采用RK3308模組的圖書館全向噪聲監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡海云

(集美工業(yè)學(xué)校圖書館 福建廈門 361022)

1 背景

圖書館是要求安靜環(huán)境的閱讀、學(xué)習(xí)場所，相對于教室、會(huì)議室、討論室等一般的學(xué)習(xí)、辦公環(huán)境，圖書館對于環(huán)境噪聲的安靜程度提出了更高的要求。2021年，《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出要加強(qiáng)環(huán)境噪聲污染治理[1]。2022年6月5日起施行，《中華人民共和國噪聲污染防治法》噪聲污染防治法規(guī)定，任何單位和個(gè)人都有保護(hù)聲環(huán)境的義務(wù)，同時(shí)依法享有獲取聲環(huán)境信息、參與和監(jiān)督噪聲污染防治的權(quán)利。典型地，對惱人的夜間施工噪聲、機(jī)動(dòng)車轟鳴疾駛噪聲、娛樂健身音響音量大、鄰居寵物噪聲擾民等問題，法律都做出了相應(yīng)規(guī)定，還靜于民，守護(hù)和諧安寧的生活環(huán)境。圖書館作為一類提供學(xué)習(xí)、自習(xí)等對環(huán)境安靜程度有較高要求的功能性空間，對其噪聲污染的監(jiān)測、治理得到各有關(guān)方面的高度重視。

在圖書館噪聲無人的監(jiān)測、治理工作中，針對不同類型、不同范圍噪聲源對圖書館安靜環(huán)境造成的干擾，需要全向噪聲監(jiān)測系統(tǒng)以保證圖書館對于噪聲的監(jiān)控及針對性管理。特別是，與單個(gè)麥克風(fēng)相比，麥克風(fēng)陣列通過特定幾何陣型利用多個(gè)陣元獲得的聲信號空間信息進(jìn)行聲源方向估計(jì)，可以獲得噪聲的方向信息，因此常常用于進(jìn)行噪聲全向監(jiān)測應(yīng)用[2-4]。

但是，考慮到配備麥克風(fēng)陣列的專業(yè)全向噪聲監(jiān)測儀器的成本、安裝、使用要求較高，例如在設(shè)計(jì)規(guī)范上需要滿足《環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求》（HJ 907—2017）和《環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測儀檢定規(guī)程》（JJG 1095—2014）等規(guī)定對該類型儀器的計(jì)量性能要求[1]，因此噪聲檢測儀器設(shè)備屬于專用儀器設(shè)備，價(jià)格高。大量中小學(xué)校、社區(qū)、部隊(duì)、企業(yè)等基層單位圖書館往往不具備配備此類專業(yè)全向噪聲監(jiān)測的條件。

自從2014 年亞馬遜推出的Echo 系列智能音箱開創(chuàng)了語音交互智能音箱產(chǎn)品的先河，Google、微軟、Facebook 等國際知名企業(yè)紛紛研發(fā)智能音箱產(chǎn)品，該類產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)得到快速發(fā)展[5-6]。分析報(bào)告顯示,未來幾年全球智能音箱出貨量將大幅增長,預(yù)計(jì)到2025 年,智能音箱市場將增長20%以上。推動(dòng)智能音箱市場快速增長的主要原因是智能家居在全球范圍內(nèi)的普及，包括智能家電、智能門鎖、窗簾、燈等一系列智能產(chǎn)品，而智能音箱可作為智能家居的控制中樞。

此外，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，以及谷歌、亞馬遜、蘋果等互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭的加入，也是推動(dòng)全球智能音箱市場快速增長的重要因素。國內(nèi)方面，各知名廠商紛紛推出功能各異的智能音箱。比如：百度、小米、華為先后推出了智能音箱產(chǎn)品，已在國內(nèi)智能家居產(chǎn)品中占據(jù)重要地位。因此，智能音箱產(chǎn)品巨大的產(chǎn)銷量，使該類產(chǎn)品作為一種大眾消費(fèi)商品，價(jià)格迅速降低，具有購買、使用方便的特點(diǎn)。

2 RK3308模組介紹及二次開發(fā)

2.1 RK3308模組簡介

RK3308模組是瑞芯微推出的基于高性能、低功耗RK3308 芯片的智能音箱整體芯片解決方案。瑞芯微RK3308搭載四核A35架構(gòu)，整合的高性能音頻編碼器配備8通道ADC及2通道DAC，可直接支持最大8通道模擬MIC陣列及回采功能，無需外加ADC，加上為低功耗應(yīng)用開發(fā)了硬件語音檢測模塊（VAD），整個(gè)方案擁有高集成度和高性價(jià)比等優(yōu)勢。

RK3308 模組的主要特點(diǎn)具體有：CPU 采用4 核ARM Cortex-A35（64位架構(gòu)，高性能，低功耗）；整合高性能CODEC（8 通道ADC+2 通道DAC）；直接支持最大8 通道模擬MIC 陣列+回采，無需外加ADC；集成主流數(shù)字音頻輸入輸出接口；為低功耗應(yīng)用開發(fā)了硬件語音檢測模塊（VAD）；8TX+8RX,8CH,2CH I2S/TDM/PCM數(shù)字音頻接口；codec 編解碼器：8x ADC for MIC IN and LINE IN；USB 2.0 HOST+USB 2.0 OTG；RMII 100M；5x UART 3x SPI 4x I2C；4x PWM 6x SARADC。模組架構(gòu)圖及模組照片如圖1所示。

圖1 RK3308模組架構(gòu)圖（左）及模組照片（右）

RK3308模組配備6元環(huán)形麥克風(fēng)陣列由6顆麥克風(fēng)組成，麥克風(fēng)陣列直徑為7 cm，同時(shí)配套12個(gè)led燈代表間隔15°的12 個(gè)方向，從而可實(shí)現(xiàn)360°聲源定位功能，因而適用于圖書館這類需全向監(jiān)測噪聲的場景。同時(shí)，RK3308 模組提供了方便的二次開發(fā)功能，可供面向不同應(yīng)用場景的麥克風(fēng)陣列算法開發(fā)設(shè)計(jì)。

考慮到RK3308 模組自帶的智能影響解決方案中需用戶說出喚醒詞喚醒后方啟動(dòng)聲源定位程序，該文中對RK3308 模組進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，按照實(shí)時(shí)輸入語音、實(shí)時(shí)門限檢測、實(shí)時(shí)聲源定位的工作模式設(shè)計(jì)了面向圖書館的全向噪聲監(jiān)測流程。

2.2 模組二次開發(fā)

由于RK3308 模組較小的陣列尺寸（圓形6 麥、直徑7 cm），一方面具備了使用方便的特點(diǎn)，同時(shí)易影響麥克風(fēng)陣列聲源定位精度；因此，考慮到在同等情況下麥克風(fēng)陣列聲源定位算法對高頻信號的定位精度較高，而在圖書館典型噪聲源中較高頻率的非平穩(wěn)噪聲如桌椅搬動(dòng)、器皿掉落、手機(jī)鈴聲是較為主要的干擾源，小尺寸麥克風(fēng)陣列的聲源方向估計(jì)也對算法設(shè)計(jì)造成困難。

因此從考慮系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)方便性的角度出發(fā)，在該文對RK3308模組進(jìn)行的二次開發(fā)中，兼顧常見非平穩(wěn)噪聲的頻率特性以及模組搭載麥克風(fēng)陣列的尺寸，設(shè)置DOA估計(jì)算法[4]的工作頻率在2 kHz，通過濾去低頻成分以保證較小尺度的RK3308 模組二次開發(fā)中麥陣的全向聲源定位精度。

圖2給出了RK3308模組麥陣算法工作流程圖，從圖2 中可以看出：首先通過門限檢測判斷噪聲是否超出設(shè)定，對超出設(shè)定門限的噪聲則采用現(xiàn)成的DOA估計(jì)算法進(jìn)行方位估計(jì)，最后以點(diǎn)亮對應(yīng)LED 的方式輸出噪聲方位。

圖2 模組麥陣二次開發(fā)算法工作流程

在圖書館全向噪聲監(jiān)測工作中，可通過門限輸入設(shè)定噪聲強(qiáng)度，通過模組噪聲方向輸出信息觸發(fā)相應(yīng)的聲、光報(bào)警，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合模組提供的接口功能與智能手機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)方便的噪聲源監(jiān)測、管理、干預(yù)，從而有效實(shí)現(xiàn)廣大基層圖書館的環(huán)境噪聲監(jiān)測、治理。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證基于RK3308 模組二次開發(fā)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，采用RK3308模組分別在消聲及混響實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全向噪聲監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置RK3308模組的信號采樣率為16 kHz，量化位數(shù)24 bit，PHAT算法處理窗長為512點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)中采用音箱播放白噪聲模擬作為干擾噪聲，音箱距離RK3308模組中心點(diǎn)列距離為5 m，參照圖書館全向噪聲監(jiān)測中對角度分辨率不高的要求，按照15°角度分辨率全方向設(shè)置音箱，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3 所示；實(shí)驗(yàn)中音箱播放音量設(shè)置為相當(dāng)于正常說話音量的70 dB（a）聲壓級。如圖4所示為作為測試信號的白噪波形（上）及其語譜（下），從圖4 可以看出測試信號在頻率上包括了從0～8 kHz 之間的較寬頻帶，可以供測試較寬頻帶下的系統(tǒng)指向特性曲線。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖

圖4 實(shí)驗(yàn)信號波形（上）及語譜（下）

如圖5、圖6所示分別為消聲及混響實(shí)驗(yàn)室下系統(tǒng)在2 kHz工作頻率的360°空間指向性曲線，從圖5可以看出混響實(shí)驗(yàn)室條件下指向性曲線性能明顯優(yōu)于混響實(shí)驗(yàn)室條件。圖5所示消聲條件下系統(tǒng)獲得的指向性曲線具有更為尖銳的主波束寬度以及更低的殘余旁瓣，圖6 所示混響實(shí)驗(yàn)室條件下的指向性曲線則具有較寬的主波束及稍高的殘余旁邊。

圖5 消聲條件下系統(tǒng)的空間指向性歸一化曲線

考慮到該文系統(tǒng)所面向的圖書館環(huán)境噪聲全向監(jiān)測應(yīng)用場景對聲源方向估計(jì)的精度并不高，從使用角度而言，圖5、圖6獲得的消聲、混響條件下的指向性曲線表明了基于RK3308 模組二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)的全向噪聲監(jiān)測系統(tǒng)具備對噪聲的方位估計(jì)能力。

圖6 混響條件下系統(tǒng)的空間指向性歸一化曲線

同時(shí)，通過該文系統(tǒng)基于RK3308 模組進(jìn)行針對性圖書館噪聲全向監(jiān)測常見進(jìn)行的二次開發(fā)設(shè)計(jì)，克服了RK3308 模組自帶智能音箱產(chǎn)品需先進(jìn)行喚醒后才能進(jìn)入聲源定位模式的缺點(diǎn)，無需喚醒詞啟動(dòng)即可保證系統(tǒng)工作在實(shí)時(shí)噪聲監(jiān)控模式，從而方便系統(tǒng)在上文所示各類非專業(yè)圖書館場景方便地開展全向噪聲監(jiān)控工作。

4 結(jié)語

公共場所環(huán)境噪聲控制與治理是建設(shè)和諧社會(huì)、提升廣大人民群眾幸福感的重要方面。在各類公共場所中，圖書館是一類需要安靜環(huán)境的學(xué)習(xí)、自習(xí)場所，對圖書館環(huán)境噪聲的監(jiān)測、管理、控制是保證圖書館充分發(fā)揮其功能性公共空間作用的重要方面，專業(yè)圖書館往往采用配備麥克風(fēng)陣列的全向噪聲監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行環(huán)境噪聲的監(jiān)測、全向方位估計(jì)。但是，此類設(shè)備往往具有較高的安裝、使用要求及較高的價(jià)格。

針對中小學(xué)校、社區(qū)等基層單位圖書館缺乏專業(yè)噪聲檢測設(shè)備、影響了圖書館靜音環(huán)境管理效率的問題。該文綜合考慮在當(dāng)前智能音箱產(chǎn)品迅速發(fā)展、產(chǎn)銷量大增的情況，采用目前采購方便、成本低、尺寸小，提供二次開發(fā)功能的瑞芯微RK3308 智能音箱模組進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了全向噪聲檢測功能并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了有效性測試。

在消聲室、混響室進(jìn)行的噪聲方向監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)合合適的工作頻率設(shè)計(jì)，該文基于瑞芯微RK3308 智能音箱模組設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可為上述各類非專業(yè)圖書館全向噪聲監(jiān)測提供一類成本低、方便、有效的技術(shù)手段。