音頻信號混響器設(shè)計(jì)說明

1、. . . . / 30摘 要混響器作為音頻系統(tǒng)中十分重要的一部分，備受錄音師們的青睞。它不僅能修飾和修補(bǔ)聲音，還可以模擬出真實(shí)環(huán)境的效果?；祉懣梢栽黾勇曇舻拿栏校鋺?yīng)用十分廣泛。本文主要介紹了混響的原理和混響器的技術(shù)指標(biāo)，與混響器的發(fā)展方向。并建立出混響模型與利用 MATLAB 進(jìn)行音頻信號的混響處理。還介紹了音頻信號的格式以與與 MATLAB 相關(guān)的音頻信號格式等。編寫出延時(shí)混響程序，利用這些程序?qū)Ω枨M(jìn)行混響處理。通過試聽，混響的效果較好。關(guān)鍵詞信號處理，MATLAB，延時(shí)，混響. . . . / 30ABSTRACTABSTRACTReverb as a very important

2、part of audio system, much sound engineer of all ages. Itnot only can be modified and patch sounds, you can also simulate the real environment effects. Reverb can increase the beauty of the sound, which is widely used. This paper introduces the principle and reverb technical indicators, and the deve

3、lopment direction of reverb. And the establishment of a reverberation model and the audio signal using MATLAB reverb processing. Also describes the format of the audio signal is an audio signal associated with the MATLAB format. Write delay reverb program, and take advantage of these programs and li

4、sten to the song reverb effect.KeywordsKeywordsSignal Processing，MATLAB，delay，Reverberation. . . . 1 / 30目目 錄錄摘要摘要IABSTRACTABSTRACTII1 1 緒論緒論11.11.1 課題背景課題背景 11.1.1 混響器簡介 11.1.2 數(shù)字混響器的工作原理 11.1.3 混響器的發(fā)展現(xiàn)狀 11.21.2 語音信號處理語音信號處理 21.2.1 信號的定義 21.2.2 語音信號處理的發(fā)展 31.2.3 MATLAB 在數(shù)字語音信號處理中的應(yīng)用 31.31.3 設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)理念

5、 42 2 混響的原理混響的原理62.12.1 全通濾波混響模型全通濾波混響模型 62.22.2 延時(shí)延時(shí) 62.32.3 混響混響 72.42.4 聲激勵聲激勵 82.52.5 相位的調(diào)節(jié)相位的調(diào)節(jié) 92.62.6 整體縮混輸出整體縮混輸出 92.72.7 多重混響處理多重混響處理 102.82.8 頻率均衡頻率均衡 103 3 音頻信號與音頻信號與 MATALBMATALB133.13.1 音頻信號的格式音頻信號的格式 133.23.2 MATLABMATLAB 能讀取的音頻格式能讀取的音頻格式 144 4 設(shè)計(jì)步驟和編程設(shè)計(jì)步驟和編程16. . . . 2 / 304.14.1 用用 M

6、ATLABMATLAB 讀取一段音頻信號讀取一段音頻信號 164.24.2 對音頻信號進(jìn)行混響對音頻信號進(jìn)行混響 164.34.3 播放混響后的音頻信號播放混響后的音頻信號 164.44.4 全通結(jié)構(gòu)的混響器全通結(jié)構(gòu)的混響器 165 5 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟186 6 結(jié)論結(jié)論21參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)22附錄附錄23致致25. . . . 3 / 301 緒 論1.1 課題背景1.1.1 混響器簡介混響器是音頻系統(tǒng)中普遍使用的周邊設(shè)備，它可以改變室的混響時(shí)間，對較“干”的信號進(jìn)行再加工，以增加空間感，提高音響系統(tǒng)的豐滿度。也可以人為地制造一些特殊效果，如山谷、山洞的回聲效果等。板式混響器可以說是人工混

7、響器的鼻祖，體積很大而且笨重，只能固定在一個地方使用，安裝時(shí)要采取隔聲措施和防振措施后才能使用。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的高速發(fā)展，以與數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字混響器，數(shù)字混響器逐漸取代了古老的板式混響器，并且應(yīng)用更廣泛。數(shù)字混響器采用數(shù)字信號處理技術(shù)重現(xiàn)混響效果，提供了比模擬混響器更靈活多變、適應(yīng)各種需要的效果模式。常用的混響器有機(jī)械式（如彈簧混響器、鋼板混響器、箔式混響器等）混響器、磁混響器和模擬電子混響器、數(shù)字混響器等四種。后兩者具有頻率圍寬，混響特性好，信噪比高，調(diào)節(jié)圍大，調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電子擴(kuò)聲系統(tǒng)中。1.1.2 數(shù)字混響器的工作原理數(shù)字式混響器的工作原理是：先將信號經(jīng)過

8、 A/D 轉(zhuǎn)換，把音頻信號變?yōu)閿?shù)字信號存儲在移位寄存器（MOS）和隨機(jī)延遲存儲器（RAM）的存儲單元中，經(jīng)編碼后的數(shù)字信號由計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行運(yùn)算、處理，最后經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換，以獲得所需的各種混響聲和自然效果聲。采用數(shù)字式混響器對信號的電平、位置、延遲時(shí)間以與混響信息均可自由控制、無頻率畸變和染色失真現(xiàn)象，所以能夠獲得更為自然的混響效果，以與自然界根本無法得到的特殊音響效果，故又稱之為效果器。1.1.3 混響器的發(fā)展現(xiàn)狀長久以來，混響器作為音頻制作、聲學(xué)應(yīng)用等各種應(yīng)用層面的有力因素，為其提供了源源不竭的活力。混響器可以增加聲音的空間感，其利用聲音反射相對. . . . 1 / 30較小的特點(diǎn)來添

9、加空間感，從而使聲音更加悅耳。它是一個神奇的聲音加工工具，是所有音頻制作相關(guān)行業(yè)的從業(yè)者再熟悉不過的工具了，也是現(xiàn)代流行音樂錄音制作、影視歌曲制作中不可或缺的有力工具。對于數(shù)字混響器的研究應(yīng)用，美國萊斯康的 PCM 480L、960L。丹麥 TC 電子混響的 Reverb 6000、Reverb 4000 等硬件混響裝置憑借其優(yōu)良的算法和出色的聲音效果，多年以來仍然是世界上主要的工作室、各大錄音棚、電影混音棚里使用最為廣泛的混響制作工具。隨著科技的不斷發(fā)展，包括混響操作等問題，數(shù)字 DSP 技術(shù)已經(jīng)可以很好地把計(jì)算任務(wù)交給專用的 DSP 芯片來解決，而且已經(jīng)被 TC 電子和 SSL 等音頻設(shè)備

10、知名廠商大力推廣，大大減少了不能做多任務(wù)運(yùn)算的電腦的 CPU 芯片的負(fù)擔(dān)，從而保證了更加穩(wěn)定的數(shù)字音頻工作站（DAW）的運(yùn)行，因?yàn)閺S家生產(chǎn)的 DSP 效果卡等也都有自己的特殊功能，這些 DSP 效果混響卡繼承了很多真正的硬件混響的特點(diǎn)。此外，這些產(chǎn)品可以對 VST、AU、RTAS 等插件格式的主流音頻工作站進(jìn)行無縫，所以這些產(chǎn)品被許多錄音師和工程師追捧。近年來，隨著不斷提高的 CPU 的速度，出現(xiàn)了64 位運(yùn)算和多核中央處理器的計(jì)算機(jī)，以前過大混響計(jì)算量不能一次達(dá)到，而卓越的 CPU 的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，并且有一個很好的發(fā)展前景。如此強(qiáng)大的音頻信號混響器無論是在公共商業(yè)演出還是家庭娛樂

11、中，均發(fā)揮著重要作用，它能讓我們擁有豐厚，飽滿的聲音體驗(yàn)，極提高了我們的生活質(zhì)量和精神追求。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的數(shù)字混響器具有靈活多變等特點(diǎn)，可為我們提供各種需求，根據(jù)中國商務(wù)部的調(diào)查分析，未來五年，混響器產(chǎn)業(yè)所帶來的效益將以每年百分之二十左右增長。并且用戶對產(chǎn)品的期望也越來越高，所以有越來越多的企業(yè)開始著力開發(fā)更好更完美的混響器產(chǎn)品。不只是在混響器，現(xiàn)在已有混響室等設(shè)計(jì)理念，并且會有更多的設(shè)計(jì)理念出來。然而當(dāng)今的混響器市場主要被國外企業(yè)占據(jù)，但國市場巨大，這就為我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了廣闊的市場空間。 1.2 語音信號處理1.2.1 信號的定義信號是傳遞信息的函數(shù)。離散時(shí)間信號可以用圖形來

12、表示。根據(jù)不同的信號的特性，信號可以表示成一個或幾個函數(shù)的自變量。例如，圖像信號就是空間位置（二元變量）的亮度函數(shù)。一維變量可以是時(shí)間，也可以是其他的參量，習(xí)慣上將一維變量看成是時(shí)間。信號可以分為以下幾種：（1）離散時(shí)間信號：時(shí)間為離散變量的信號，即獨(dú)立變量時(shí)間被量化了。而. . . . 2 / 30幅度仍是連續(xù)變化的。（2）連續(xù)時(shí)間信號：定義的時(shí)間圍為連續(xù)的信號，但信號的振幅可以是一個連續(xù)的值，可以是離散的值。當(dāng)振幅為連續(xù)的情況下，通常被稱為作為模擬信號。事實(shí)上，常見的連續(xù)時(shí)間信號和模擬信號可通用，并且以一樣的信號來說明。（3）數(shù)字信號：時(shí)間離散而幅度量化的信號。語音信號是一維數(shù)字信號，它是

13、基于時(shí)間軸上的，這里主要針對語音信號進(jìn)行頻域分析。在信號分析中，頻域比時(shí)域包含更多的信息。而對于頻域分析，大概有 8 種波形可以讓我們分析：矩形方波，鋸齒波，梯形波，三角波，余旋波，余旋平方波，臨界阻尼指數(shù)脈沖波形，高斯波。對于這些波形，我們都可以用傅立葉變換來分析，就是：將時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻域來分析。1.2.2 語音信號處理的發(fā)展早在一兩千年以前，人們便對語言進(jìn)行了研究。由于沒有適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)備，長期以來，一直是由耳傾聽和用口模仿來進(jìn)行研究。因此，這種語言研究常被稱為“口耳之學(xué)” ，所以對語音只是停留在定性的描寫上。語音信號處理真正意義上的研究可以追溯到 1876 年貝爾的發(fā)明，該技術(shù)首次用聲電

14、、電聲轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的語音傳輸。1939 年 Homer Dudley 提出并研制成功的第一個聲碼器，從此奠定了語音產(chǎn)生模型的基礎(chǔ)。這一發(fā)明在語音信號處理領(lǐng)域具有劃時(shí)代的意義。19 世紀(jì) 60 年代，亥姆霍茲應(yīng)用聲學(xué)方法對元音和歌唱進(jìn)行了研究，從而奠定了語言的聲學(xué)基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 40 年代，一種語言聲學(xué)的專用儀器-語譜圖儀問世了。它可以把語音的時(shí)變頻譜用語圖表示出來，從而得出了“可見語言” 。1948 年美國 Haskins 實(shí)驗(yàn)室研制成功“語音回放機(jī)” ，該儀器可以把手工繪制在薄膜片上的語譜圖自動轉(zhuǎn)換成語音，并進(jìn)行語音合成。20 世紀(jì) 50 年代對語言產(chǎn)生的聲學(xué)理論開始有了系統(tǒng)的論述

15、。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，語音信號處理的研究得到了計(jì)算機(jī)技術(shù)的幫助，使得過去受人力、時(shí)間限制的大量的語音統(tǒng)計(jì)分析工作，得以在電子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，語音信號處理不論在基礎(chǔ)研究方面，還是在技術(shù)應(yīng)用方面，都取得了突破性的進(jìn)展。1.2.3 MATLAB 在數(shù)字語音信號處理中的應(yīng)用數(shù)字語音信號處理是將數(shù)字信號處理與語音學(xué)相結(jié)合，解決現(xiàn)代通信領(lǐng)域中人與人、人與機(jī)器之間的信息交流的學(xué)科。近幾年來語音信號處理科學(xué)在世界圍已取得了飛速的發(fā)展，由于 MATLAB 是一種運(yùn)算效率高、功能強(qiáng)大、交互性良好的數(shù)值計(jì)算和可視化計(jì)算的高級語言，它將信號處理、圖形顯示和數(shù)值分析有機(jī). . . . 3 / 30地融合為一體，

16、是一個極其方便、操作簡單、用戶界面友好的操作和開發(fā)環(huán)境。隨著 MATLAB 的不斷更新?lián)Q代，其功能越來越強(qiáng)大，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)字語音信號處理、數(shù)值圖像處理、仿真自動控制、小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。同時(shí)又由于 MATLAB 具有大量的信號處理工具箱并能利用非線性動態(tài)系統(tǒng)分析工具Simulink 等優(yōu)點(diǎn)，所以近年來 MATLAB 已經(jīng)成為數(shù)字信號處理的有利工具，因此也成為學(xué)習(xí)語音信號處理和進(jìn)行研究工作的仿真軟件工具。下面簡要介紹 MATLAB 在數(shù)字語音信號中的幾方面應(yīng)用。（1）MATLAB 可以對數(shù)字語音信號進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。通過 MATLAB 可以很方便地畫出語音信號的時(shí)域波形與頻域圖，并

17、且可以根據(jù)語音信號的特性對其進(jìn)行分析。例如，清濁音的幅度差別、LPC 分析、頻譜分析等。（2）MATLAB 能對數(shù)字語音信號進(jìn)行判別和評估。可根據(jù)語音信號的短時(shí)參數(shù)，和不同語音信號短時(shí)參數(shù)的性質(zhì)對一段給定的信號進(jìn)行清濁音的判斷、對語音信號的基音周期進(jìn)行估計(jì)和有無聲判定等。（3）通過利用 MATLAB 對語音信號進(jìn)行編程處理。由于 MATLAB 是一種面向數(shù)學(xué)和工程計(jì)算的高級語言，其允許用數(shù)學(xué)形式的編程語言，而且擁有大量的庫函數(shù)，所以它具有編程簡單、效率高、易學(xué)易懂等特點(diǎn)?？梢詫π盘栠M(jìn)行加噪和去噪、濾波、截取語音等，也可以進(jìn)行語音編碼、語音識別、語音合成的編程等。1.3 設(shè)計(jì)理念如果人為地對聲音

18、信號進(jìn)行處理讓其具有更完美的音質(zhì)效果，這樣的方法稱之為人工混響，人工混響在廣播電影電視和音樂制作中被廣泛應(yīng)用。以前的混響處理是采用模擬技術(shù)，效果不夠理想。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，一些原來只能通過建筑聲學(xué)才能解決的聲學(xué)效果問題如今可以利用電聲學(xué)技術(shù)以與數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在同一個聲學(xué)環(huán)境下，一個聲源除了一部分能直接到達(dá)人耳外，還有一部分需要通過人體周圍的障礙物反射到人耳，而直達(dá)聲和反射聲疊加在一起就形成了混響。本設(shè)計(jì)正是利用這一特性對音頻信號進(jìn)行了延時(shí)，然后進(jìn)行疊加以達(dá)到混響效果，設(shè)計(jì)效果明顯。數(shù)字信號處理主要是研究用數(shù)字或符號序列表示和處理信號。處理的目的可以是削弱信號中的多余容，濾除

19、混雜的噪聲和干擾，或者是將信號變換為容易分析和識別的形式，便于估計(jì)和選擇它的特征參數(shù)。聲音信號是一維連續(xù)信號，而計(jì)算機(jī)只能處理離散信號。為了從離散信號還原連續(xù)信號，根據(jù)采樣定理，可以確定采樣頻率的最小值。wav 文件是一種數(shù)字. . . . 4 / 30聲音文件格式，本設(shè)計(jì)基于 MATLAB 分析了 wav 聲音文件頻譜與聲音的關(guān)系。通過 MATLAB 載入一首歌曲進(jìn)行延時(shí)、混響等處理，然后設(shè)計(jì)一個混響器來處理這個原始聲音的 wav 文件，并比較輸出聲音信號與原聲音信號的異同。利用 MATLAB中的 wavread 命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個普通的信號，

20、依據(jù)實(shí)際情況對它進(jìn)行延時(shí)、混響等操作。對于波形圖與頻譜圖（包括前后的對比圖）都可以用 MATLAB 畫出。我們還可以通過 sound 命令來對語音信號進(jìn)行回放，以便在聽覺上來感受聲音的變化。. . . . 1 / 302 混響的原理2.1 全通濾波混響模型全通濾波的混響模型如圖 2.1 所示：圖 2.1 全通混響模型圖中 m 表示延時(shí)，而 g(g1)是反饋增益。此混響模型輸入輸出方程為：y(n)=-gx(n)+x(n-m)+gy(n-m) （2.1）傳遞函數(shù)為：H(z)= （2.2）mmgZgZ12.2 延時(shí)延時(shí)就是將音源延遲一段時(shí)間后，再播放出來的效果處理。根據(jù)其延遲時(shí)間的長短，可產(chǎn)生鑲邊、

21、回音、合唱等效果。當(dāng)延遲的時(shí)間在 335ms 之間時(shí)，人耳會感覺不到滯后的聲音的存在，并且滯后的聲音與原音源相疊加后，會因?yàn)槠湎辔坏母缮娑a(chǎn)生梳狀濾波效應(yīng)，這就是我們所說的鑲邊效果。如果延遲時(shí)間達(dá)到 50ms 以上，延遲的聲音就清晰可辨，這時(shí)的處理效果稱之為回音。處理回音一般都是用來產(chǎn)生比較簡單的混響聲. . . . 2 / 30效果。鑲邊、延時(shí)、回音、合唱等效果所具有的可調(diào)參數(shù)大致都一樣，包括以下幾項(xiàng)：（1）延時(shí)時(shí)間（Dly） ，即調(diào)整主延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間。（2）反饋增益（FB Gain） ，即控制延時(shí)反饋的增益。（3）反饋高頻比（Hi Ratio） ，即控制反饋回路上面的高頻衰減。（4）調(diào)

22、制頻率（Freq） ，指主延時(shí)電路的調(diào)頻周期。（5）調(diào)制深度（Depth） ，指調(diào)頻電路的調(diào)制深度。（6）高頻增益（HF） ，指控制高頻的均衡。（7）預(yù)延時(shí)（Ini Dly） ，指調(diào)整主延時(shí)電路的預(yù)延時(shí)時(shí)間。（8）均衡頻率（EQ F） ，這里的均衡頻率用于音色的調(diào)整，即為頻率選擇一個均衡的中點(diǎn)。由于進(jìn)行延時(shí)操作所產(chǎn)生的效果均復(fù)雜多變，如果非效果處理的專家，可以使用設(shè)備提供的預(yù)先設(shè)置的參數(shù)，因?yàn)檫@些預(yù)置參數(shù)給出的處理效果會比自己設(shè)置的要好。2.3 混響混響效果主要是用于增加音源的融合感。自然音源的延時(shí)聲陣列非常密集、復(fù)雜，所以模擬混響效果的程序也復(fù)雜多變。常見參數(shù)有以下幾種：（1）混響時(shí)間：能逼

23、真的模擬自然混響的數(shù)碼混響器上均有一套非常復(fù)雜的程序，雖然其擁有很多參數(shù)可調(diào)，然而相比原有的效果，調(diào)整這些技術(shù)參數(shù)都不會更為自然，特別是對于混響時(shí)間。（2）高頻混降：為了產(chǎn)生比較自然的混響效果，此項(xiàng)參數(shù)用于模擬空氣對高頻部分的吸收效應(yīng)。一般情況下高頻混降的可調(diào)圍為 0.11.0。高頻混降越高，混響效果就越接近自然混響；相反較低時(shí)，混響效果就較清澈。（3）擴(kuò)散度：擴(kuò)散度可改變混響聲陣密度的增長速率，其可調(diào)圍為 010，位于較高值時(shí)，混響效果體現(xiàn)出豐厚、溫暖的特點(diǎn)；位于較低值時(shí)，混響效果就比較空曠、冷僻。（4）預(yù)延時(shí)：建立自然混響聲陣會延遲一段時(shí)間，預(yù)延時(shí)即為模擬次效應(yīng)而設(shè)置。（5）聲陣密度：調(diào)整

24、聲陣密度參數(shù)可改變聲陣的密度，當(dāng)數(shù)值較高時(shí)，混響的效果為溫暖，但有明顯的聲染色；相反，數(shù)值較低時(shí)，混響效果變?yōu)樯铄?，? . . . 3 / 30且聲染色也相對較弱。（6）頻率調(diào)制：這一參數(shù)技術(shù)性較高，由于電子混響的聲陣密度比自然混響的稀疏，為了讓混響聲聽起來比較平滑、連貫，需要對混響聲陣列的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)制。此項(xiàng)技術(shù)可以有效的消除延時(shí)聲陣列的段裂聲，可以增加混響聲的柔和感。（7）調(diào)制深度：指上述調(diào)頻電路的調(diào)制深度。（8）混響類型：不同房間的自然混響聲陣列差別也較大，而這種差別也不是一兩項(xiàng)參數(shù)就能表現(xiàn)的。在數(shù)字混響器當(dāng)中，不同的自然混響需要不同的程序。其可選項(xiàng)一般有房間（Room） 、小廳（S

25、-Hall） 、大廳（L-Hall） 、隨機(jī)（Random） 、反混響（Reverse） 、鋼板（Plate） 、彈簧（Sprirg）等。其中自然混響效果包括房間、小廳、大廳混響；早期機(jī)械式混響效果可以用鋼板、彈簧混響來模擬。2.4 聲激勵 如果對音響音源信號進(jìn)行淺度的限幅處理，就會產(chǎn)生一種類似飽和的音感效果，從而使其發(fā)音在不增大其實(shí)際響度的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出有響度增大的效果。一些常用的效果器上也有非線性飽和的效果，實(shí)際上就是有信號的振幅處理，用來模擬三極管上的大電平信號達(dá)到飽和所引起的非線性，進(jìn)而產(chǎn)生發(fā)硬的音感效果。由于限幅失真主要是產(chǎn)生額外的高次諧波，因而現(xiàn)在設(shè)計(jì)的激勵器，為了達(dá)到柔和的處理效果

26、，在音源中, 通過加置高次載波的成分來模擬限幅失真，能營造出不那么嘶啞的聲激勵效果。另外，用一個高通濾波器來強(qiáng)化高次諧波，對原來的信號進(jìn)行處理之后再疊加在經(jīng)過延時(shí)處理的原信號上，這樣可以產(chǎn)生清澈的聲音效果。所以，經(jīng)過這樣的處理方式后便可產(chǎn)生出清澈的激勵。由于激勵處理和音響設(shè)備的過載失真大致類似，所以如果對音源進(jìn)行過量的激勵，就會產(chǎn)生令人不適的嘈雜感。由于早期的音響設(shè)備保真度都不高，我們已經(jīng)慢慢習(xí)慣了那種略顯嘈雜的音響，而現(xiàn)在接觸的音感清澈的高保真音響，反而讓我們不太習(xí)慣，感覺它的發(fā)音十分柔弱。人聲音源中，除了那些經(jīng)過特殊訓(xùn)練的人之外，我們大部分人的發(fā)音都缺乏勁度，所以需要對聲音進(jìn)行激勵處理。聲

27、激勵處理主要有下面幾個方面：（1）對人聲的樂音激勵處理，頻譜的分布以 2500Hz 處為中間點(diǎn)。這種激勵處理后的效果比較好，音源突出感的增加也很明顯。. . . . 4 / 30（2）對人聲的鼻音激勵處理，頻譜的分布以 500Hz 為中點(diǎn)。這種激勵能有效地增加人聲的勁度。（3）對于人聲的 800Hz 附近的激勵，音源的喧囂嘈雜感大大增加，然而此處理方法不應(yīng)經(jīng)常使用，最好只在演唱搖滾樂時(shí)使用。（4）對人聲 3500-6800Hz 的頻譜，激勵處理不適合使用，因?yàn)樗菀鬃屢粼串a(chǎn)生令人不適的嘈雜聲。（5）而人聲的齒音一般不使用激勵處理，那是由于此頻段很容易讓人察覺有失真。如果要對齒音做少量的激勵處理

28、，可以用數(shù)字式激勵器，因?yàn)閿?shù)字式激勵器的激勵效果比較柔和，可以增強(qiáng)齒音的清析感。而處理的頻譜應(yīng)該在 7200Hz以上。激勵處理對于歌唱發(fā)音通常要保守一些。我們在調(diào)音當(dāng)中，因?yàn)榧钐幚硭a(chǎn)生的音感效果可能會隨聽音的時(shí)間而逐漸被弱化，那么我們在調(diào)節(jié)激勵效果時(shí)，時(shí)間最好在 10 分鐘以。對于人聲音源的激勵處理，最好是用數(shù)碼效果器。它通常有以下幾項(xiàng)調(diào)整參量：（1）輸入增益(Gmn)，用來進(jìn)行輸入電平的調(diào)節(jié)，這里千萬別使設(shè)備產(chǎn)生過載。（2）調(diào)諧頻率(Tuning)，根據(jù)你需要處理的頻段來選擇一個恰當(dāng)?shù)念l率。（3）驅(qū)動電平(Drive)，用來調(diào)整激勵的深度。當(dāng)驅(qū)動電平較大時(shí)，會產(chǎn)生比較嘈雜的效果；而驅(qū)動電

29、平較小時(shí)，產(chǎn)生的效果則比較溫和。（4）混合比率(Mix)，即原信號與效果信號的響度比。2.5 相位的調(diào)節(jié)立體聲的音樂作品需要進(jìn)行相位的調(diào)節(jié)，這是混音中很重要的一環(huán)。這樣能使混好的音樂作品層次分明，并且真正體現(xiàn)立體聲的效果。相位的調(diào)節(jié)有左右，前后之分。左右聲道的調(diào)節(jié)比較簡單，一般的音頻軟件都可以很方便的調(diào)節(jié)，只要戴上耳機(jī)，可以很輕松的調(diào)整和聽到調(diào)整后的效果。前后層次的音相調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，一般來說，用簡陋的硬件設(shè)備很難錄出層次感很強(qiáng)的多軌音樂。只能依靠軟件后期下比較大的工夫去慢慢調(diào)節(jié)。有一些專門調(diào)整音相的效果器插件，如 Pan Handle，還有 Ultrafunk 出的 Surround 插件都是

30、不錯的相位調(diào)節(jié)器。前與后的關(guān)系，實(shí)際上就是混響時(shí)間長與短的關(guān)系。對于要處于后方的聲音，使其混響時(shí)間更長一些，它的聲音便會模糊和有距離感，對于要處于前方的聲. . . . 5 / 30音，使其混響時(shí)間稍短一些，它的聲音就會清晰和逼近。2.6 整體縮混輸出這一部分實(shí)際上沒有什么太多可以提與的。因?yàn)槲覀冇秒娔X軟件來操作，和專業(yè)的母帶生產(chǎn)流程自然不同。在多軌錄音軟件如 Samplitude 2496，Cool Edit Pro 里面編輯完成以后，選擇Export命令(Cool Edit Pro 里面是 Mix Down 命令)，就可以將多軌音頻合成為 2 軌立體聲輸出。你可以選擇輸出的格式，如wav、

31、mp3、rm 等等。當(dāng)然 wav 文件的音質(zhì)最好，占的空間也要大的多。這樣，辛辛苦苦的錄音、編輯、混音終于有了一個成果。有時(shí)候，這樣導(dǎo)出的.wav 文件還需要處理一下。比如用母帶處理軟件 T-racks 最后小小壓縮一下，使聲音更加柔和溫暖，更符合人耳的聽覺習(xí)慣。2.7 多重混響處理多重混響的處理，大多數(shù)人都是使用反復(fù)試探性調(diào)節(jié)的方法，以尋找音感效果最好的處理效果。此種調(diào)音方式的不足十分明顯：尋找一個理想的調(diào)音效果，需經(jīng)多次猜測，所以需要教長的時(shí)間。較好的調(diào)音效果常常是偶然遇到的，這對于調(diào)音規(guī)律的歸納總結(jié)沒什么幫助，并且以后也不易再現(xiàn)。不同設(shè)備的各項(xiàng)固定參數(shù)和可調(diào)參數(shù)都不盡一樣，因而使用某一設(shè)

32、備的經(jīng)驗(yàn)，通常都無法用于另一設(shè)備。發(fā)展到目前的效果處理設(shè)備，用于改變音源音色的手段并不是太多，比較常用的方法只有限幅失真、延時(shí)反饋、頻率均衡等 3 種，但是這些效果處理設(shè)備的參數(shù)的不同組合所產(chǎn)生的音色大不一樣。效果處理器參數(shù)的設(shè)置可以有很多項(xiàng)，特別是延時(shí)反饋，模擬混響效果參數(shù)的設(shè)置在理論上可以達(dá)到幾十項(xiàng)。當(dāng)然這些專業(yè)性非常強(qiáng)的參數(shù)，大多數(shù)人都難以理解。因此，絕大部分的效果處理設(shè)備都只有一、二個參數(shù)可調(diào)，并且其可調(diào)的圍也比較狹窄。這種使用簡單的效果處理設(shè)備容許人們在上面進(jìn)行微幅的調(diào)整，因而不會出現(xiàn)太大的問題。但是對于處理效果要求比較高的調(diào)音場合，如在多軌錄音系統(tǒng)當(dāng)中，就必須使用更加專業(yè)的效果處理

33、設(shè)備，用以做出更為精細(xì)的處理效果。. . . . 6 / 302.8 頻率均衡很明顯，如果頻率均衡的分段越多，那么效果處理的精細(xì)程度也就越高。一般調(diào)音的均衡單元通常只有三四個頻段，這顯然滿足不了精確處理音源的要求。為了能足夠靈活的對人聲進(jìn)行任意的均衡處理，我們建議使用增益、頻點(diǎn)和寬度都可調(diào)整的四段頻率均衡。大多數(shù)的頻率均衡的可調(diào)參數(shù)只有增益一項(xiàng)，然而這并不意味著其他兩項(xiàng)參數(shù)不存在，而且這兩項(xiàng)參數(shù)為不可調(diào)的固定參數(shù)。當(dāng)然這兩項(xiàng)參數(shù)設(shè)置為可調(diào)也并非難事，但這些會增加設(shè)備的生產(chǎn)成本，并會使其調(diào)整變得復(fù)雜化。所以增益、頻點(diǎn)和寬度都可調(diào)整的參量均衡的電路，常常只有在一些高檔設(shè)備上才能見到。實(shí)際上，增益、

34、頻點(diǎn)和寬度都是可調(diào)整的頻率均衡，不可能胡猜亂試就可以找出一個接近完美的音色。在這里我們必須探究出音頻信號的技術(shù)參數(shù)和物理特性以與它們在人的聽感上所對應(yīng)的關(guān)系。由于人聲音源頻譜的分布會比較特殊，就其發(fā)音方式而言，就有 3 個部分：一是由于聲帶震動產(chǎn)生樂音，這部分發(fā)音最靈活，還有不同發(fā)音、不同音高的方式產(chǎn)生的頻譜的變化也很大；第二是鼻腔形狀比較穩(wěn)定，所以其共鳴產(chǎn)生的諧音頻譜的分布變化不是太大；第三是口腔中的氣流流動在齒縫間的摩擦聲，它與聲帶震動產(chǎn)生的樂音基本上沒有關(guān)系。頻率均衡可以大致的將這三部分頻譜區(qū)分出來。鼻音的頻率段一般在 500Hz以下，均衡的中點(diǎn)頻率大概在 80150Hz，均衡帶寬為 4

35、 個倍頻程。比如，可以將 100Hz 設(shè)定為頻率均衡的中點(diǎn)，均衡曲線可從 100400Hz 平緩的過渡，均衡增益調(diào)節(jié)的圍可以為+10dB-6dB。這里應(yīng)該注意的是：進(jìn)行此項(xiàng)調(diào)整的監(jiān)聽音箱不能使用低頻發(fā)音不強(qiáng)的小箱子，這樣可以避免無意間加重鼻音。人聲樂音的頻譜隨者人聲的音調(diào)的變化也很大，因而調(diào)節(jié)樂音的均衡曲線應(yīng)非常平緩，均衡的中點(diǎn)頻率可在 10003400Hz 之間，均衡帶寬為六個倍頻程。此頻段影響歌唱發(fā)音的明亮度，再向上調(diào)節(jié)可溫和地提升人聲的亮感。然而如需降低人聲的明亮度，就會麻煩一些。在一般情況下人聲音感過分明亮多是由于 2500Hz 左右的頻譜較強(qiáng)，這里我們可用均衡帶寬為 1/2 倍頻程，

36、均衡增益大概為-4dB 的均衡處理，在 2500Hz 附近找到一個頻點(diǎn)的效果比較好即可。人聲齒音的頻譜分布主要在4kHz 以上。由于此頻段也包括了部分樂音頻譜，因此建議調(diào)節(jié)齒音的頻段為616KHz，均衡帶寬為三倍頻程，均衡中點(diǎn)頻率在 1012KHz，均衡增益最大可調(diào)至+10dB；如果需要使人聲齒音響度降低，則應(yīng)使用均衡帶寬為 1/2 倍頻程，均衡中點(diǎn)頻率為 6800Hz 的均衡處理，其均衡增益可下降至-10dB。從上面的分析可以看出，在進(jìn)行人聲頻率均衡處理時(shí)，為突出某一音感進(jìn)行頻段的提升，都應(yīng)該盡量地使用平緩的寬頻帶來均衡。這樣可以使人的鼻音、樂. . . . 7 / 30音、齒音三部分頻譜分

37、布均勻連貫，使其發(fā)音更加自然、流暢。理論上講，應(yīng)使人聲在發(fā)出任何音時(shí)，其響度都應(yīng)保持恒定不變。為了在不破壞人聲自然感的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行特定的效果處理可以使用 1/5 倍頻程來均衡處理，具體情況有以下兩種：（1）音感狹窄，缺乏厚度，可以在 800Hz 處用 1/5 倍頻程衰減來處理，衰減最大值可以在-3dB。（2）卷舌齒音的音感尖嘯，噓音缺乏清澈感，可在 2500Hz 處用 1/5 倍頻程的衰減處理，其衰減的最大值可以在-6dB。對音源的均衡處理，最好是使用能顯示均衡的曲線的均衡器。一般數(shù)字調(diào)音臺均衡器上的均衡增益的調(diào)節(jié)用按鈕 “G”來標(biāo)識，均衡頻率調(diào)節(jié)鈕用“F”來標(biāo)識，均衡帶寬調(diào)節(jié)鈕用“F”或“

38、Q”來標(biāo)識。. . . . 8 / 303 音頻信號與 MATALB3.1 音頻信號的格式（1）WAV 格式WAV 文件格式由微軟公司開發(fā)，它符合 PIFF 文件規(guī)，用于保存 WINDOWS 平臺上的音頻信息資源，它支持 WINDOWS 平臺和應(yīng)用程序。 “.WAV”格式支持MSADPCM 等壓縮算法，并且支持多種采樣頻率、聲道與音頻位數(shù)，和 CD 格式一樣，標(biāo)準(zhǔn)格式的 WAV 文件也是 44.1K 的采樣頻率，速率 88K/秒，量化位數(shù)為 16 位。所有的 WAV 文件都是有一個文件頭的，這個文件頭就是音頻流的編碼參數(shù)。WAV 對音頻流的編碼沒有一定的要求，除 PCM 之外，幾乎所有支持 A

39、CM 規(guī)的編碼都可以對 WAV 的音頻流進(jìn)行編碼。同樣，WAV 也可以使用多種的音頻編碼來壓縮其音頻流，只不過我們常見的音頻流都是被 PCM 編碼所處理的，但并不是 WAV 只能使用 PCM 編碼，而 MP3 編碼同樣也可以運(yùn)用在 WAV 中。在 Windows 中，基于PCM 編碼的 WAV 格式是被支持得最好的音頻格式，當(dāng)中所有音頻軟件都能完美支持，由于其本身可以達(dá)到較高的音質(zhì)要求，因此，WAV 也是音樂編輯創(chuàng)作的首選格式，也適合保存音樂素材?；?PCM 編碼的 WAV 是一種中介格式，經(jīng)常用于其他編碼的相互轉(zhuǎn)換，比如 MP3 轉(zhuǎn)換成 WMA。（2）MP3 格式MP3 格式指的是 MPE

40、G 標(biāo)準(zhǔn)中的音頻部分，也就是 MPEG 的音頻層。根據(jù)其壓縮的質(zhì)量和編碼處理的不同將它分為 3 層，分別是“.mp1” 、 “.mp2” 、 “.mp3” 3種聲音文件。MPEG 音頻文件是有損壓縮，一樣長度的音樂文件，用.mp3 格式儲存，一般只有.wav 文件的 1/10，而且音質(zhì)沒有 CD 格式和 WAV 格式好。但是其文件尺寸小，而且音質(zhì)好，在它問世之初其它的音頻格式不能與之匹敵。直到現(xiàn)在，MP3 格式還在風(fēng)靡，其主流音頻格式的地位難被撼動。（3）WMA 格式WMA 就是經(jīng) Windows Media Audio 編碼后的文件格式，由微軟開發(fā)，WMA 針對的不是單機(jī)市場，而是網(wǎng)絡(luò)。它的

41、競爭對手就是網(wǎng)絡(luò)媒體市場中著名的 Real Networks。微軟聲稱，只有在 64kbps 的碼率情況下，WMA 才可以達(dá)到接近 CD 的. . . . 1 / 30音質(zhì)。和以往的編碼不同，WMA 支持防復(fù)制的功能，它通過 Windows Media Rights Manager 加入保護(hù)，能限制播放的時(shí)間和播放的次數(shù)甚至于播放的機(jī)器等等。WMA 還支持流技術(shù)，即一邊讀一邊播放，因此 WMA 可以很輕松的實(shí)現(xiàn)在線廣播，微軟在 Windows 中加入了對 WMA 的支持，并且 WMA 有著優(yōu)秀的技術(shù)特征，在微軟的大力推廣之下，這種格式正被越來越多的人所接受。（4）OGG 格式隨著 MP3 播放

42、器的流行，生產(chǎn) MP3 播放器的品牌和廠家越來越多，它們的競爭也越來越激烈，還有 MP3 手機(jī)的擠壓，所以許多上游 MP3 隨身聽廠商紛紛尋找其它出路，有的在外觀上改變創(chuàng)新，有的在做工上更加求精，有的推出更大容量的機(jī)型，還有的改進(jìn)解碼功能，支持新的文件格式。而在眾多的新格式當(dāng)中，OGG 憑借其免費(fèi)、開源的特點(diǎn)，得到了 MP3 播放器廠商的青睞。這里所說的 OGG 的全稱是 OGG Vobis。OGG 是一個龐大的多媒體開發(fā)計(jì)劃的項(xiàng)目名稱，其涉與視頻音頻等方面的編碼開發(fā)。Vobis 是某音樂作品中一個人物的名字，這里借用它來說明 OGG Vobis 是關(guān)于音頻方便的。OGG Vobis 有一個很

43、出眾的特點(diǎn)，就是支持多聲道，它的流行，使以后用隨身聽來聽 DTS 編碼的多聲道作品將不再是夢想。在壓縮技術(shù)上 OGG Vobis 比 MP3 好，但稍遜于 MP3po，但是它的多聲道、免費(fèi)、開源等特點(diǎn)，能夠讓它很有可能成為一個流行的趨勢，這也正是一些 MP3 播放器對其支持的原因。（5）APE 格式APE 是由 Monkeys Audio 提供的一種無損的壓縮格式。Monkeys Audio 提供了 Winamp 的插件支持，這就意味著壓縮后的文件不再是單純的壓縮格式，而是和 MP3 一樣可以播放的音頻文件格式。由于這種格式的壓縮比遠(yuǎn)低于其他的格式，能夠做到真正的無損，因此獲得了不少發(fā)燒用戶的

44、青睞。在現(xiàn)有的不少無損壓縮方案種，APE 是一種有著突出性能的格式，極低的壓縮比以與快速的壓縮速度，成為了不少朋友私下交流發(fā)燒音樂的一個選擇。（6）ACC 格式AAC（高級音頻編碼技術(shù)）是一種為音樂社區(qū)提供的技術(shù)，來自于杜比實(shí)驗(yàn)室。AAC 號稱最大能容納 48 通道的音軌，其采樣率達(dá) 96 KHz，并在 320Kbps 的速率下能為 5.1 聲道的音樂節(jié)目提供近似于 ITU-R 廣播的品質(zhì)。與 MP3 比較起來，其音質(zhì)比較好，還能夠節(jié)省大約 30%的儲存空間和帶寬。它遵循 MPEG-2 的規(guī)格。. . . . 2 / 303.2 MATLAB 能讀取的音頻格式利用專門的音頻處理軟件，比如 Co

45、olEdit、Spectralab 等，可以方便的錄制聲音、分析頻譜。這種方式也無需復(fù)雜的操作或者專業(yè)知識，就可以實(shí)時(shí)的觀察結(jié)果。利用這些軟件在平時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量和分析中，足夠用了；但是這些軟件處理的數(shù)據(jù)精細(xì)程度往往不夠，無法應(yīng)用于論文中。這種情況下，就需要把音頻文件導(dǎo)入到 MATLAB 中進(jìn)行處理。而 MATLAB 能直接輸入輸出的有.wav 和.au 文件。下面我將利用 MATLAB 載入一首.wav 格式的歌曲來進(jìn)行混響的操作。. . . . 1 / 304 設(shè)計(jì)步驟和編程4.1 用 MATLAB 讀取一段音頻信號這里以 Taylor Swift 的22為例。x,fs,bits=wavr

46、ead(22.wav);%讀取音頻信號，采樣值放在向量 x 中，fs 表示采樣頻率(Hz)，bits 表示采樣位數(shù)。4.2 對音頻信號進(jìn)行混響fs=44100;Nbits=16;x,fs,bits=wavread(22.wav);%讀取名為“22”的音頻文件。a=zeros(100,1);zeros(100,1);x;%對音頻文件進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)間為25ms。b=zeros(100,1);x;zeros(100,1);%另一路延時(shí)，時(shí)間為 12.5ms。c=x;zeros(100,1);zeros(100,1);%原信號。y=a+b+c;%將兩路延時(shí)與原信號疊加。4.3 播放混響后的音頻信號f

47、s=44100;Nbits=16;x,fs,bits=wavread(22.wav);a=zeros(100,1); zeros(100,1);x;b=zeros(100,1);x; zeros(100,1);c=x;zeros(100,1); zeros(100,1);. . . . 2 / 30y=a+b+c;sound(y,fs);%回放經(jīng)疊加混響后的音頻信號。4.4 全通結(jié)構(gòu)的混響器fs=44100;Nbits=16;x,fs,bits=wavread(22.wav);a=zeros(100,1); zeros(100,1);x;b=zeros(100,1);x; zeros(100,

48、1);c=x;zeros(100,1); zeros(100,1);y=a+b+c;d=0.5;%反饋增益為 0.5。Az1=d,0,0,0,0,0,0,1;Bz1=1,0,0,0,0,0,0,d;z=filter(Az1,Bz1,y);%進(jìn)行全通濾波混響后的音頻信號。sound(z,fs);%回放最后的混響效果。. . . . 1 / 305 實(shí)驗(yàn)步驟(1)打開 MATLAB 軟件，輸入程序fs=44100;Nbits=16;x,fs,bits=wavread(22.wav);載入歌曲，如圖 5.1。圖 5.1 載入歌曲(2)輸入延時(shí)疊加程序a=zeros(100,1);zeros(100,

49、1);x;b=zeros(100,1);x;zeros(100,1);c=x;zeros(100,1);zeros(100,1);y=a+b+c;進(jìn)行疊加混響，如圖 5.2。. . . . 2 / 30圖 5.2 混響操作(3)輸入回放命令sound(y,fs);進(jìn)行音頻回放，如圖 5.3。. . . . 3 / 30圖 5.3 回放操作此時(shí)就可以聽到混響后的歌曲。(4)同理，可輸入fs=44100;Nbits=16;x,fs,bits=wavread(22.wav);a=zeros(100,1); zeros(100,1);x;b=zeros(100,1);x; zeros(100,1);c

50、=x;zeros(100,1); zeros(100,1);y=a+b+c;d=0.5;Az1=d,0,0,0,0,0,0,1;Bz1=1,0,0,0,0,0,0,d;z=filter(Az1,Bz1,y);sound(z,fs);進(jìn)行全通混響的回放，如圖 5.4。圖 5.4 全通混響回放同樣可以聽見全通混響后的歌曲，并且混響效果更好。(5)關(guān)閉 MATLAB。. . . . 4 / 306 結(jié) 論經(jīng)過延時(shí)和混響的聲音信號，其前后的試聽效果有了顯著的變化，我們可以聽見顯著的混響效果。而經(jīng)過回放的語音也有了變化，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，效果明顯。對音頻信號的處理雖有多種，但是本設(shè)計(jì)能很好地體現(xiàn)音頻信號的

51、特點(diǎn)。我們可以用不同的算法來得到個人所需求的混響效果，并能夠聽出它們的異同。通過此次設(shè)計(jì)對數(shù)字信號處理有了更進(jìn)一步的熟悉，實(shí)際操作加深了對課本上的知識的理解。本次設(shè)計(jì)是音頻信號混響器設(shè)計(jì)，對語音信號進(jìn)行延時(shí)、混響等操作。通過上網(wǎng)搜索資料，查閱課本與課外書籍，進(jìn)行了采集語音，語音處理，語音分析等工作，加強(qiáng)了對 MATLAB 程序的編寫能力以與對數(shù)字信號處理的相關(guān)知識的理解。畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程，通過設(shè)計(jì)我們能夠比較系統(tǒng)的了解理論知識，把理論和實(shí)踐相結(jié)合，并且用到生活當(dāng)中。在做設(shè)計(jì)的過程中總會出現(xiàn)各種問題，在這種情況下我們都會努力尋求最佳路徑解決問題，無形間提高了我們的動手，動腦能力，并且同學(xué)之間還能相互探討問題，研究解決方案，增進(jìn)大家的團(tuán)隊(duì)意識。通過這次設(shè)計(jì)讓我知道了，我們平時(shí)所學(xué)的知識如果不加以實(shí)踐的話等于紙上談兵。畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是我們理論知識的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問題，并