声掩蔽系统的研究

杜雪梅，胡志勇，王武斌

(1.太原科技大学 计算机科学与技术学院，太原 030024；2.中国电子科技集团公司第三十三研究所，太原 030032)

声信息泄漏对保密会议室的信息安全造成严重的威胁，对声信息泄漏进行防护是重中之重。声掩蔽系统是根据掩蔽效应的原理工作的。掩蔽效应就是存在两个及两个以上的声音，因为其他声音使某一个声音的听不见或者听不清。当同时有多个声音的时候，要听清楚其中一个声音的内容就要把这个声音的音量提高，同样如果其中一个声音的音量增大，就会使其他的声音难以听清甚至听不到，即一个声音的听阈因为另一个声音的存在而提高了[1-3]。保密会议室声掩蔽系统针对无意识声音泄漏，泄漏途径有很多，图1是保密会议室内声音的泄漏途径，可以分为空气泄漏和振动泄漏，空气泄漏是会议室内的声音通过空气传播出来产生信息泄漏，如穿墙打孔、门缝、窗户密封性不好时也会产生空气泄漏，振动泄漏是声音作用于物体，物体振动产生的泄漏，如通风管道、穿墙暖气管道等[4-7]。本次所研制的声掩蔽系统就是针对这些泄漏途径进行的声音防护。

图1 保密会议室声音泄漏途径

目前常见的声掩蔽系统是采用特定的干扰源进行声音防护，干扰噪声的声压级都比被掩蔽音高出(5～12)dB，且掩蔽声的声压不可以调节，如果被掩蔽音增加音量，掩蔽效果下降就会产生泄漏，目前常用的干扰噪声主要有自然音、合成音、环境音、音乐、白噪声等单一干扰声源，采用这些干扰噪声进行声音掩蔽，存在一些缺陷：有的是舒适度不好，如白噪声，它的声音很刺耳，在掩蔽声音信息的同时还会干扰说话人的思维；有的是舒适度很好，但掩蔽效果不好，如自然音和音乐等，虽然声音舒缓动听但是窃听者仔细去听就可以听到想要的信息，都不适用于保密会议室[8-9]。因此，研究开发了不同混合声源作为掩蔽声的系统，既能保证很好掩蔽效果也有很好的舒适度，并且掩蔽声的声压级可以自适应调节，可一直确保声音被掩蔽。

国外对掩蔽声的研究比较早，作为掩蔽声的有背景音乐和背景噪声，背景音乐有很好的听觉舒适度，但是它只能干扰人们的注意力，没有很好的掩蔽效果；背景噪声是无意义噪声信号作为掩蔽声，其中最有效的掩蔽声粉红噪声，舒适度不好，还有一种掩蔽声是根据被掩蔽声产生的[10-11]。国外的很早就研发出了声掩蔽产品，1974年美国发布第一款声音掩蔽发生器MG1400，同年发布三款掩蔽扬声器等[12]。不过大多使用在图书馆、银行等地，都是用于防止有意识地声音泄漏，不适用于保密会议室的无意识泄漏。国外还有研究者提出了智能声掩蔽系统，即通过对目标语音的自学习，提取目标语音的音色特征，最后达到声迷惑的功能，白俄罗斯具有该产品，但是由于资料较少，没有该产品的更多信息。

国内对声音掩蔽的研究起步较晚，而且汉语是一种有语调的语言，与英语有很大的不同，如果同时存在汉语和英语，我们也能很清楚的听到汉语的讲话内容，不受干扰[13]。因此对于汉语语音进行声音掩蔽，不能直接采用国外的研究成果，需要借鉴并提出自主的研究技术。

国内研究人员针对三种常见的噪声对汉语语言清晰度的影响进行了研究，实验发现频谱越宽，掩蔽效果越好，其中语谱噪声的掩蔽效果最好；杨从晶等人提出声音掩蔽系统可以消除噪声干扰，实现语音保密的目的[14]；针对国内外语言差异，肖锋和陈国斌等人还建立了中国人的70 dB声压级的掩蔽数据库[15-16]。目前国内有部分公司已经研发出自主的声掩蔽系统，各有特点和侧重点，使用地点和国外一样，大多应用与办公行业和医疗等地[17]。某公司生产的声掩蔽系统是产生振动信号加在门窗等表面，音频干扰进行空间保护；北京某公司研究的声掩蔽干扰系统是适用于保密会议室。研究者们对于声掩蔽的研究一直没有中断，并不断地进行产品的优化更新。国内声掩蔽产品采用都是单一干扰声源且掩蔽声源的声压不可调节，随着目标语音声压增加，掩蔽效果降低，本声掩蔽系统简称YG，其掩蔽声的声压可自适应调节，可以一直确保良好的掩蔽效果。另外相比国外，国内的声掩蔽还处于噪声掩蔽，智能声掩蔽是进一步的研究方向。

1 系统设计及功能

1.1 总体设计

YG主要有声掩蔽主机，声音采集器，报警器，干扰器。

声掩蔽主机：用来控制各个模块，一个主机可以连接四个声采集器，一个报警器，支持八个空间干扰器或风道干扰器和八个玻璃干扰器或管道干扰器。

声音采集器：用来采集和分析会议室内的声音。

报警器：声压级过高报警和故障报警。

干扰器：包括风道干扰器，安装在空调进出口等通风口处，在背景噪声的作用下可以防止声音通过风道泄漏；空间干扰器，安装在吊顶内，添加背景噪声，防止声音从打孔处泄漏；玻璃干扰器，安装在玻璃上，添加背景噪声，防范声音从玻璃缝隙处泄漏。另外在玻璃上添加干扰振动，还可防止激光窃听；管道干扰器，安装在暖气管道处，添加背景噪声可防止声音通过管道振动发生泄漏。

(1)功能指标分析

声音采集与分析：将采集到的声音信号传送给声采集器的主控模块，主控模块对声音信号抽取样值，进行集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)和A计权拟合得到声音信号的声压级。得到的目标语音的声压再传送给主机。其中经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)是一种新型自适应信号时频处理方法，EEMD是针对EMD方法的不足而提出的基于噪声辅助的一种时频分析方法，而且是一种自适应的时频局部化分析方法，声音信号加上白噪声，利用白噪声频谱均衡的特点使得原声音信号频率的分布趋于均匀。A计权声压级是模拟人耳对40方纯音的响度，可以很好地反映出人耳对声音的主观感觉。

掩蔽声的声压可自动调节调节：YG与已存在的声掩蔽系统的不同之处在于，使用的新的掩蔽声源混合声源，掩蔽效果高于单一声源，且掩蔽声的声压比目标语音的声压高还随着目标语音声压的改变而自动调节的，更加增强了掩蔽效果，但是声压过大会损伤人的听力，刺激人们的听觉神经，不是越高越好。人耳对于(100～5 000)Hz的声音最为敏感，且人们言语频率主要也在(100～5 000)Hz，经过对比实验发现在此频率范围内，掩蔽声比目标语音高(15～20)dB，其他频率范围高(3～5)dB掩蔽效果最佳。

(2)性能指标分析

掩蔽声源的掩蔽度：一种声音对另一种声音的掩蔽情况可以用掩蔽度来进行评价，掩蔽度就是在有掩蔽声的情况下不能识别目标语音的程度，掩蔽度越大，掩蔽效果越好。通过研究发现，用于保密会议室的掩蔽系统，其掩蔽度达到70%并结合物理防护就能起到声音防护的作用。

1.2 软件设计

主机控制程序主要有报警声压阈值设置，干扰噪声选择并设置初始声压，声音数据采集分析，声压调节，干扰噪声播放。

对采集到的声音进行EEMD：首先将白噪声信号w(t)加入采集到的声音信号X(t)得到信号X′(t)：

X(t)=X(t)+w(t)

(1)

接着对信号X′(t)进EMD分解，得到各阶IMF分量，其中IMF分量是原始信号中各个频率的分量，rn(t)是信号分解后的剩余分量：

(2)

重复步骤上面两步，计算出最终的IMF总体均值信号cn(t)：

(3)

原声音信号X(t)经过EEMD处理后得到最终的信号为：

(4)

对信号X(t)计算A计权的频谱：

XA[t]=αA(ft)X[t]，ft=tΔf

(5)

对A计权频谱进行能量积分即可得到dBA：

(6)

干扰噪声是混合不同声源，混合声源的原理：首先将量化的语音信号的进行叠加，即空气中声波的叠加，每个声音信号的采样点的数值进行相加，并调试各自的声压倍率就可以得到混合声源。

干扰噪声播放：程序启动时，干扰器按照设定的初始声压播放干扰噪声，当主机采集到声音信号并分析后，干扰噪声根据分析到的目标语音声压的变化自动调节声压，确保保密会议室内的声音一直被掩蔽。

1.3 硬件设计

图2是硬件结构框图。YG主机中主要是有控制、上位机通信、通信、音频和播放五个模块。控制模块选用STM32F1芯片，是各个模块的中枢；上位机通信模块采用DM9051芯片，设计RJ45网口，通过网口与上位机PC进行通信，通信模块采用远程通信模式MAX485芯片，可以远距离传输，音频模块采用WT588D语音芯片，搭载SPI-flash存储芯片，能存储32M数据，播放模块采用TDA7297芯片，双通道输出，最大输出功率为2×15 W，可接(4～8)Ω的空间干扰器，玻璃干扰器，管道干扰器和风道干扰器，输出方式采用定压输出方式。

图2 硬件结构框图

声音采集器包括主控制模块采用STM32F1芯片，负责声音采集分析，与主机通信，传声器采用声压传感器MAX9814，灵敏度(30～130)dB，监测频率是31.5 Hz～8 KHz，通信模块采用MAX485.

空间干扰器、玻璃干扰器、风道干扰器、管道干扰器均采用(4～8)Ω，(3～5)W的播放器。

报警器的主控制模块采用STM32F1芯片，负责声光报警器控制和主机通信，声报警器的声压级推荐设定60 dB，也可以由用户自定义设置，光报警器设置为红灯闪烁，通信模块采用MAX485.

对于外壳设计，要满足可靠性、安全性、维修性等要求，主机和报警器外壳采用6063防锈铝合金材质，干扰器和声采集器外壳使用工程ABS塑料材质，添加有抗氧化剂、阻燃剂，外壳表面设计有格栅，对声音的采集和播放有利。图3从左到右依次为主机、空间干扰器、玻璃干扰器，图4从左到右依次为管道干扰器、风道干扰器和声音采集器。

图3 主机、空间干扰器和玻璃干扰器

图4 管道干扰器、风道干扰器和声音采集器

2 实验测试

测试时要对YG所使用的混合声源的掩蔽效果进行评价。本次实验采用主观质量评价，因为它能够真实反映语音质量[18-19]。实验时选择了6种掩蔽声，其中3个混合声源是YG所使用声源，另外3个掩蔽声源为已存在的声掩蔽系统所使用声源：分别是掩蔽效果最好的粉红噪声和生活中常见的空调噪声以及自然音流水声，用来做对比实验。测试时目标语音的声压级从40 dB开始增加，增加至60 dB，做对比的声掩蔽系统声压不可调节，并且声音过大会损伤人们的听力，所以噪声声压设为70 dB，混合声源的声压设置为高15 dB和3 dB.测试者为16个无听力障碍的学生，由于男女对声音的感知不同，测试者中男女各半[20]。本次实验是在一个安静的会议室内进行，测试者坐在会议桌的周围。测试声音播放的是包含K=49个无意义的字。测试开始将听到的字写出来，听到的字数为k，则掩蔽度计算为：

(7)

表1为六种掩蔽声在目标语音声压变化时掩蔽度的测试数据，图5为六种掩蔽声在目标语音声压变化时掩蔽度的变化情况：

表1 不同掩蔽声源的掩蔽度

图5 不同掩蔽声的掩蔽度变化情况

由图5和表1可以看出，随着目标语音声压的增加，其他声掩蔽系统的掩蔽度逐渐下降，而YG因掩蔽声源的的声压会自动调节，掩蔽度没有随着目标语音声压的增加而下降，仍有较好的掩蔽效果。说明YG的自适应声压调节功能可以使掩蔽声保持较好的掩蔽效果，一直确保会议室内的声音被掩蔽，另外根据测试者反应YG的掩蔽声也有良好的舒适度。综上所述YG所使用的混合掩蔽声源既有较好的掩蔽效果又有良好的听觉舒适度，可以对保密会议室的声音进行有效的防护。

3 结论与展望

YG的优点是掩蔽声源广，掩蔽路数多，可以全方位地进行声音防护，报警阈值、报警声压等可由用户自定义设置，对于不同的环境也能很好的进行声音掩蔽。还有掩蔽声的声压可以随着被掩蔽声声压的改变而自动调节，确保声音一直被掩蔽。经过测试，本系统具有良好的掩蔽效果。但是与国外的声掩蔽产品相比还是具有一定差距。下一步，我们将继续对掩蔽声源进行改进，根据目标语音研发相干性智能掩蔽声源，进一步提高声掩蔽效果。