作者：武亭、徐德帥

在日常生活中，聲音是人們進(jìn)行信息傳遞的重要媒介，為了保證信息的順利傳遞，突破距離的限制，往往需要對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行放大，擴(kuò)音系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

擴(kuò)音系統(tǒng)是指把聲音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)放大的系統(tǒng)，主要由麥克風(fēng)、放大器以及揚(yáng)聲器組成，在演奏廳，大教室，會(huì)議室等大空間場所得到了廣泛應(yīng)用。但是，擴(kuò)音系統(tǒng)自使用以來，常常伴隨著嘯叫問題，極大地影響了用戶的使用體驗(yàn)感。嘯叫現(xiàn)象是指音頻信號(hào)通過揚(yáng)聲器播放后，經(jīng)過一定的傳播路徑，再次被麥克風(fēng)拾取，經(jīng)過放大器的處理后，最后經(jīng)由揚(yáng)聲器播放，倘若在 “揚(yáng)聲器-麥克風(fēng)-揚(yáng)聲器”的閉環(huán)電路中，存在某種正反饋導(dǎo)致某些音頻頻率發(fā)生自激振蕩，就會(huì)產(chǎn)生嘯叫現(xiàn)象。

嘯叫的產(chǎn)生會(huì)掩蓋正常語音，給人的聽感也不好，而且嘯叫頻點(diǎn)能量很高，嚴(yán)重時(shí)甚至能破壞會(huì)議中的擴(kuò)聲設(shè)備，因此我們需要對(duì)嘯叫進(jìn)行抑制。

我們以單通道擴(kuò)聲系統(tǒng)為例說明嘯叫產(chǎn)生原理，系統(tǒng)模型如下所示：

該擴(kuò)聲系統(tǒng)由麥克風(fēng)、功率放大器和揚(yáng)聲器組成，其中G是功率放大器，F(xiàn)是聲傳播路徑，v(t)和x(t)分別為聲源信號(hào)和反饋信號(hào)，y(t)是麥克風(fēng)的輸入信號(hào)，u(t)是經(jīng)過功率放大器處理后的聲信號(hào)。

根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定準(zhǔn)則，當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的某個(gè)角頻率w的回路響應(yīng)的幅度和相位同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，就會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而引起嘯叫。

其中G(w)為放大器的頻率響應(yīng)，F(xiàn)(w)為聲傳播路徑的頻率響應(yīng)?？偟膩碚f，產(chǎn)生嘯叫必須同時(shí)滿足振幅條件：反饋增益大于1。相位條件：聲源信號(hào)的相位和反饋信號(hào)的相位是相同的。因此嘯叫抑制技術(shù)實(shí)際上就是破壞嘯叫產(chǎn)生的幅度要求或者相位要求。

研究人員針對(duì)嘯叫抑制主要提出了兩大類方法，被動(dòng)抑制的方法和主動(dòng)控制的方法。

被動(dòng)抑制嘯叫的原理是減少直達(dá)和反射聲，我們可以根據(jù)聲場特性，從聲場布局、聲場調(diào)整、擴(kuò)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)、擴(kuò)音設(shè)備選型等方向抑制嘯叫。主要包括：

（1）從室內(nèi)建筑聲學(xué)、如室內(nèi)的裝修，裝修材料的選擇等方向來抑制嘯叫，具體的方法諸如：擺放更多的桌椅，安裝天花石膏吊頂，選擇吸聲材料作為裝修材料等等。

（2）合理地?cái)[放麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器：將麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器置于不同的聲場顯然是最好的方法，可以破壞正反饋，避免嘯叫，但這種方法難以實(shí)現(xiàn)。因此我們可通過選擇合適的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的擺放位置來抑制嘯叫，如讓麥克風(fēng)盡量不要正對(duì)揚(yáng)聲器。

（3）選擇合適的擴(kuò)聲設(shè)備，如盡量選用低敏感度、高指向性的麥克風(fēng)。

但是，這種方法只是被動(dòng)地抑制嘯叫，造價(jià)和施工難度太大，不具有普遍推廣意義。

相較于被動(dòng)抑制嘯叫的方法，主動(dòng)控制嘯叫的方法利用數(shù)字設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低，可復(fù)制，能夠普遍推廣。傳統(tǒng)且主流的主動(dòng)控制方法有三種，分別為相位調(diào)制法、增益控制法和自適應(yīng)反饋抵消法。

相位調(diào)制法

相位調(diào)制法，簡單來說就是移頻法和移相法，移頻法和移相法進(jìn)行嘯叫抑制的原理是把輸入信號(hào)的頻率分量往前或者往后移動(dòng)，使得輸入信號(hào)與聲反饋信號(hào)頻率之間的疊加現(xiàn)象消失，或者使聲反饋相位和輸入信號(hào)的相位產(chǎn)生偏差，破壞了嘯叫形成的相位條件，從而達(dá)到抑制嘯叫的目的。該方法算法簡單，且對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)增益有明顯提升，可以快速實(shí)現(xiàn)嘯叫抑制，但是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行移頻或者移相的操作，對(duì)信號(hào)的音質(zhì)損失很大，會(huì)導(dǎo)致聲信號(hào)的音質(zhì)效果變差。

增益控制法

增益控制法通過降低正反饋環(huán)路中的增益，破壞了嘯叫形成的幅值條件，達(dá)到嘯叫抑制的效果。根據(jù)需要增益值降低的頻帶寬度的范圍，增益控制法分為三類，自動(dòng)增益控制法（AGC），自動(dòng)均衡法（AEQ）和基于陷波濾波器的嘯叫抑制法（NHS）。當(dāng)需要將系統(tǒng)增益降低時(shí)，AGC會(huì)在信號(hào)的整個(gè)頻帶范圍內(nèi)降低增益，有些沒產(chǎn)生嘯叫的頻點(diǎn)幅值也會(huì)被降低。AEQ會(huì)把聲音信號(hào)分為幾個(gè)頻段，將嘯叫頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻段進(jìn)行增益衰減，整體受影響不大。而NHS是在特定的頻率點(diǎn)進(jìn)行增益控制，采用陷波濾波器的嘯叫抑制法只對(duì)自激振蕩的頻率點(diǎn)附近進(jìn)行增益控制，在嘯叫頻率點(diǎn)檢測(cè)準(zhǔn)確的情況下，對(duì)附近頻率的幅值影響比其它兩種方法小，并且計(jì)算復(fù)雜度低。

自適應(yīng)反饋抵消法

自適應(yīng)反饋抵消法（AFC）根據(jù)輸入信號(hào)，對(duì)聲傳播路徑進(jìn)行建模識(shí)別，從而估計(jì)得到聲反饋信號(hào)，最后在麥克風(fēng)的輸入信號(hào)中減去估計(jì)出的聲反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)嘯叫抑制。目前AFC的關(guān)鍵在于自適應(yīng)算法的選擇，應(yīng)用較為普遍的是最小均方誤差算法（LMS）。理論上如果可以精確地估計(jì)出聲傳播路徑，AFC可以完全地消除嘯叫。但是揚(yáng)聲器信號(hào)和麥克風(fēng)信號(hào)一般具有一定的相關(guān)性，會(huì)造成一些估計(jì)誤差，利用噪聲信號(hào)法、非線性處理法等去相關(guān)技術(shù)可降低兩種信號(hào)的相關(guān)性，但是去相關(guān)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致一定的聲信號(hào)失真，因此需要根據(jù)實(shí)際使用場景在去相關(guān)和音質(zhì)之間做一個(gè)權(quán)衡。

近年來隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，研究人員提出了基于深度學(xué)習(xí)的嘯叫抑制解決方案，這類算法包含三個(gè)部分，特征提取，學(xué)習(xí)模型和訓(xùn)練目標(biāo)。通過把嘯叫信號(hào)和純凈語音信號(hào)混合得到的聲信號(hào)作為訓(xùn)練樣本，最終訓(xùn)練出能夠抑制嘯叫的網(wǎng)絡(luò)模型。利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行嘯叫抑制的處理步驟通常是首先獲得摻雜嘯叫信號(hào)的混合聲信號(hào)作為輸入數(shù)據(jù)，再對(duì)混合聲信號(hào)提取語音特征，根據(jù)期望聲信號(hào)的不同提取不同的特征，常用的特征有時(shí)頻特征、頻譜、梅爾倒譜(MFCC)、Gamma倒譜（GFCC）等特征，之后建立網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)模型通常是RNN系列的模型及其變種，例如LSTM、GRU等。最后對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練得到一個(gè)可以將混合聲信號(hào)映射為純凈語音信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)模型。目前，利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行嘯叫抑制的技術(shù)正在快速發(fā)展，希望在抑制嘯叫方面能夠達(dá)到更好的效果。

總的來說，傳統(tǒng)方法和基于深度學(xué)習(xí)的嘯叫抑制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景來選擇最合適的方法。