一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法、系统与设备

专利名称：一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法、系统与设备

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410716367.7

专利申请（专利权）人：辽宁工业大学
权利人地址：辽宁省锦州市古塔区士英街169号

专利发明（设计）人：发明人:董桓羽,李晏评,董博,申钰,何坤泽

专利摘要：本发明公开了一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法、系统与设备，涉及音频调节技术领域，包括步骤：使用自然声源作为掩蔽音原始音频；处理自然声源的频率响应特性，合成与人耳听阈图中语音区域上限中高频段变换趋势一致的频率响应曲线，获得掩蔽音信号；采集车内外环境噪声，对环境噪声进行傅里叶变换并计算三分之一倍频程谱，基于音调参数判定环境噪声中是否存在单频信号，找出属于警示音的单频信号时，使用陷波滤波器和增强警示音消除掩蔽音的掩蔽作用，并根据行车环境噪声变化，通过控制扬声器调节掩蔽音。本发明对自然声源进行分频段处理，按照人耳语音听阈上限曲线合成具有相同频率的掩蔽音，在听觉舒适性的前提下，有效掩蔽交谈语音。

主权利要求：
1.一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，包括如下步骤：录制自然声源作为屏蔽音的原始音源，并采集车内外的环境噪声；所述自然声源包括海浪声、瀑布声和流水声；
利用滤波器组结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整，合成一种与人耳听阈图中语音区域上限中高频段变换趋势一致的频率响应曲线，通过所述频率响应曲线获得掩蔽音信号；
对所述环境噪声进行傅里叶变换，计算环境噪声的三分之一倍频程谱，获得最终环境噪声，并基于音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号；
通过判定结果找出当前帧属于警示音的单频信号时，使用陷波滤波器对掩蔽音在警示音频率处进行陷波处理，并增强警示音信号，且在环境噪声变化时，通过所述环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节。
2.如权利要求1所述的一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，所述利用滤波器组结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整时，通过滤波器组进行原始音源的滤波处理，包括如下步骤：使用Gammatone滤波器组对分帧后的原始音源xi(n)进行滤波处理；其中Gammatone滤波器组时域的脉冲响应g(t)的具体表达式为：n‑1 ‑2πbt
g(t)＝ct e cos(2πf0t+φ),t＞0式中，fo为Gammatone滤波器组的中心频率；c为常数，用来控制信号滤波后的增益；n为滤波器阶数；φ为滤波器的相位；t为时间变量；b为衰减系数，具体表达式为：b(f0)＝1.019×(24.7+0.108f0)对原始音源xi(n)通过卷积进行滤波处理，具体表达式为：gi,m＝xi(n)*g(t)
其中，gi,m为经过滤波后得到子带滤波结果，m表示Gammatone滤波器组第m个子带滤波器。
3.如权利要求2所述的一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整，包括如下步骤：对滤波后的每一组信号gi,m做快速傅里叶变换，具体表达式为：式中，sa,m[k]i是第i帧的离散频谱，stepa为两个连续窗函数之间的样本个数；w[n]为海宁窗函数，n为任意离散点，N为离散信号长度，k为周期数，海宁窗函数的表达式为：式中，L为帧数，即窗函数长度；
将相位谱解卷绕，获得当前第i帧的频率偏移，具体表达式为：式中，(Δw[k])i,m为第i帧的频率偏移，
为第i帧的相位偏移， 为第i‑1帧的相位， 为第i帧的相位，Δta为前后两帧之间的时间间隔，wbin[k]为第k个采样点对应的频率。
4.如权利要求3所述的一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，所述获得当前第i帧的频率偏移后，计算第i帧信号的相位，包括如下步骤：卷绕的频率偏移(Δwwrapped[k])i，m具体表达式为：(Δwwrapped[k])i,m＝mod[((Δw[k])i,m+π),2π]‑π则补偿后的实际频率(wture[k])i,m具体表达式为：(wture[k])i,m＝wbin[k]+(Δwwrapped[k]i,m)将真实频率与期望信号的时间间隔相乘，获得音高转移后第i帧信号的相位具体表达式为：式中，Δts为音高转移的步长steps，通过原始信号步长stepa与音高转移系数s的乘积得到。
5.如权利要求4所述的一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，所述获得音高转移后第i帧信号的相位 包括如下步骤：处理相位调整后的音高转移频谱|(sa[k]i，m|及相位 具体表达式为：|(ss[k])i,m|＝|(sa[k])i,m
|其中，(ss[k])i，m为未相位调整的音高转移频谱；
将频域信号进行傅里叶逆变换，转换为时域信号，并加汉宁窗对信号进行平滑，得到第i帧时域信号qi，m[n]，具体表达式为：其中，M为总周期数量；
将完成音高转移的子带滤波器信号在时域相加，获得一个完整的语音帧信号pi，具体表达式为：将每一帧时域信号进行重叠相加，得到音高转移后的信号y[n]，具体表达式为：式中，L为帧数；u为单位阶跃函数。
6.如权利要求1所述的一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，通过所述频率响应曲线获得掩蔽音信号时，需使用逆滤波算法对音频系统的掩蔽音信号和车内声学边界条件进行均衡，获得均衡后的掩蔽音信号，包括如下步骤：计算车内左右双扬声器与两个麦克风之间的传递函数hL(n)和hR(n)；
对传递函数hL(n)和hR(n)进行快速傅里叶变换，并对变换后的结果取绝对值分别得到左右耳处传递函数的幅值响应|HL(k)|和|HR(k)|,对幅值响应进行逆滤波计算，分别获取左右耳的逆滤波函数；具体表达式为：式中，invHL,R(k)代表左右耳处传递函数的幅值响应的逆滤波结果， 是HL，R(k)的复共轭，β为正则化因子；
在每一帧掩蔽音经音频系统输出之前，将掩蔽音y[n]做快速傅里叶变换得到频域信号Y[k]，分别与左右逆滤波函数invHL(k)与invHR(k)做频域乘积，再进行傅里叶逆变换，获得逆滤波方法均衡后的掩蔽音信号z(n)；具体表达式为：z(n)＝ifft(Y[K]×invHL,R(k))其中，ifft为傅里叶逆变换。
7.如权利要求1所述的一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，所述基于音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号，包括如下步骤：在三分之一倍频程谱中从低频至高频逐一搜索每一条谱线，设第i条谱线幅值为Si，检查Si左右两侧临近谱线幅值Si±1；
若满足Si>Si±1，则判定当前谱线存在纯音的概率；
继续检查第i条谱线左右临近的第二和第三条谱线的幅值，即Si±2、3的幅值，且满足Si‑Si±2、3>7dB时，则判定当前谱线为纯音信号；
判定出纯音后，计算出音调参数的值T，具体表达式为：
式中，C为常数项，用来缩放音调计算结果使结果标准化；WT为加权函数，由与音高感知相关的音调分量的权重来确定；WN为由音调引起的总响度的计算分量，音调参数的单位为t.u.。
8.如权利要求1所述的一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，其特征在于，所述在环境噪声变化时，通过所述环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节，包括如下步骤：将掩蔽音z(n)分别输入自适应滤波器以及最小均方误差算法控制器中，经自适应控制器输出的信号s(n)将作为最终扬声器输出信号播放；
将s(n)与车内环境噪声信号v(n)在空间进行叠加，将s(n)+v(n)信号与期望信号d(n)相减，得到残差信号e(n)，e(n)信号反馈到最小均方误差算法中，更新自适应滤波器的权系数，进行增益的自适应控制；
其中，自适应滤波器w(n)的权系数的具体表达式为：
w(n+1)＝w(n)+u*e(n)*z(n)
式中，w(n+1)为下一个时刻的权重值，w(n)为当前时刻的权重值，u为步长参数。
9.一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽系统，其特征在于，包括：信息获取模块，用于录制自然声源作为屏蔽音的原始音源，并采集车内外的环境噪声；
所述自然声源包括海浪声、瀑布声和流水声；
合成模块，用于利用滤波器组结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整，合成一种与人耳听阈图中语音区域上限中高频段变换趋势一致的频率响应曲线，通过所述频率响应曲线获得掩蔽音信号；
判定模块，用于对所述环境噪声进行傅里叶变换，计算环境噪声的三分之一倍频程谱，获得最终环境噪声，并基于音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号；
调节模块，用于通过判定结果找出当前帧属于警示音的单频信号时，使用陷波滤波器对掩蔽音在警示音频率处进行陷波处理，并增强警示音信号，且在环境噪声变化时，通过所述环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有程序，所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至8中任一项所述一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法的步骤。 说明书 : 一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法、系统与设备技术领域[0001] 本发明涉及音频调节技术领域，特别涉及一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法、系统与设备。背景技术[0002] 当今，随着社会经济的发展，乘用车不单单具有交通工具的作用，同时也是会议沟通及商务交谈的隐私移动空间，这使得车内后排乘客的交谈隐私越来越受到重视。[0003] 多数环境下，为了防止交谈隐私内容的泄密，车内重要谈话内容(商业机密等)通常不希望被车内驾驶员听到，但对于公务轿车和商务车而言，由于车内空间限制和声波的漫反射特性，无法有效隔绝驾驶员与后排乘客之间的声音传递，极易造成后排交谈隐私内容的泄密。使用针对保护车内后排乘客交谈隐私的技术解决方案十分稀少，整体来看，现有的车内交谈隐私保护方案可以分为两大类，第一类是通过物理方法进行空间声音的隔绝，第二类是利用数字音频信号处理方法实现对后排乘客交谈声波的空间抵消。[0004] 对于第一类方法，通常使用隔板或特殊隔声材料将驾驶室与后排乘坐空间进行物理隔绝，防止声波通过空气传播到驾驶室内，实现对交谈隐私的保护。但这种方法需要对车辆加装特殊的隔声结构，影响车内的乘坐空间，安装成本较高。并且，当加装隔声结构后，后排乘客与驾驶员之间的声音传播路径也被隔绝，造成紧急情况下信息传递不便。对于第二类方法，通常使用数字音频处理算法在车内空间对交谈语音进行声波抵消。这类方法同样在驾驶员头枕位置布置两个扬声器，同时在后排乘客区域和驾驶员耳部分别布置侦测传声器与误差传声器，使用主动降噪算法实时计算与交谈语音反向位的抵消声波，并通过头枕边双扬声器输出，进而抵消交谈语音达到保护隐私的目的。这类方法虽然目前在乘用车上已得到应用，但整体方法的硬件复杂度高，并且要实时发出极低延时的反向抵消声波，需要有较强的硬件算力才能满足计算速度的需求。在快速时变噪声环境下，容易产生算法计算速度跟不上噪声变化速度的情况，因此这类方法对后排交谈隐私保护的效果有限，不能做到任何行驶工况下完全屏蔽后排语音，驾驶员依然可以根据部分听到的关键词猜测出交谈的核心内容。发明内容[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法、系统与设备，以解决现有技术中对后排交谈隐私保护的效果有限，不能做到任何行驶工况下完全屏蔽后排语音，驾驶员依然可以根据部分听到的关键词猜测出交谈的核心内容的问题。[0006] 本发明具体提供如下技术方案：一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，包括如下步骤：[0007] 录制自然声源作为屏蔽音的原始音源，并采集车内外的环境噪声；所述自然声源包括海浪声、瀑布声和流水声；[0008] 利用滤波器组结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整，合成一种与人耳听阈图中语音区域上限中高频段变换趋势一致的频率响应曲线，通过所述频率响应曲线获得掩蔽音信号；[0009] 对所述环境噪声进行傅里叶变换，计算环境噪声的三分之一倍频程谱，获得最终环境噪声，并基于音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号；[0010] 通过判定结果找出当前帧属于警示音的单频信号时，使用陷波滤波器对掩蔽音在警示音频率处进行陷波处理，并增强警示音信号，且在环境噪声变化时，通过所述环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节。[0011] 优选的，所述利用滤波器组结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整时，通过滤波器组进行原始音源的滤波处理，包括如下步骤：[0012] 使用Gammatone滤波器组对分帧后的原始音源xi(n)进行滤波处理；其中Gammatone滤波器组时域的脉冲响应g(t)的具体表达式为：[0013] g(t)＝ctn‑1e‑2πbtcos(2πf0t+φ),t＞0[0014] 式中，fo为Gammatone滤波器组的中心频率；c为常数，用来控制信号滤波后的增益；n为滤波器阶数；φ为滤波器的相位；t为时间变量；b为衰减系数，具体表达式为：[0015] b(f0)＝1.019×(24.7+0.108f0)[0016] 对原始音源xi(n)通过卷积进行滤波处理，具体表达式为：[0017] gi,m＝xi(n)*g(t)[0018] 其中，gi,m为经过滤波后得到子带滤波结果，m表示Gammatone滤波器组第m个子带滤波器。[0019] 优选的，所述结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整，包括如下步骤：[0020] 对滤波后的每一组信号gi,m做快速傅里叶变换，具体表达式为：[0021][0022] 式中，sa,m[k]i是第i帧的离散频谱，stepa为两个连续窗函数之间的样本个数，这里取75％的重叠率；w[n]为海宁窗函数，n为任意离散点，N为离散信号长度，k为周期数，海宁窗函数的表达式为：[0023][0024] 式中，L为帧数，即窗函数长度；[0025] 将相位谱解卷绕，获得当前第i帧的频率偏移，具体表达式为：[0026][0027] 式中，(Δw[k])i,m为第i帧的频率偏移，为第i帧的相位偏移， 为第i‑1帧的相位， 为第i帧的相位，Δta为前后两帧之间的时间间隔，wbin[k]为第k个采样点对应的频率。[0028] 优选的，所述获得当前第i帧的频率偏移后，计算第i帧信号的相位，包括如下步骤：[0029] 卷绕的频率偏移(Δwwrapped[k])i，m具体表达式为：[0030] (Δwwrapped[k])i,m＝mod[((Δw[k])i,m+π),2π]‑π[0031] 则补偿后的实际频率(wture[k])i,m具体表达式为：[0032] (wture[k])i,m＝wbin[k]+(Δwwrapped[k]i,m)[0033] 将真实频率与期望信号的时间间隔相乘，获得音高转移后第i帧信号的相位具体表达式为：[0034][0035] 式中，Δts为音高转移的步长steps，通过原始信号步长stepa与音高转移系数s的乘积得到。[0036] 优选的，所述获得音高转移后第i帧信号的相位 包括如下步骤：[0037] 处理相位调整后的音高转移频谱|(sa[k])i，m|及相位 具体表达式为：[0038] |(ss[k])i,m|＝|(sa[k])i,m[0039][0040] 其中，(ss[k])i，m为未相位调整的音高转移频谱；[0041] 将频域信号进行傅里叶逆变换，转换为时域信号，并加汉宁窗对信号进行平滑，得到第i帧时域信号qi，m[n]，具体表达式为：[0042][0043] 其中，M为总周期数量；[0044] 将完成音高转移的子带滤波器信号在时域相加，获得一个完整的语音帧信号pi，具体表达式为：[0045][0046] 将每一帧时域信号进行重叠相加，得到音高转移后的信号y[n]，具体表达式为：[0047][0048] 式中，L为帧数；u为单位阶跃函数，steps为相位调整后两个连续窗函数之间的样本个数。[0049] 优选的，通过所述频率响应曲线获得掩蔽音信号时，需使用逆滤波算法对音频系统的掩蔽音信号和车内声学边界条件进行均衡，获得均衡后的掩蔽音信号，包括如下步骤：[0050] 计算车内左右双扬声器与两个麦克风之间的传递函数hL(n)和hR(n)；[0051] 对传递函数hL(n)和hR(n)进行快速傅里叶变换，并对变换后的结果取绝对值分别得到左右耳处传递函数的幅值响应|HL(k)|和|HR(k)|,对幅值响应进行逆滤波计算，分别获取左右耳的逆滤波函数；具体表达式为：[0052][0053] 式中，invHL,R(k)代表左右耳处传递函数的幅值响应的逆滤波结果， 是HL，R(k)的复共轭，β为正则化因子；[0054] 在每一帧掩蔽音经音频系统输出之前，将掩蔽音y[n]做快速傅里叶变换得到频域信号Y[k]，分别与左右逆滤波函数invHL(k)与invHR(k)做频域乘积，再进行傅里叶逆变换，获得逆滤波方法均衡后的掩蔽音信号z(n)；具体表达式为：[0055] z(n)＝ifft(Y[K]×invHL,R(k))[0056] 其中，ifft为傅里叶逆变换。[0057] 优选的，所述基于音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号，包括如下步骤：[0058] 在三分之一倍频程谱中从低频至高频逐一搜索每一条谱线，设第i条谱线幅值为Si，检查Si左右两侧临近谱线幅值Si±1；[0059] 若满足Si>Si±1，则判定当前谱线存在纯音的概率；[0060] 继续检查第i条谱线左右临近的第二和第三条谱线的幅值，即Si±2、3的幅值，且满足Si‑Si±2、3>7dB时，则判定当前谱线为纯音信号；[0061] 判定出纯音后，计算出音调参数的值T，具体表达式为：[0062][0063] 式中，C为常数项，用来缩放音调计算结果使结果标准化；WT为加权函数，由与音高感知相关的音调分量的权重来确定；WN为由音调引起的总响度的计算分量，音调参数的单位为t.u.。[0064] 优选的，所述在环境噪声变化时，通过所述环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节，包括如下步骤：[0065] 将掩蔽音z(n)分别输入自适应滤波器以及最小均方误差算法控制器中，经自适应控制器输出的信号s(n)将作为最终扬声器输出信号播放；[0066] 将s(n)与车内环境噪声信号v(n)在空间进行叠加，将s(n)+v(n)信号与期望信号d(n)相减，得到残差信号e(n)，e(n)信号反馈到最小均方误差算法中，更新自适应滤波器的权系数，进行增益的自适应控制；[0067] 其中，自适应滤波器w(n)的权系数的具体表达式为：[0068] w(n+1)＝w(n)+u*e(n)*z(n)[0069] 式中，w(n+1)为下一个时刻的权重值，w(n)为当前时刻的权重值，u为步长参数。[0070] 本发明提供一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽系统，包括：[0071] 信息获取模块，用于录制自然声源作为屏蔽音的原始音源，并采集车内外的环境噪声；所述自然声源包括海浪声、瀑布声和流水声；[0072] 合成模块，用于利用滤波器组结合音高转移方法将所述原始音源的频率成分进行重新分配和调整，合成一种与人耳听阈图中语音区域上限中高频段变换趋势一致的频率响应曲线，通过所述频率响应曲线获得掩蔽音信号；[0073] 判定模块，用于对所述环境噪声进行傅里叶变换，计算环境噪声的三分之一倍频程谱，获得最终环境噪声，并基于音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号；[0074] 调节模块，用于通过判定结果找出当前帧属于警示音的单频信号时，使用陷波滤波器对掩蔽音在警示音频率处进行陷波处理，并增强警示音信号，且在环境噪声变化时，通过所述环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节。[0075] 本发明提供一种计算机设备，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有程序，所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法的步骤。[0076] 与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：[0077] 本发明基于符合人耳基底膜非线性频率响应特性的滤波器组，使用音高转移方法对自然声源进行分频段处理，并按照人耳语音听阈上限曲线合成具有相同频率响应特性的掩蔽音，合成后的掩蔽音能有效掩蔽交谈语音，并使驾驶员具有良好的听觉舒适性，并在时变噪声环境下，基于音调参数判定每一帧通过计算三分之一倍频程谱后的环境噪声中是否存在属于警示音的单频信号，使用陷波滤波器和警示音增强消除掩蔽音对警示音的掩蔽作用，通过变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节，依然能有效保护交谈隐私，并且降低了因时变噪声的干扰而引起驾驶疲劳，提升驾驶专注度。附图说明[0078] 图1是本发明提供的人耳听阈图；[0079] 图2是本发明提供的掩蔽音的频率响应曲线图；[0080] 图3是本发明提供的单频信号判定方法示意图；[0081] 图4是本发明提供的自适应增益控制系统框图；[0082] 图5是本发明提供的系统方案流程图；[0083] 图6是本发明提供的扬声器和传声器的安装位置图；其中，(a)为正视图，(b)为侧视图。具体实施方式[0084] 下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。[0085] 本发明针对上述问题，将利用人耳听觉的噪声掩蔽特性，采用在驾驶员座椅头枕位置布置左右双扬声器的方案，通过扬声器发出特定的掩蔽噪声实现对后排乘员交谈隐私的保护。在具体方案中，掩蔽声源的合成是本发明的核心内容之一，在室内声学中(例如开放办公室、医院等场所)近些年已出现声学掩蔽系统的应用，其主要目的在于通过掩蔽噪声隔绝外界环境噪声的干扰，进而提升员工工作效率以及维持相对静谧的声学环境。在这些应用中，绝大部分使用的掩蔽声源为白噪声或粉红噪声，这两种噪声是自然界中常见的具有较好掩蔽效果的噪声源，但这两种噪声高频成分较多，因此掩蔽音听起来较为尖锐刺耳，在车内使用容易造成驾驶员听觉疲劳、心理烦躁等不良反应，因此并不适合作为车内掩蔽音来使用。本发明将首先从掩蔽音源入手，使用模拟人耳基底膜非线性感知响应的Gammatone滤波器组对自然声源(如海浪声、瀑布流水声、下雨声)进行分频段滤波，得到人耳对自然声源的实际频率响应，然后使用音高转移算法，结合人耳可听域图(图1)中语音听阈范围的声压级上限来调整各滤波频段的频率响应大小，在考虑扬声器频率响应特性以及车内声学边界条件后，使最终头枕边扬声器输出具有和人耳听阈图语音区域上限中高频段变化趋势相一致的频率响应曲线。自然声源经过以上方法处理后，在保证具有较好掩蔽效果的同时，可以最大限度的降低掩蔽噪声对驾驶员听觉感知及驾驶情绪的影响。[0086] 此外，汽车在行驶途中，风噪、胎噪等时变非稳态噪声会不停改变车内背景噪声环境的大小，背景噪声会与座椅头枕处扬声器发出的掩蔽音叠加，如果掩蔽音设置为固定声压级输出，必然会造成在较低背景噪声环境下，掩蔽效果不理想；在较高背景噪声环境下，掩蔽音叠加背景噪声造成驾驶员耳部位置声压级过大的情况。因此，为解决时变背景噪声对车内隐私系统的不利影响，掩蔽声源的自适应增益控制是本发明的第二个核心内容。在硬件布置方面，在驾驶员头枕部位布置两个回馈传声器，用来实时监测驾驶员耳部位置噪声变化情况，根据回馈传声器采集的信号，实时计算和调整左右扬声器的输出信号的频率分布与增益。为了防止瞬态噪声变化造成增益控制后的声压级忽高忽低，将采用多数据帧平滑算法，使掩蔽音的增益平稳变化，不易被驾驶员察觉进而减少掩蔽噪声对驾驶安全的影响。[0087] 整套车内声学掩蔽系统在保证交谈隐私和驾驶员听觉舒适性的同时，还需要重点考虑驾驶安全。由于驾驶员耳部布置了两个掩蔽扬声器，当隐私保护系统开启时，掩蔽音通过听觉掩蔽效应保护了后排乘客的交谈隐私，但也屏蔽掉了车内外的警示音(例如：车外鸣笛声、车内警报音等)。这些警示声音有一个共同特点，一般都为单一频率或多个单一频率叠加的声音(例如：滴滴声)，利用这一特点，本发明将使用音调(Tonality)参数，通过车内外布置的侦测传声器(车外在车顶布置一个侦测传声器，车内使用驾驶员耳部位置的回馈传声器)实时采集环境噪声，当环境中有警示音存在时，音调参数数值会显著提升。当音调数值超过设定的阈值时，系统判定当前环境中存在警示音，并对该帧信号进行傅里叶变换，得到警示音频率值，使用陷波滤波器对掩蔽音在警示音频率处进行陷波处理，并对单频音进行增强后由头枕处双扬声器输出，从而消除掩蔽音对警示音的掩蔽作用，使驾驶员在隐私保护系统工作的同时也能听清车内外警示音，提升行车的安全性。[0088] 如图1所示，本申请的实施例提供一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法，包括如下步骤：[0089] 步骤S1：录制自然声源作为掩蔽音的原始音源，并采集车内外的环境噪声。自然声源包括海浪声、瀑布声和流水声。[0090] 步骤S2：利用Gammatone滤波器组，并结合音高转移方法将原始音源的频率成分进行重新分配和调整，即处理原始音源的频率响应特性，合成一种与人耳听阈图中语音区域上限中高频段变换趋势一致的频率响应曲线，通过频率响应曲线获得掩蔽音信号，进行音源屏蔽。[0091] 具体为：[0092] 掩蔽音的处理与合成：[0093] 使用接近于白噪声或粉红噪声频响特性的自然声源(海浪声、瀑布声、流水声等)x(n)，将音频信号进行分帧(帧长设定为16ms)。具体公式如公式1所示：[0094][0095] 式中，fn为帧数，N为信号长度，overlap为两帧得重叠部分长度，inc为帧移。[0096] 使用Gammatone滤波器组对分帧后的自然声源xi(n)(i表示帧数)进行滤波处理，Gammatone滤波器组时域的脉冲响应如式2所示：[0097] g(t)＝ctn‑1e‑2πbtcos(2πf0t+φ),t＞0(2)[0098] 式中，fo为Gammatone滤波器组的中心频率；c为常数，用来控制信号滤波后的增益；n为滤波器阶数，通常设置为4阶来准备模拟人耳的听觉响应；φ为滤波器的相位；t为时间变量；b为衰减系数，可以用中心频率f0通过下式计算得到：[0099] b(f0)＝1.019×(24.7+0.108f0)3)[0100] 对自然(原始)声源xi(n)的滤波过程通过卷积计算实现，如公式4所示：[0101] gi,m＝xi(n)*g(t)(4)[0102] 经过滤波后得到40个频率分布在125到8000Hz之间的子带滤波结果gi,m，这里，m表示Gammatone滤波器组第m个子带滤波器。[0103] 对滤波后的每一个子带信号gi,m进行音高转移(pitchshifting)，音高转移的主要目的是将自然声源的频率成分进行重新分配和调整，将高频部分能量转移到语音频率区间，加强语音掩蔽效果的同时，降低尖锐高频音对听感的不良影响。音高转移的具体方法如下：[0104] 首先，对滤波后的每一组信号gi,m做快速傅里叶变换，变换如公式5所示：[0105][0106] 式中，sa,m[k]i是第i帧的离散频谱，stepa为两个连续窗函数之间的样本个数，这里取75％的重叠率；n为任意离散点，N为离散信号长度，k为周期数，w[n]为海宁窗函数，加窗函数的目的是减少频域变换时的能量泄漏，窗函数的表达式如式6所示：[0107][0108] 式中，L为帧数，即窗函数长度；随后将相位解卷绕，信号在重叠相加时，会产生相位的偏移，并且相位谱在‑Π到Π之间发生卷绕，因此需要将相位谱解卷绕，首先获得当前第i帧的频率偏移，如公式7所示：[0109][0110] 上式中，(Δw[k])i,m为第i帧的频率偏移，为第i帧的相位偏移， 为第i‑1帧的相位， 为第i帧的相位，Δta为前后两帧之间的时间间隔，wbin[k]为第k个采样点对应的频率。[0111] 卷绕的频率偏移(Δwwrapped[k])i，m如公式8所示：[0112] (Δwwrapped[k])i,m＝mod[((Δw[k])i,m+π),2π]‑π(8)[0113] 因此，补偿后的实际频率(wture[k])i,m可以由式9计算得到：[0114] (wture[k])i,m＝wbin[k]+(Δwwrapped[k]i,m)(9)[0115] 将上式计算得到的真实频率与期望信号的时间间隔相乘，即可获得音高转移后第i帧信号的相位 如下式10所示：[0116][0117] 式中，Δts为音高转移的步长steps，它可以通过原始信号步长stepa与音高转移系数s的乘积得到。相位调整后的音高转移频谱|(sa[k])i，m|及相位 可由公式11和12计算得出。[0118] |(ss[k])i,m|＝|(sa[k])i,m|(11)[0119][0120] 其中，(ss[k])i，m为未相位调整的音高转移频谱；将频域信号进行傅里叶逆变换，转换为时域信号，并加汉宁窗对信号进行平滑，得到第i帧时域信号qi，m[n]，如公式13所示：[0121][0122] 其中，M为总周期数量。然后，将40个完成音高转移的子带滤波器信号在时域相加，获得一个完整的语音帧信号pi：[0123][0124] 最后，将每一帧时域信号进行重叠相加，得到音高转移后的信号y[n]：[0125][0126] 式中，L为帧数；u为单位阶跃函数。[0127] 经过音高转移算法处理后，各频段的频率响应曲线代表了人耳对掩蔽音的真实听觉响应。通过以上的音高转移方法不断修正各频段的频率响应曲线，最终，得到如图2所示的掩蔽音频率响应曲线。[0128] 在获得掩蔽音信号时，需使用逆滤波算法对音频系统和车内声学边界条件进行均衡，获得均衡后的掩蔽音信号。[0129] 具体为：[0130] 经以上方法优化处理后的掩蔽音符合人耳的听觉响应特性，具有较好的掩蔽效果和听觉舒适性。但音频信号经过放大器、扬声器单元在车内进行播放时，整套音频系统的频率响应以及车内声学边界条件会再次影响掩蔽音的频响特性，造成掩蔽效果不佳或掩蔽音的听觉舒适性降低。因此，将使用逆滤波算法对音频系统和车内声学边界条件进行均衡，消除其对掩蔽音频影响特性的影响，以达到最优的掩蔽效果。其中，边界条件指的是车内边界如车门，顶棚等对声波的反射的影响，不同的边界条件，声音的频率分布会发生较大变化，例如：开车窗和关闭车窗开车时，两种情况下听到的声音是不同的。[0131] 使用驾驶员座椅头枕处的左右双扬声器播放扫频信号，同时使用耳边的两个回馈传声器采集信号，计算得到左右扬声器与两个麦克风之间的传递函数hL(n)和hR(n)。[0132] 对传递函数hL(n)和hR(n)进行快速傅里叶变换，并对变换后的结果取绝对值分别得到左右耳处传递函数的幅值响应|HL(k)|和|HR(k)|，对幅值响应进行逆滤波计算，分别获取左右耳的逆滤波函数，逆滤波计算如公式16所示：[0133][0134] 式中，invHL,R(k)代表左右耳处传递函数的幅值响应的逆滤波结果， 是HL，R(k)的复共轭，β为正则化因子，用来控制逆滤波器的能量输出。[0135] 得到传递函数的逆滤波函数后，在每一帧掩蔽音经音频系统输出之前，将掩蔽音y[n]做快速傅里叶变换得到频域信号Y[k]，然后分别与左右逆滤波函数invHL(k)与invHR(k)做频域乘积，然后再进行傅里叶逆变换，得到逆滤波方法均衡后的掩蔽音信号z(n)，如公式17所示：[0136] z(n)＝ifft(Y[K]×invHL,R(k))(17)[0137] 步骤S3：对环境噪声进行傅里叶变换，计算环境噪声的三分之一倍频程谱，获得最终环境噪声，并基于声品质分析中的音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号。即判定每一帧通过计算三分之一倍频程谱后的环境噪声中是否存在属于警示音的单频信号。[0138] 具体为：[0139] 经过算法处理的掩蔽音对车内警示音(未系安全带提醒、故障提示音等)及交通警示音(鸣笛声等)也会造成掩蔽，容易使驾驶员无法听清警示音而带来安全隐患。因此，为了消除这一不利影响，本发明增加了一种在掩蔽音环境下可以感知车内外警示音的方法，具体方法如下：[0140] 1.在车身外部车顶处安装监测麦克风，同时使用驾驶员双耳处的回馈麦克风实时采集车内外环境噪声，将收集到的环境噪声进行快速傅里叶变换，并计算三分之一倍频程谱。[0141] 2.使用声品质中的音调(Tonality)参数，判定每一帧环境噪声中是否存在单频信号(即警示音)，详细的警示音判定过程如下：[0142] (1)第一级判定：在三分之一倍频程谱中从低频至高频逐一搜索每一条谱线，设第i条谱线幅值为Si，检查Si左右两侧临近谱线幅值Si±1。[0143] 如果不满足Si>Si±1，则判定当前谱线不是纯音，继续判定下一条谱线；[0144] 如果满足Si>Si±1，则判定当前谱线有可能是纯音，要继续进行第二级判定。[0145] (2)第二级判定：在满足第一级判定条件下，继续检查第i条谱线左右临近的第二和第三条谱线的幅值，即Si±2、3。[0146] 如果不满足Si‑Si±2、3>7dB，则判定当前谱线不是纯音；[0147] 如果满足Si‑Si±2、3>7dB，则判定当前谱线为纯音信号，如下图3所示。[0148] 判定出纯音后，将通过以下公式计算出音调的参数值T：[0149][0150] 式中，C为常数项，用来缩放音调计算结果使结果标准化；WT为加权函数，由与音高感知相关的音调分量的权重来确定；WN为由音调引起的总响度的计算分量。音调参数的单位为t.u.，计算结果通常为0‑1t.u.之间。[0151] 3.通过以上逐级判定，找出当前帧信号中是否存在纯音，本方法设定的判定标准如下：[0152] 如果音调计算值T小于0.4，系统判定环境噪声中不存在纯音，当前帧被丢弃，继续判定下一帧信号。[0153] 如果音调计算值T大于等于0.4，系统判定环境噪声中存在单频警示音。[0154] 步骤S4：通过判定结果找出当前帧属于警示音的单频信号时，使用陷波滤波器对掩蔽音在警示音频率处进行陷波处理，并增强警示音信号，即消除掩蔽音对警示音的掩蔽作用，使掩蔽音不能掩蔽喇叭声等警示音，保证驾驶安全性，且在车内环境噪声变化时，通过环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节[0155] 通过以下步骤实现车内外警示功能。[0156] 对当前帧做快速傅里叶变换，然后使用峰值检测算法得到一个或多个单频警示音的频率f1‑fn。使用陷波滤波器在纯音频率f1‑fn处对掩蔽音进行陷波处理，降低这些频率点处掩蔽音对警示音的掩蔽作用。将f1‑fn频率位置的单频音进行增强，使单频音幅值高于驾驶员耳部掩蔽音(除去纯音部分)的平均值，并通过座椅头枕处的扬声器对外输出，实现对警示音的实时感知。[0157] 自适应增益控制用来控制头枕边扬声器的增益输出，使车辆在通过不同环境噪声的路况下，能够自动控制掩蔽音的增益，实现掩蔽音大小随背景噪声的变化而自适应调节。[0158] 自适应增益调节过程将通过最小均方误差(LMS)算法实现，具体的实现方法如下：[0159] 输入的掩蔽音z(n)经设计的理想声学控制函数p(n)滤波后，得到期望信号d(n)；同时z(n)还作为原始输入信号分别输入自适应滤波器w(n)以及最小均方误差算法控制器中；经自适应控制器输出的信号s(n)将作为最终扬声器输出信号在驾驶员耳部位置播放，s(n)与车内环境噪声信号v(n)在空间进行叠加，由驾驶员耳部反馈麦克风采集到系统的计算单元，计算单元将s(n)+v(n)信号与期望信号d(n)相减，得到残差信号e(n)，e(n)信号反馈到最小均方误差算法中，进而循环不断更新自适应滤波器的权系数，实现对增益的自适应控制，系统控制框图如图4所示。[0160] 权系数w(n)的更新如下式所示：[0161] w(n+1)＝w(n)+u*e(n)*z(n)(19)[0162] 式中，w(n+1)为下一个时刻的权重值，w(n)为当前时刻的权重值，u为步长参数，e(n)为空间混合信号与期望信号之间的误差。[0163] 理想声学控制函数p(n)即为扬声器至传声器之间的传递函数乘以增益控制因子α，p(n)的表达式如下式所示：[0164] p(n)＝a*hL,R(20)[0165] 增益控制因子α由系统标定得到；根据人耳的听阈图，语音声压级通常在30‑75dB之间，由于后排座椅到前排驾驶员之间通常有0.8‑1m的距离，考虑到声压级随距离的衰减，正常交谈条件下，到达驾驶员耳部的最大声压级大约在50dB左右。因此，本系统通过α的设定，使用LMS自适应控制算法使最终头枕处扬声器输出的期望声压级在55‑60dB之间，达到在保护后排交谈隐私的前提下，使驾驶员有较好的听觉舒适性。[0166] 整体系统的方法流程图如图5所示。[0167] 基于上述方法和陈述，本发明提供一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽系统，包括：信息获取模块、合成模块、判定模块与调节模块。[0168] 其中，信息获取模块用于录制自然声源作为屏蔽音的原始音源，并采集车内外的环境噪声；自然声源包括海浪声、瀑布声和流水声；合成模块用于利用滤波器组结合音高转移方法将原始音源的频率成分进行重新分配和调整，合成一种与人耳听阈图中语音区域上限中高频段变换趋势一致的频率响应曲线，通过频率响应曲线获得掩蔽音信号；判定模块用于对环境噪声进行傅里叶变换，计算环境噪声的三分之一倍频程谱，获得最终环境噪声，并基于音调参数判定每一帧最终环境噪声中属于警示音的单频信号；调节模块用于通过判定结果找出当前帧属于警示音的单频信号时，使用陷波滤波器对掩蔽音在警示音频率处进行陷波处理，并增强警示音信号，且在环境噪声变化时，通过环境噪声变化与掩蔽音信号之间的增益关系进行掩蔽音大小的自适应调节。具体为：系统中所需的扬声器、反馈传声器及侦测传声器在车上的安装位置如图6的(a)和(b)所示。[0169] 图6中S1和S2分别为驾驶员头枕处布置的扬声器1和扬声器2；M1、M2分别为驾驶员左右耳位置处布置的反馈传声器1和反馈传声器2，M3为车外车顶处布置的侦测传声器3。[0170] 本发明还提供一种计算机设备，包括存储器及处理器，存储器中储存有程序，程序被处理器执行时，使得处理器执行一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法的步骤。[0171] 根据公开的实施例，计算机设备可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、蓝牙通信等)通信，或与使得计算设备能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、解调器等)通信。[0172] 本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现一种保护车内后排交谈隐私的声学掩蔽方法的步骤。[0173] 以上内容是结合具体优选实施方式对本发明做进一步详细说明，对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2024-06-04

专利公开日期：2024-10-08

专利公告号：CN118748001A