諧波程度、密封性驗證情況等，根據(jù)分析結果確定是否通過摸底測試。

系統(tǒng)性試驗最終驗收評價。針對試制機子進行綜合指標測試，包含陣元和陣列密封性、REF信號幅值、REF信道底噪、REF和陣元錄音通道延時、陣元頻響曲線、陣元總諧波失真（THD）、音箱總諧波失真（THD）試驗，確認最終設計評價是否通過。

通過上述評價并結合語音識別性能試驗測試，整體識別率達到95%以上，最終通過產品應用確認，所設計的傳聲器陣列符合產品要求，可保證產品性能可靠性，滿足用戶使用要求。

圖11 傳聲器頻響曲線（FR）測試曲線

圖12 傳聲器總諧波失真（THD）測試曲線

圖13 音箱總諧波失真（THD）測試曲線