聲掩蔽系統(tǒng)的研究

杜雪梅，胡志勇，王武斌

(1.太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，太原 030032)

聲信息泄漏對(duì)保密會(huì)議室的信息安全造成嚴(yán)重的威脅，對(duì)聲信息泄漏進(jìn)行防護(hù)是重中之重。聲掩蔽系統(tǒng)是根據(jù)掩蔽效應(yīng)的原理工作的。掩蔽效應(yīng)就是存在兩個(gè)及兩個(gè)以上的聲音，因?yàn)槠渌曇羰鼓骋粋€(gè)聲音的聽不見或者聽不清。當(dāng)同時(shí)有多個(gè)聲音的時(shí)候，要聽清楚其中一個(gè)聲音的內(nèi)容就要把這個(gè)聲音的音量提高，同樣如果其中一個(gè)聲音的音量增大，就會(huì)使其他的聲音難以聽清甚至聽不到，即一個(gè)聲音的聽閾因?yàn)榱硪粋€(gè)聲音的存在而提高了[1-3]。保密會(huì)議室聲掩蔽系統(tǒng)針對(duì)無(wú)意識(shí)聲音泄漏，泄漏途徑有很多，圖1是保密會(huì)議室內(nèi)聲音的泄漏途徑，可以分為空氣泄漏和振動(dòng)泄漏，空氣泄漏是會(huì)議室內(nèi)的聲音通過空氣傳播出來(lái)產(chǎn)生信息泄漏，如穿墻打孔、門縫、窗戶密封性不好時(shí)也會(huì)產(chǎn)生空氣泄漏，振動(dòng)泄漏是聲音作用于物體，物體振動(dòng)產(chǎn)生的泄漏，如通風(fēng)管道、穿墻暖氣管道等[4-7]。本次所研制的聲掩蔽系統(tǒng)就是針對(duì)這些泄漏途徑進(jìn)行的聲音防護(hù)。

圖1 保密會(huì)議室聲音泄漏途徑

目前常見的聲掩蔽系統(tǒng)是采用特定的干擾源進(jìn)行聲音防護(hù)，干擾噪聲的聲壓級(jí)都比被掩蔽音高出(5～12)dB，且掩蔽聲的聲壓不可以調(diào)節(jié)，如果被掩蔽音增加音量，掩蔽效果下降就會(huì)產(chǎn)生泄漏，目前常用的干擾噪聲主要有自然音、合成音、環(huán)境音、音樂、白噪聲等單一干擾聲源，采用這些干擾噪聲進(jìn)行聲音掩蔽，存在一些缺陷：有的是舒適度不好，如白噪聲，它的聲音很刺耳，在掩蔽聲音信息的同時(shí)還會(huì)干擾說(shuō)話人的思維；有的是舒適度很好，但掩蔽效果不好，如自然音和音樂等，雖然聲音舒緩動(dòng)聽但是竊聽者仔細(xì)去聽就可以聽到想要的信息，都不適用于保密會(huì)議室[8-9]。因此，研究開發(fā)了不同混合聲源作為掩蔽聲的系統(tǒng)，既能保證很好掩蔽效果也有很好的舒適度，并且掩蔽聲的聲壓級(jí)可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可一直確保聲音被掩蔽。

國(guó)外對(duì)掩蔽聲的研究比較早，作為掩蔽聲的有背景音樂和背景噪聲，背景音樂有很好的聽覺舒適度，但是它只能干擾人們的注意力，沒有很好的掩蔽效果；背景噪聲是無(wú)意義噪聲信號(hào)作為掩蔽聲，其中最有效的掩蔽聲粉紅噪聲，舒適度不好，還有一種掩蔽聲是根據(jù)被掩蔽聲產(chǎn)生的[10-11]。國(guó)外的很早就研發(fā)出了聲掩蔽產(chǎn)品，1974年美國(guó)發(fā)布第一款聲音掩蔽發(fā)生器MG1400，同年發(fā)布三款掩蔽揚(yáng)聲器等[12]。不過大多使用在圖書館、銀行等地，都是用于防止有意識(shí)地聲音泄漏，不適用于保密會(huì)議室的無(wú)意識(shí)泄漏。國(guó)外還有研究者提出了智能聲掩蔽系統(tǒng)，即通過對(duì)目標(biāo)語(yǔ)音的自學(xué)習(xí)，提取目標(biāo)語(yǔ)音的音色特征，最后達(dá)到聲迷惑的功能，白俄羅斯具有該產(chǎn)品，但是由于資料較少，沒有該產(chǎn)品的更多信息。

國(guó)內(nèi)對(duì)聲音掩蔽的研究起步較晚，而且漢語(yǔ)是一種有語(yǔ)調(diào)的語(yǔ)言，與英語(yǔ)有很大的不同，如果同時(shí)存在漢語(yǔ)和英語(yǔ)，我們也能很清楚的聽到漢語(yǔ)的講話內(nèi)容，不受干擾[13]。因此對(duì)于漢語(yǔ)語(yǔ)音進(jìn)行聲音掩蔽，不能直接采用國(guó)外的研究成果，需要借鑒并提出自主的研究技術(shù)。

國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)三種常見的噪聲對(duì)漢語(yǔ)語(yǔ)言清晰度的影響進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)頻譜越寬，掩蔽效果越好，其中語(yǔ)譜噪聲的掩蔽效果最好；楊從晶等人提出聲音掩蔽系統(tǒng)可以消除噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音保密的目的[14]；針對(duì)國(guó)內(nèi)外語(yǔ)言差異，肖鋒和陳國(guó)斌等人還建立了中國(guó)人的70 dB聲壓級(jí)的掩蔽數(shù)據(jù)庫(kù)[15-16]。目前國(guó)內(nèi)有部分公司已經(jīng)研發(fā)出自主的聲掩蔽系統(tǒng)，各有特點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)，使用地點(diǎn)和國(guó)外一樣，大多應(yīng)用與辦公行業(yè)和醫(yī)療等地[17]。某公司生產(chǎn)的聲掩蔽系統(tǒng)是產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)加在門窗等表面，音頻干擾進(jìn)行空間保護(hù)；北京某公司研究的聲掩蔽干擾系統(tǒng)是適用于保密會(huì)議室。研究者們對(duì)于聲掩蔽的研究一直沒有中斷，并不斷地進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化更新。國(guó)內(nèi)聲掩蔽產(chǎn)品采用都是單一干擾聲源且掩蔽聲源的聲壓不可調(diào)節(jié)，隨著目標(biāo)語(yǔ)音聲壓增加，掩蔽效果降低，本聲掩蔽系統(tǒng)簡(jiǎn)稱YG，其掩蔽聲的聲壓可自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可以一直確保良好的掩蔽效果。另外相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)的聲掩蔽還處于噪聲掩蔽，智能聲掩蔽是進(jìn)一步的研究方向。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能

1.1 總體設(shè)計(jì)

YG主要有聲掩蔽主機(jī)，聲音采集器，報(bào)警器，干擾器。

聲掩蔽主機(jī)：用來(lái)控制各個(gè)模塊，一個(gè)主機(jī)可以連接四個(gè)聲采集器，一個(gè)報(bào)警器，支持八個(gè)空間干擾器或風(fēng)道干擾器和八個(gè)玻璃干擾器或管道干擾器。

聲音采集器：用來(lái)采集和分析會(huì)議室內(nèi)的聲音。

報(bào)警器：聲壓級(jí)過高報(bào)警和故障報(bào)警。

干擾器：包括風(fēng)道干擾器，安裝在空調(diào)進(jìn)出口等通風(fēng)口處，在背景噪聲的作用下可以防止聲音通過風(fēng)道泄漏；空間干擾器，安裝在吊頂內(nèi)，添加背景噪聲，防止聲音從打孔處泄漏；玻璃干擾器，安裝在玻璃上，添加背景噪聲，防范聲音從玻璃縫隙處泄漏。另外在玻璃上添加干擾振動(dòng)，還可防止激光竊聽；管道干擾器，安裝在暖氣管道處，添加背景噪聲可防止聲音通過管道振動(dòng)發(fā)生泄漏。

(1)功能指標(biāo)分析

聲音采集與分析：將采集到的聲音信號(hào)傳送給聲采集器的主控模塊，主控模塊對(duì)聲音信號(hào)抽取樣值，進(jìn)行集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)和A計(jì)權(quán)擬合得到聲音信號(hào)的聲壓級(jí)。得到的目標(biāo)語(yǔ)音的聲壓再傳送給主機(jī)。其中經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)是一種新型自適應(yīng)信號(hào)時(shí)頻處理方法，EEMD是針對(duì)EMD方法的不足而提出的基于噪聲輔助的一種時(shí)頻分析方法，而且是一種自適應(yīng)的時(shí)頻局部化分析方法，聲音信號(hào)加上白噪聲，利用白噪聲頻譜均衡的特點(diǎn)使得原聲音信號(hào)頻率的分布趨于均勻。A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)是模擬人耳對(duì)40方純音的響度，可以很好地反映出人耳對(duì)聲音的主觀感覺。

掩蔽聲的聲壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)：YG與已存在的聲掩蔽系統(tǒng)的不同之處在于，使用的新的掩蔽聲源混合聲源，掩蔽效果高于單一聲源，且掩蔽聲的聲壓比目標(biāo)語(yǔ)音的聲壓高還隨著目標(biāo)語(yǔ)音聲壓的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)的，更加增強(qiáng)了掩蔽效果，但是聲壓過大會(huì)損傷人的聽力，刺激人們的聽覺神經(jīng)，不是越高越好。人耳對(duì)于(100～5 000)Hz的聲音最為敏感，且人們言語(yǔ)頻率主要也在(100～5 000)Hz，經(jīng)過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在此頻率范圍內(nèi)，掩蔽聲比目標(biāo)語(yǔ)音高(15～20)dB，其他頻率范圍高(3～5)dB掩蔽效果最佳。

(2)性能指標(biāo)分析

掩蔽聲源的掩蔽度：一種聲音對(duì)另一種聲音的掩蔽情況可以用掩蔽度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，掩蔽度就是在有掩蔽聲的情況下不能識(shí)別目標(biāo)語(yǔ)音的程度，掩蔽度越大，掩蔽效果越好。通過研究發(fā)現(xiàn)，用于保密會(huì)議室的掩蔽系統(tǒng)，其掩蔽度達(dá)到70%并結(jié)合物理防護(hù)就能起到聲音防護(hù)的作用。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)控制程序主要有報(bào)警聲壓閾值設(shè)置，干擾噪聲選擇并設(shè)置初始聲壓，聲音數(shù)據(jù)采集分析，聲壓調(diào)節(jié)，干擾噪聲播放。

對(duì)采集到的聲音進(jìn)行EEMD：首先將白噪聲信號(hào)w(t)加入采集到的聲音信號(hào)X(t)得到信號(hào)X′(t)：

X(t)=X(t)+w(t)

(1)

接著對(duì)信號(hào)X′(t)進(jìn)EMD分解，得到各階IMF分量，其中IMF分量是原始信號(hào)中各個(gè)頻率的分量，rn(t)是信號(hào)分解后的剩余分量：

(2)

重復(fù)步驟上面兩步，計(jì)算出最終的IMF總體均值信號(hào)cn(t)：

(3)

原聲音信號(hào)X(t)經(jīng)過EEMD處理后得到最終的信號(hào)為：

(4)

對(duì)信號(hào)X(t)計(jì)算A計(jì)權(quán)的頻譜：

XA[t]=αA(ft)X[t]，ft=tΔf

(5)

對(duì)A計(jì)權(quán)頻譜進(jìn)行能量積分即可得到dBA：

(6)

干擾噪聲是混合不同聲源，混合聲源的原理：首先將量化的語(yǔ)音信號(hào)的進(jìn)行疊加，即空氣中聲波的疊加，每個(gè)聲音信號(hào)的采樣點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行相加，并調(diào)試各自的聲壓倍率就可以得到混合聲源。

干擾噪聲播放：程序啟動(dòng)時(shí)，干擾器按照設(shè)定的初始聲壓播放干擾噪聲，當(dāng)主機(jī)采集到聲音信號(hào)并分析后，干擾噪聲根據(jù)分析到的目標(biāo)語(yǔ)音聲壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)聲壓，確保保密會(huì)議室內(nèi)的聲音一直被掩蔽。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

圖2是硬件結(jié)構(gòu)框圖。YG主機(jī)中主要是有控制、上位機(jī)通信、通信、音頻和播放五個(gè)模塊?？刂颇K選用STM32F1芯片，是各個(gè)模塊的中樞；上位機(jī)通信模塊采用DM9051芯片，設(shè)計(jì)RJ45網(wǎng)口，通過網(wǎng)口與上位機(jī)PC進(jìn)行通信，通信模塊采用遠(yuǎn)程通信模式MAX485芯片，可以遠(yuǎn)距離傳輸，音頻模塊采用WT588D語(yǔ)音芯片，搭載SPI-flash存儲(chǔ)芯片，能存儲(chǔ)32M數(shù)據(jù)，播放模塊采用TDA7297芯片，雙通道輸出，最大輸出功率為2×15 W，可接(4～8)Ω的空間干擾器，玻璃干擾器，管道干擾器和風(fēng)道干擾器，輸出方式采用定壓輸出方式。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

聲音采集器包括主控制模塊采用STM32F1芯片，負(fù)責(zé)聲音采集分析，與主機(jī)通信，傳聲器采用聲壓傳感器MAX9814，靈敏度(30～130)dB，監(jiān)測(cè)頻率是31.5 Hz～8 KHz，通信模塊采用MAX485.

空間干擾器、玻璃干擾器、風(fēng)道干擾器、管道干擾器均采用(4～8)Ω，(3～5)W的播放器。

報(bào)警器的主控制模塊采用STM32F1芯片，負(fù)責(zé)聲光報(bào)警器控制和主機(jī)通信，聲報(bào)警器的聲壓級(jí)推薦設(shè)定60 dB，也可以由用戶自定義設(shè)置，光報(bào)警器設(shè)置為紅燈閃爍，通信模塊采用MAX485.

對(duì)于外殼設(shè)計(jì)，要滿足可靠性、安全性、維修性等要求，主機(jī)和報(bào)警器外殼采用6063防銹鋁合金材質(zhì)，干擾器和聲采集器外殼使用工程ABS塑料材質(zhì)，添加有抗氧化劑、阻燃劑，外殼表面設(shè)計(jì)有格柵，對(duì)聲音的采集和播放有利。圖3從左到右依次為主機(jī)、空間干擾器、玻璃干擾器，圖4從左到右依次為管道干擾器、風(fēng)道干擾器和聲音采集器。

圖3 主機(jī)、空間干擾器和玻璃干擾器

圖4 管道干擾器、風(fēng)道干擾器和聲音采集器

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試時(shí)要對(duì)YG所使用的混合聲源的掩蔽效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次實(shí)驗(yàn)采用主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)，因?yàn)樗軌蛘鎸?shí)反映語(yǔ)音質(zhì)量[18-19]。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇了6種掩蔽聲，其中3個(gè)混合聲源是YG所使用聲源，另外3個(gè)掩蔽聲源為已存在的聲掩蔽系統(tǒng)所使用聲源：分別是掩蔽效果最好的粉紅噪聲和生活中常見的空調(diào)噪聲以及自然音流水聲，用來(lái)做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試時(shí)目標(biāo)語(yǔ)音的聲壓級(jí)從40 dB開始增加，增加至60 dB，做對(duì)比的聲掩蔽系統(tǒng)聲壓不可調(diào)節(jié)，并且聲音過大會(huì)損傷人們的聽力，所以噪聲聲壓設(shè)為70 dB，混合聲源的聲壓設(shè)置為高15 dB和3 dB.測(cè)試者為16個(gè)無(wú)聽力障礙的學(xué)生，由于男女對(duì)聲音的感知不同，測(cè)試者中男女各半[20]。本次實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)安靜的會(huì)議室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試者坐在會(huì)議桌的周圍。測(cè)試聲音播放的是包含K=49個(gè)無(wú)意義的字。測(cè)試開始將聽到的字寫出來(lái)，聽到的字?jǐn)?shù)為k，則掩蔽度計(jì)算為：

(7)

表1為六種掩蔽聲在目標(biāo)語(yǔ)音聲壓變化時(shí)掩蔽度的測(cè)試數(shù)據(jù)，圖5為六種掩蔽聲在目標(biāo)語(yǔ)音聲壓變化時(shí)掩蔽度的變化情況：

表1 不同掩蔽聲源的掩蔽度

圖5 不同掩蔽聲的掩蔽度變化情況

由圖5和表1可以看出，隨著目標(biāo)語(yǔ)音聲壓的增加，其他聲掩蔽系統(tǒng)的掩蔽度逐漸下降，而YG因掩蔽聲源的的聲壓會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，掩蔽度沒有隨著目標(biāo)語(yǔ)音聲壓的增加而下降，仍有較好的掩蔽效果。說(shuō)明YG的自適應(yīng)聲壓調(diào)節(jié)功能可以使掩蔽聲保持較好的掩蔽效果，一直確保會(huì)議室內(nèi)的聲音被掩蔽，另外根據(jù)測(cè)試者反應(yīng)YG的掩蔽聲也有良好的舒適度。綜上所述YG所使用的混合掩蔽聲源既有較好的掩蔽效果又有良好的聽覺舒適度，可以對(duì)保密會(huì)議室的聲音進(jìn)行有效的防護(hù)。

3 結(jié)論與展望

YG的優(yōu)點(diǎn)是掩蔽聲源廣，掩蔽路數(shù)多，可以全方位地進(jìn)行聲音防護(hù)，報(bào)警閾值、報(bào)警聲壓等可由用戶自定義設(shè)置，對(duì)于不同的環(huán)境也能很好的進(jìn)行聲音掩蔽。還有掩蔽聲的聲壓可以隨著被掩蔽聲聲壓的改變而自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保聲音一直被掩蔽。經(jīng)過測(cè)試，本系統(tǒng)具有良好的掩蔽效果。但是與國(guó)外的聲掩蔽產(chǎn)品相比還是具有一定差距。下一步，我們將繼續(xù)對(duì)掩蔽聲源進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)目標(biāo)語(yǔ)音研發(fā)相干性智能掩蔽聲源，進(jìn)一步提高聲掩蔽效果。