一種用于聲紋信息采集的隔音箱

趙磊 苗寧 康小東

1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師公安局 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)公安局

引言

近年來(lái)，非接觸性電信網(wǎng)絡(luò)詐騙案件呈現(xiàn)多發(fā)、高發(fā)態(tài)勢(shì)，犯罪手段多樣，犯罪團(tuán)伙人員組成復(fù)雜，涉案地域廣[3]。聲紋識(shí)別技術(shù)借助其獨(dú)特的生物學(xué)特征，成為新形勢(shì)下打擊非接觸性電信網(wǎng)絡(luò)詐騙案件的有力武器[4]。但是許多辦案單位缺乏適合采集聲紋信息樣本的專業(yè)辦公區(qū)間，同時(shí)市面上主流的科大訊飛、國(guó)音聚勢(shì)等廠商生產(chǎn)的聲紋信息采集終端設(shè)備在抑制噪音方面較弱，綜合起來(lái)導(dǎo)致采集到的聲紋信息質(zhì)量不穩(wěn)定，常有環(huán)境噪音、失真和回響，這對(duì)后期的聲紋識(shí)別產(chǎn)生了直接影響。另外，聲紋信息樣本常采用多級(jí)、多次的人工審核方式，雖然嚴(yán)格控制了質(zhì)量，但也因人員個(gè)體差異、聽辨設(shè)備不同等造成審核不合格率高、工作效率低。因此，本文通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、聲學(xué)處理方法的研究以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一種用于聲紋信息采集的隔音箱，旨在減少回響和噪音，提高聲紋識(shí)別準(zhǔn)確率，提高工作效率。

一、解決方案

（一）總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的隔音箱，主要由箱體、箱體內(nèi)的隔音材料組成。箱體內(nèi)有置物空間，用于放置采集設(shè)備；隔音材料貼附于箱體內(nèi)壁，用于減少回響；箱體底部有數(shù)據(jù)線開孔。

此方案區(qū)別于現(xiàn)有隔音設(shè)施的優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)將采集設(shè)備放置于箱體內(nèi)，利用隔音材料減少回響，有效提高聲紋信息采集質(zhì)量。此隔音箱相比專用的隔音房間來(lái)說(shuō)，體積小，重量輕，制作方法簡(jiǎn)單，制作材料易獲取，價(jià)格低廉，使用和移動(dòng)都極為方便。

（二）材料構(gòu)成

選擇高密度瓦楞紙板材料制作箱體，并去掉一側(cè)形成空腔。這種材料成型好，抗沖擊力強(qiáng)，減震效果突出，能有效防止外部噪音傳播，同時(shí)重量輕，易于采購(gòu)。隔音材料采用環(huán)保聚氨酯隔音棉，不僅具有防火阻燃的特性，而且能夠有效減少噪音和吸音，消除回響和共振現(xiàn)象，安裝簡(jiǎn)單。金字塔形設(shè)計(jì)的吸音層可直接附著在箱體內(nèi)壁上，形成完整的隔音箱體。箱體外側(cè)采用戶外油性塑料布進(jìn)行封裝，印刷了自制的隔音箱體標(biāo)識(shí)，簡(jiǎn)約、美觀、易識(shí)別。

按照以上材料制作完成的隔音箱長(zhǎng)45厘米、寬35厘米、高30厘米，容積17.5升，重量約為500克（見圖1，實(shí)際尺寸可根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況更改）。

（三）材料成本

根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格，單個(gè)隔音箱的材料成本為：采用瓦楞紙板材料制作箱體10元，采用環(huán)保聚氨酯隔音棉制作的隔音材料26元，采用戶外油性塑料布制作包裝40元。加上運(yùn)輸和人工成本，一個(gè)聲紋采集隔音箱的總成本約為100元左右。相比于改造室內(nèi)裝修動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)元的費(fèi)用，隔音箱的制作成本非常低廉。

（四）采集設(shè)備

采集設(shè)備只要能夠放進(jìn)隔音箱的空腔內(nèi)即可正常使用，沒有過(guò)多限制。本文選用了一款符合公安部《聲紋數(shù)據(jù)采集終端技術(shù)要求（征求意見稿）》的專用聲紋信息采集終端設(shè)備，該設(shè)備集成了8個(gè)矩陣式麥克風(fēng)，具有高靈敏度和寬廣的頻響特性，能夠準(zhǔn)確捕捉被采集人的聲紋特征。

（五）使用方法

使用隔音箱時(shí)，應(yīng)將其空腔正對(duì)被采集人員，平放在桌面上。同時(shí)把采集設(shè)備水平放置于腔體底部中間，數(shù)據(jù)線可由底部開孔穿出，避免影響采集過(guò)程中的聲音質(zhì)量。

二、效果測(cè)試

聲紋識(shí)別中要特別注意噪聲強(qiáng)度及其帶來(lái)的影響，結(jié)合共振峰走勢(shì)，判斷導(dǎo)致檢材和樣本之間差異的原因。實(shí)際上，由于噪音來(lái)源眾多，環(huán)境復(fù)雜，而且噪音通常是隨機(jī)的，因而從含噪語(yǔ)音中提取完全純凈的語(yǔ)音幾乎是不可能的。對(duì)含噪語(yǔ)音的降噪處理只能是提高信噪比（SNR值），改善聽覺效果和語(yǔ)譜圖質(zhì)量[5]。

（一）噪音分貝儀檢測(cè)

在普通辦公室區(qū)間內(nèi)使用噪音分貝儀檢測(cè)環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音，通過(guò)曲線測(cè)量得到聲強(qiáng)級(jí)，單位記為分貝（dB），可以發(fā)現(xiàn)隔音效果的差異。差值越大，隔音效果越好。以下是每組數(shù)據(jù)的差值：

36dB環(huán)境噪音，隔音箱內(nèi)為35.5dB，差值為0.5dB；

43dB環(huán)境噪音，隔音箱內(nèi)為35.7dB，差值為7.3dB；

55.8dB環(huán)境噪音，隔音箱內(nèi)為44.5dB，差值為11.3dB；65dB環(huán)境噪音，隔音箱內(nèi)為52dB，差值為13dB。

這里要說(shuō)明的是，分貝（dB）通常用來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱，是一個(gè)聲音能量與基準(zhǔn)能量之比取常用對(duì)數(shù)的“級(jí)”的單位，因此它不能簡(jiǎn)單地用算術(shù)相加，而需按照對(duì)數(shù)運(yùn)算法則進(jìn)行[6]。其計(jì)算公式為dB=10log（聲音能量值/參考聲音能量值），此處的dB值為環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音的差值，聲音能量值和參考聲音能量值為環(huán)境噪音分貝值和隔音箱內(nèi)噪音分貝值。根據(jù)此公式計(jì)算，將環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音的差值代入，然后求出環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音的倍數(shù)關(guān)系，可理解為隔音效果提升了多少倍。

當(dāng)差值為0.5dB時(shí)，dB=10log（環(huán)境噪音/隔音箱內(nèi)噪音）=0.5

移項(xiàng)得到：環(huán)境噪音/隔音箱內(nèi)噪音=10^(0.05)

計(jì)算得到：環(huán)境噪音/隔音箱內(nèi)噪音=1.122

因此，當(dāng)差值為0.5dB時(shí)，環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音的比值是1.122，可理解為隔音效果提升了約1倍。

同樣的方法，求出其他隔音效果dB值對(duì)應(yīng)的環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音的比值，了解到隔音效果提升了多少倍：

當(dāng)差值為7.3dB時(shí)，環(huán)境噪音/隔音箱內(nèi)噪音=5.012；

當(dāng)差值為11.3dB時(shí)，環(huán)境噪音/隔音箱內(nèi)噪音=19.953；

當(dāng)差值為13dB時(shí)，環(huán)境噪音/隔音箱內(nèi)噪音=50。

因此，當(dāng)差值分別為0.5dB、7.3dB、11.3dB、13dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音的比值分別為1.122、5.012、19.953和50。即隔音效果分別提升了約1倍、5倍、20倍和50倍（如圖2所示）。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以觀察到隨著環(huán)境噪音的增加，該聲紋信息采集隔音箱的隔音效果顯著提高。

（二）語(yǔ)譜圖檢測(cè)

當(dāng)環(huán)境噪音在65dB時(shí)，在普通辦公室區(qū)間內(nèi)使用聲紋信息采集設(shè)備進(jìn)行了兩次錄音。兩次錄音內(nèi)容一致，為同一男性念讀文本內(nèi)容，一次使用了隔音箱，另一次未使用。隨后得到兩段音頻文件，時(shí)長(zhǎng)約2分50秒，單聲道，均為wav格式，采樣率16kHz，采集精度16bit。通過(guò)聽辨分析，使用隔音箱錄制的音頻質(zhì)量更好，語(yǔ)音清晰可辨，而未使用隔音箱錄制的音頻則存在明顯的噪音和回響。

使用聲紋鑒定系統(tǒng)對(duì)兩段錄音的寬帶語(yǔ)譜圖進(jìn)行分析比較。經(jīng)檢測(cè)，未使用隔音箱錄制的音頻信噪比（SNR值）為14.25dB，語(yǔ)譜圖充滿底噪，音節(jié)間的過(guò)渡不流暢，共振峰不清晰、間斷不連續(xù)，語(yǔ)音特征反映不充分，無(wú)法滿足識(shí)別要求。相比之下，使用隔音箱錄制的音頻信噪比（SNR值）為22.85dB，語(yǔ)譜圖更為清晰，沒有底噪干擾，音節(jié)間的過(guò)渡更加流暢，共振峰明顯，語(yǔ)音特征反映充分，可以進(jìn)行聲紋識(shí)別（如圖3所示）。

因此，使用本文設(shè)計(jì)的隔音箱可以顯著提高錄音質(zhì)量，達(dá)到更高的精度和準(zhǔn)確度。在聲紋識(shí)別等需要高品質(zhì)語(yǔ)音錄音的場(chǎng)合中，隔音箱的應(yīng)用顯得十分關(guān)鍵和必要。

三、應(yīng)用推廣

經(jīng)過(guò)多方測(cè)試，該隔音箱成功解決了環(huán)境噪音差、設(shè)施改造困難、樣本質(zhì)量低和工作效率低等問(wèn)題。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2022年5月本單位全面使用聲紋信息采集隔音箱以來(lái)，聲紋信息審核通過(guò)率已從此前的全年70.6%上升到92.5%。

本文設(shè)計(jì)的隔音箱憑借其體積小、重量輕、易制作、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，非常適合面向全國(guó)基層辦案單位推廣，有推廣應(yīng)用的必要性和可行性。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)聲紋識(shí)別領(lǐng)域中的環(huán)境噪音問(wèn)題，本文提出了一種聲紋信息采集隔音箱的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用表明，此方法可以顯著提高樣本質(zhì)量和聲紋識(shí)別準(zhǔn)確率，具有實(shí)用價(jià)值。通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和改善制作工藝，未來(lái)該隔音箱會(huì)有更好的應(yīng)用效果。