基于移频和自适应陷波器的啸叫抑制算法

薛建清

（福建星网智慧科技有限公司，福建 福州 530002）

1 移频算法概述

在扩声场景下，麦克风和扬声器会形成扬声器-功率放大器-扬声器闭环回路[1]，某些频点被不断加强，从而引发啸叫。啸叫发生时，会损坏扬声器，损害听力，严重影响体验。针对上述问题，需要使用啸叫抑制算法进行声反馈抑制。常用的啸叫抑制算法有移频、移相、陷波器以及自适应啸叫抑制算法等。

移频是信号频谱的整体频移，破坏了闭环中的频率叠加效应，从而达到抑制啸叫的目的[2]。

本文所提的算法移频模块采用Weaver 移频算法[3-4]，使得整体频谱向上移动5 Hz，算法框架如图1 所示。

图1 Weaver 算法框架

该算法被称作生成单边带信号的第三种方法[5-6]。其特点是以固定频率生成正交信号。本文采用4 kHz 作为固定频率。移频算法依赖于低通滤波器的选择。常用的带通滤波器有巴特沃斯和切比雪夫滤波器。两种滤波器的频响对比如图2所示。从图2 可以看出，巴特沃斯滤波器过渡带长，切比雪夫滤波器的过渡带小。两种滤波器局部放大的频响曲线如图3、图4 所示。从图3、图4 可看出，巴特沃斯滤波器的通带波动小，切比雪夫滤波器的通带有波动。

图2 巴特沃斯和切比雪夫滤波器频响对比

图3 巴特沃斯滤波器频响曲线局部放大

图4 切比雪夫滤波器频响曲线局部放大

2 自适应陷波器算法

本文提出的自适应陷波器算法框架如图5 所示。将信号划分为8 个子频带，每个子频带分别提取频谱峰度特征，若大于上限阈值，则判定该子带存在啸叫频点，使用陷波器处理子频带中最高啸叫频点。

图5 自适应陷波器算法框架

频谱峰度度量（SPM）指的是用1 减去带功率谱的几何平均值与带功率谱的算术平均值之间的比率，计算式为：

式中：X(k,l)表示频带索引k的频谱幅度，l表示帧的索引，K表示频带的数量。进一步地，SPM 度量按照如下公式进行平滑，得到当前帧各个子带频谱峰度特征。若大于上限阈值，则判定该子带存在啸叫频点，使用陷波器处理子频带中最高啸叫：

由于陷波器的作用，信号能量会降低，所以需要增益补偿改善声压损失[8]。本文采用动态范围控制器，信号先通过噪声门限器，对低于噪声门限阈值的信号进行抑制，接着通过指定动态范围内的信号做增益补偿，弥补声压的损失。

3 仿真分析

3.1 实时性

在移动设备（处理器为4 核Cortex-A17）外接拾音器和扬声器（间距1.5 m），对着拾音器说话，经固定延时150 ms 从扬声器播放出来。本文提出的啸叫抑制方案可以有效地抑制啸叫的发生。具体耗时为处理10 ms 数据耗时242 μs，满足实时性要求。

3.2 录音测试

含有啸叫的信号波形和语谱如图6（a）所示，啸叫信号在波形上振幅大能量集中，语谱图上为持续的单频强信号。经啸叫抑制后的信号波形图和语谱图如图6（b）所示，可以看出，经算法处理后，啸叫信号的波形被明显抑制，从语谱图上可以看出，单频强信号被抑制明显，同时没有明显损伤语音信号；啸叫状态的终止比较精准，减小了语音的损伤。同时，啸叫状态的检测存在延时，为0.5～1.0 s，可以在较短时间内结束啸叫，避免引发更坏的影响。

图6 信号处理前后的波形图和语谱图

4 结语

本文通过结合移频和自适应陷波器算法，针对会议扩音场景下的啸叫问题，将麦克风采集信号先进行微量移频，破坏啸叫的产生条件，接着将信号划分8 个子频带，每个子频带提取频谱峰度特征判断是否啸叫，对啸叫频点做陷波处理，最后通过增益补偿弥补损失的声压，达到抑制啸叫、提高扬声器增益的目的。

在实际会议室场景录音数据上测试发现，本文提出的基于移频和自适应陷波器的啸叫抑制算法可以提供10～18 dB 的附加增益，能有效预防声反馈发生，具体取决于声学环境。同时，可以根据不同场景和需求，微调参数即可完成适配，操作简单，具有较好的使用价值。下一步拟改善啸叫检测的速度，改善啸叫自激阶段的体验。