一、AVAudioSession：iOS音频会话的基石

AVAudioSession是iOS系统中管理音频行为的单例对象，负责协调应用程序与系统、其他应用之间的音频交互。其核心功能包括：

1.1 音频会话类别与模式配置

AVAudioSession通过AVAudioSessionCategory和AVAudioSessionMode定义音频行为：

常用类别：
- playAndRecord：同时支持播放与录制（如VoIP应用）
- record：纯录音模式（如语音备忘录）
- playback：纯播放模式（如音乐播放器）
模式选择：
- default：通用模式
- voiceChat：优化语音通话质量（自动启用回声消除）
- measurement：低延迟模式（适用于音频分析）

配置示例：

let session = AVAudioSession.sharedInstance()
try session.setCategory(.playAndRecord, 
                       options: [.defaultToSpeaker, .allowBluetooth])
try session.setMode(.voiceChat)
try session.setActive(true)

1.2 音频路由与硬件控制

AVAudioSession通过AVAudioSessionRouteDescription管理音频输入/输出路径：

输入源：内置麦克风、蓝牙耳机、外接麦克风
输出目标：扬声器、耳机、蓝牙设备

路由变化监听：

NotificationCenter.default.addObserver(
    self,
    selector: #selector(handleRouteChange),
    name: AVAudioSession.routeChangeNotification,
    object: nil
)
@objc func handleRouteChange(notification: Notification) {
    guard let userInfo = notification.userInfo,
          let reasonValue = userInfo[AVAudioSessionRouteChangeReasonKey] as? UInt,
          let reason = AVAudioSession.RouteChangeReason(rawValue: reasonValue) else { return }
    switch reason {
    case .newDeviceAvailable:
        print("新音频设备接入")
    case .oldDeviceUnavailable:
        print("原音频设备断开")
    default:
        break
    }
}

1.3 降噪相关配置

AVAudioSession通过AVAudioSessionCategoryOptions提供基础降噪支持：

allowBluetoothA2DP：启用蓝牙高质量音频
mixWithOthers：允许与其他应用音频混合
duckOthers：降低其他应用音频音量

进阶配置：

// 启用硬件降噪（需设备支持）
if session.isInputGainSettable {
    try session.setInputGain(0.8, error: nil) // 调整输入增益
}
// 优先使用宽频带麦克风
try session.setPreferredInput("Built-in Microphone Wide Band")

二、AU降噪器：音频单元的降噪利器

AU降噪器（Audio Unit Noise Suppressor）是Core Audio框架中的专业音频处理组件，通过算法消除背景噪声。

2.1 AU降噪器类型与选择

AUVoiceProcessingIO配置示例：

var audioUnitDescription = AudioComponentDescription(
    componentType: kAudioUnitType_Output,
    componentSubType: kAudioUnitSubType_VoiceProcessingIO,
    componentManufacturer: kAudioUnitManufacturer_Apple,
    componentFlags: 0,
    componentFlagsMask: 0
)
guard let audioComponent = AudioComponentFindNext(nil, &audioUnitDescription) else {
    fatalError("无法找到VoiceProcessingIO单元")
}
var audioUnit: AUVoiceProcessingIO?
var status = AudioComponentInstanceNew(audioComponent, &audioUnit)
if status != noErr {
    fatalError("创建AudioUnit失败: \(status)")
}

2.2 降噪参数配置

AU降噪器通过kAudioUnitProperty_NoiseSuppressionEnable等参数控制：

// 启用降噪
var enableNoiseSuppression: UInt32 = 1
AudioUnitSetProperty(
    audioUnit!,
    kAudioUnitProperty_NoiseSuppressionEnable,
    kAudioUnitScope_Input,
    0,
    &enableNoiseSuppression,
    UInt32(MemoryLayout<UInt32>.size)
)
// 设置降噪强度（0.0-1.0）
var suppressionLevel: Float32 = 0.7
AudioUnitSetProperty(
    audioUnit!,
    kAudioUnitProperty_NoiseSuppressionLevel,
    kAudioUnitScope_Input,
    0,
    &suppressionLevel,
    UInt32(MemoryLayout<Float32>.size)
)

2.3 实时处理实现

AU降噪器需嵌入音频渲染回调中：

var renderCallbackStruct = AURenderCallbackStruct(
    inputProc: renderCallback,
    inputProcRefCon: UnsafeMutableRawPointer(Unmanaged.passUnretained(self).toOpaque())
)
AudioUnitSetProperty(
    audioUnit!,
    kAudioUnitProperty_SetRenderCallback,
    kAudioUnitScope_Input,
    0,
    &renderCallbackStruct,
    UInt32(MemoryLayout<AURenderCallbackStruct>.size)
)
// 渲染回调函数
func renderCallback(
    inRefCon: UnsafeMutableRawPointer,
    ioActionFlags: UnsafeMutablePointer<AudioUnitRenderActionFlags>,
    inTimeStamp: UnsafePointer<AudioTimeStamp>,
    inBusNumber: UInt32,
    inNumberFrames: UInt32,
    ioData: UnsafeMutablePointer<AudioBufferList>
) -> OSStatus {
    let selfPtr = Unmanaged<YourAudioProcessor>.fromOpaque(inRefCon).takeUnretainedValue()
    return selfPtr.processAudio(ioActionFlags, inTimeStamp, inBusNumber, inNumberFrames, ioData)
}

三、AVAudioSession与AU降噪器的协同实践

3.1 典型应用场景

VoIP通话：结合AVAudioSessionCategoryPlayAndRecord和AUVoiceProcessingIO
语音录制：使用AVAudioSessionCategoryRecord+AUGenericNoiseSuppression
实时音频分析：通过AVAudioSessionCategoryMeasurement降低处理延迟

3.2 性能优化策略

采样率匹配：确保AVAudioSession与AU降噪器采样率一致（通常44.1kHz或48kHz）
缓冲区大小：根据设备性能调整缓冲区（通常1024-4096帧）
后台处理：通过AVAudioSessionCategoryOptionMixWithOthers实现后台降噪

采样率配置示例：

let format = AVAudioFormat(standardFormatWithSampleRate: 48000, channels: 1)
try session.setPreferredSampleRate(48000)

3.3 常见问题解决方案

降噪效果不佳：
- 检查麦克风硬件质量
- 调整AU降噪器的suppressionLevel参数
- 确保无其他应用占用音频资源
音频延迟过高：
- 使用AVAudioSessionModeMeasurement模式
- 减少AU渲染回调中的处理复杂度
- 启用硬件加速（如支持）

设备兼容性问题：

检测设备是否支持宽频带麦克风：

let inputs = AVAudioSession.sharedInstance().availableInputs
let hasWideBand = inputs?.contains { $0.dataSources?.contains(where: { $0.dataSourceName.contains("Wide Band") }) ?? false } ?? false

四、进阶技术探索

4.1 机器学习降噪集成

结合Core ML实现自适应降噪：

// 示例：使用Create ML训练的噪声分类模型
let model = try YourNoiseClassifier(configuration: MLModelConfiguration())
let input = MLFeatureProvider(input: ["audioBuffer": audioBufferFeature])
let output = try model.prediction(from: input)
let noiseType = output.featureValue(for: "noiseType")?.stringValue

4.2 多麦克风阵列降噪

通过AVAudioSession管理多麦克风输入：

// 获取可用麦克风列表
let inputs = AVAudioSession.sharedInstance().availableInputs
let microphones = inputs?.filter { $0.portType == .microphone }
// 配置多通道输入
let format = AVAudioFormat(
    commonFormat: .pcmFormatFloat32,
    sampleRate: 48000,
    channels: 2, // 立体声麦克风
    interleaved: false
)

4.3 实时音频可视化

结合Metal实现降噪效果可视化：

// 在渲染回调中收集频谱数据
var fftData = [Float32](repeating: 0, count: 1024)
vDSP_fft_zrip(fftSetup, &complexBuffer, 1, log2n, FFT_FORWARD)
vDSP_zvabs(&complexBuffer, 1, &fftData, 1, vDSP_Length(1024/2))
// 通过Metal渲染频谱图
let vertexBuffer = device.makeBuffer(bytes: &vertices, length: MemoryLayout<Vertex>.stride * vertices.count, options: [])
let uniformBuffer = device.makeBuffer(length: MemoryLayout<Uniforms>.size, options: [])

五、最佳实践总结

初始化顺序：
- 先配置AVAudioSession
- 再初始化AU降噪器
- 最后设置音频路由
错误处理：
- 所有音频操作需检查返回状态
- 使用do-catch处理可抛出错误
资源释放：
- 停止音频会话前移除所有监听
- 释放AU降噪器资源：
```
AudioUnitUninitialize(audioUnit!)
AudioComponentInstanceDispose(audioUnit!)
```
测试验证：
- 在真实设备上测试不同场景
- 使用AudioQueue或AVAudioEngine验证音频流

通过系统掌握AVAudioSession的会话管理与AU降噪器的算法配置，开发者能够构建出适应各种场景的高质量音频处理系统。实际开发中需结合具体需求进行参数调优，并持续关注iOS系统更新带来的新特性。

AVAudioSession与AU降噪器：iOS音频降噪的深度实践