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        一種用于聲紋信息采集的隔音箱

        2023-10-22 01:45:52趙磊苗寧康小東
        警察技術(shù) 2023年5期
        關(guān)鍵詞:效果環(huán)境信息

        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,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,犯罪手段多樣,犯罪團(tuán)伙人員組成復(fù)雜,涉案地域廣[3]。聲紋識別技術(shù)借助其獨(dú)特的生物學(xué)特征,成為新形勢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,同時市面上主流的科大訊飛、國音聚勢等廠商生產(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,這對后期的聲紋識別產(chǎn)生了直接影響。另外,聲紋信息樣本常采用多級、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)勢在于,通過將采集設(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說,體積小,重量輕,制作方法簡單,制作材料易獲取,價(jià)格低廉,使用和移動都極為方便。

        (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,同時重量輕,易于采購。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,簡約、美觀、易識別。

        按照以上材料制作完成的隔音箱長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)市場價(jià)格,單個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)裝修動輒數(shù)萬元的費(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,應(yīng)將其空腔正對被采集人員,平放在桌面上。同時把采集設(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,避免影響采集過程中的聲音質(zhì)量。

        二、效果測試

        聲紋識別中要特別注意噪聲強(qiáng)度及其帶來的影響,結(jié)合共振峰走勢,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,因而從含噪語音中提取完全純凈的語音幾乎是不可能的。對含噪語音的降噪處理只能是提高信噪比(SNR值),改善聽覺效果和語譜圖質(zhì)量[5]。

        (一)噪音分貝儀檢測

        在普通辦公室區(qū)間內(nèi)使用噪音分貝儀檢測環(huán)境噪音和隔音箱內(nèi)噪音,通過曲線測量得到聲強(qiáng)級,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。

        這里要說明的是,分貝(dB)通常用來表示聲音的強(qiáng)弱,是一個聲音能量與基準(zhǔn)能量之比取常用對數(shù)的“級”的單位,因此它不能簡單地用算術(shù)相加,而需按照對數(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,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,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,環(huán)境噪音/隔音箱內(nèi)噪音=5.012;

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

        當(dāng)差值為13dB時,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,對應(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)語譜圖檢測

        當(dāng)環(huán)境噪音在65dB時,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,時長約2分50秒,單聲道,均為wav格式,采樣率16kHz,采集精度16bit。通過聽辨分析,使用隔音箱錄制的音頻質(zhì)量更好,語音清晰可辨,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)對兩段錄音的寬帶語譜圖進(jìn)行分析比較。經(jīng)檢測,未使用隔音箱錄制的音頻信噪比(SNR值)為14.25dB,語譜圖充滿底噪,音節(jié)間的過渡不流暢,共振峰不清晰、間斷不連續(xù),語音特征反映不充分,無法滿足識別要求。相比之下,使用隔音箱錄制的音頻信噪比(SNR值)為22.85dB,語譜圖更為清晰,沒有底噪干擾,音節(jié)間的過渡更加流暢,共振峰明顯,語音特征反映充分,可以進(jìn)行聲紋識別(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。在聲紋識別等需要高品質(zhì)語音錄音的場合中,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)過多方測試,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,聲紋信息審核通過率已從此前的全年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

        針對聲紋識別領(lǐng)域中的環(huán)境噪音問題,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)量和聲紋識別準(zhǔn)確率,具有實(shí)用價(jià)值。通過不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和改善制作工藝,未來該隔音箱會有更好的應(yīng)用效果。

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