實驗二嘯叫檢測與抑制系統(tǒng)

1、實驗二 嘯叫檢測與抑制系統(tǒng)一、實驗目的1、認識擴音系統(tǒng)中的嘯叫現(xiàn)象；2、了解嘯叫產(chǎn)生的條件；3、分析嘯叫信號的頻譜；4、掌握嘯叫信號檢測的方法；5、掌握嘯叫抑制的原理；6、實現(xiàn)嘯叫抑制。二、實驗設備 、音頻功率放大系統(tǒng)； 、錄音機； 、計算機； 、 matlab 軟件三、實驗內(nèi)容1、認識嘯叫及其危害聲反饋現(xiàn)象在日常生活中非常常見。在多動能報告廳， KTV等同時出現(xiàn)揚聲 器和麥克風的場合， 由于揚聲器和麥克風之間存在電聲耦合， 必然會導致聲反饋 現(xiàn)象的產(chǎn)生。 聲反饋會在反饋回路中產(chǎn)生再生混響， 使講話、唱歌的聲音嚴重失 真，音質(zhì)受到破壞 ，清晰度大大降低。嚴重時甚至會產(chǎn)生自激嘯叫，限制擴聲 系統(tǒng)

2、傳聲增益的提升， 使整個系統(tǒng)的正常工作受到影響。 還可能會燒毀系統(tǒng)放大 器、揚聲器中的高音單元，甚至會對人的聽力造成損傷。所以，在應用到擴聲系 統(tǒng)的場合，嘯叫的檢測和抑制非常重要。2、嘯叫信號產(chǎn)生的原理聲音信號首先從麥克風拾入， 經(jīng)過擴聲系統(tǒng)的功率放大器放大后由揚聲器送 出，經(jīng)過各種障礙物的多次反射后，又被麥克風拾入，從而形成一個閉合環(huán)路。 如果傳聲器對某些頻點的拾音靈敏度過高，導致聲音在這些頻點的增益是正值， 就形成了一個正反饋過程， 聲音信號經(jīng)過多次反復循環(huán)放大后， 在某些頻點的聲音強度超過一定的增益上限，就會發(fā)生自激振蕩，從而產(chǎn)生嘯叫圖 1 聲反饋原理圖 嘯叫的產(chǎn)生必須同時具備以下三個條

3、件：（1）揚聲器和拾音設備（麥克風）要處于同一聲場中，從而保證揚聲器輸 出的信號能被拾音設備再度采集，形成正反饋；（2）拾音設備的拾音靈敏度高，系統(tǒng)的傳聲增益大；（3）聲場存在缺陷共振，即擴聲系統(tǒng)的頻譜特性不平坦，在某些頻點上容 易出現(xiàn)共振。3、嘯叫信號的特征 為了檢測和抑制嘯叫信號， 需要對嘯叫信號的基本特性做一定的分析， 對嘯 叫信號在時域和頻域上進行分析，最終得出以下結(jié)論：嘯叫信號的時域波形是一個頻率恒定的正弦波， 其幅值隨著時間的增加迅速 增大，直到超出了功放放大區(qū)，進入飽和區(qū)和截止區(qū)時，產(chǎn)生削波現(xiàn)象，如圖 2 所示。嘯叫信號的頻譜圖中存在單一的， 并且固定不變的嘯叫頻率點， 并且嘯叫

4、頻 率點對應的幅值遠遠大于語音信號中其他頻率點的幅值，如圖 2 所示。圖 3 嘯叫時頻域波形該實驗要做的主要工作就是在聲反饋建立的初期， 在盡可能少的時間內(nèi)檢測 出嘯叫對應的的頻率點， 并設計相應的陷波器將其抑制掉， 保證系統(tǒng)工作在正常 的線性放大區(qū)，預防諧波信號的產(chǎn)生4、嘯叫抑制的方法及原理 對嘯叫的抑制方法大體上分為被動型預防和主動型控制兩大類。 被動型預防 是根據(jù)聲場特性， 從擴聲系統(tǒng)的系統(tǒng)設計、 設備選型、 聲場布局以及聲場調(diào)整等 環(huán)節(jié)著手做好預防嘯叫的工作； 主動型控制力求在控制嘯叫的同時提高擴聲系統(tǒng) 的傳聲增益。主要有以下幾種方法：基于建筑聲學特性 在音響界，最初解決回聲嘯叫的辦法

5、是通過降低擴聲系統(tǒng)的增益來確保系統(tǒng) 的穩(wěn)定工作，但是，這樣就無法完全滿足擴聲音量的需要。所以，工程技術(shù)人員 開始在室內(nèi)建筑聲學、 結(jié)構(gòu)聲學以及室內(nèi)裝飾裝修方面下功夫， 來解決聲反饋問 題和嘯叫現(xiàn)象。但是，這種方法只是被動地抑制嘯叫，造價及施工難度太大，不 具有普遍推廣意義。2）均衡法圖 4 均衡器 均衡法的原理就是通過衰減或切除聲音信號中某些過強的頻率來抑制住聲 反饋。均衡器首先將聲音頻率進行分段， 然后通過調(diào)節(jié)各頻率段增益來彌補聲場 合揚聲器的缺陷， 達到抑制某一頻點嘯叫的目的。 但是， 這個方法需專業(yè)音響師 手動調(diào)節(jié)，要求音響師準確判斷嘯叫頻點并迅速做出反應； 其次，在實際操作中， 由于均

6、衡器對嘯叫頻點的定位不夠精確，會嚴重損傷音質(zhì)。移頻法移頻就是移動頻率， 移頻器的工作原理是對聲音信號的頻點向上或向下 移幾個或幾十個頻點， 破壞構(gòu)成聲反饋的條件， 最終達到防止嘯叫的目的。 但是， 移頻法導致了整個聲音頻率范圍內(nèi)的頻率失真， 對音質(zhì)損傷較大； 而且，移頻器 的工作狀態(tài)與現(xiàn)場有無嘯叫點沒有關(guān)系， 這樣就會造成新的失真。 因此，應該盡 量少用這種方法。壓限器它的工作原理是根據(jù)輸入聲音信號的大小自動改變輸出信號的增益。 當 聲音信號強度超過設定的電平值時，壓縮器就將壓縮比調(diào)到： 1，語音信號強 度就不會再繼續(xù)增大， 嘯叫也就自然而然地被消除掉了。 但是，這種抑制方法會 對聲音帶來動態(tài)

7、損失，不適宜要求較高的場合。（5）窄帶陷波器利用頻譜分析和判定條件找出聲音信號的嘯叫頻率點， 設計參數(shù)可調(diào)的數(shù)字 陷波器對聲反饋頻點進行抑制。 由于窄帶陷波器在某個很窄的頻帶內(nèi)有很大的衰 減，因此對嘯叫頻點定位精度高， 陷波器帶寬窄， 可以較為準確地抑制嘯叫頻點， 而且對音質(zhì)的損傷比較低，適合于對音質(zhì)要求較高的場合。5 嘯叫抑制系統(tǒng)基本性能指標設計的嘯叫抑制系統(tǒng)要具備以下條件： 第一，陷波器的阻帶帶寬要越窄越好，這樣可以減少聲音的動態(tài)失真。 第二，對嘯叫頻點進行抑制時， 衰減量的陷波深度越深越好， 保證對嘯叫的 完全抑制；第三，嘯叫頻率出現(xiàn)在任何頻點， 系統(tǒng)都可以自動檢測到該頻點， 并對其進

8、行抑制；該實驗的性能指標如下：處理字長： 16bit二階 IIR 數(shù)字陷波器陷波濾波器頻率范圍： 100Hz-5KHz陷波濾波器帶寬： 1/10 倍頻程 頻率定位精度： 1Hz 響應時間： 1s6、系統(tǒng)算法及其實現(xiàn)6.1 嘯叫的檢測和判定算法6.1.1 簡單的檢判算法傳統(tǒng)的嘯叫檢測是利用 FFT算法實現(xiàn)的，用 FFT算法對每幀信號xn,n 0,1,., N 1 進行頻譜分析，求得對應的功率譜 Xk,k 0,1,., N /2 1 ，然 后計算出判決值 R,計算公式如下：R 10log 10( ppeak / pav)(1) 在 1 式中， ppeak 是信號功率譜中的最大幅值，所對應得頻率點是

9、 Fpeak ， pav 為每幀信號中所有功率幅值的平均值。 如果在連續(xù)的一段時間， 判決值都比預設 門限值 T高,且最大幅值對應的頻點 Fpeak都為同一個值， 則判定 Fpeak為嘯叫頻點。6.1.2 細化頻譜分析算法 用上面的算法對聲音信號的頻譜進行分析時，分辨率為：顯而易見， 該算法的頻率分辨率過低， 我們可以采用 CZT算法來細化頻譜分 析。下面簡單的介紹一下 CZT算法 :CZT（Chirp Z-transform）算法的實質(zhì)就是對 z變換采用螺線抽樣。 z 變換的 定義式為：N1XzxnZ nn0（3）其中， xnn 0,1,.,N 1是有限長序列。若令抽樣點 kzk AW ,k

10、 0,1,.,M 1，沿 z 平面上的一段螺線作等分角抽樣，就可以得到 抽樣點處的 z 變換：N1XzkxnA nWnk ,k 0,1,. M 1（4）n0其中，A A0ej2 0,W W0e j2 0 , A0為起始抽樣點 Z 0的矢量半徑長度， 0為 起始抽樣點的相角， W0 為螺線的伸展率（當 W0 1，為螺線內(nèi)縮；當 W0 1，為 螺線外伸）， 0為相鄰抽樣點的角度差（當 0 0 ，為逆時針；當 0 0 ，為順時 針），M為要分析的復頻譜點數(shù)。令 0 Fl/Fs, 0 （Fh Fl）/ Fs，就可以得到 Fl Fh范圍的頻譜， CZT算法的頻率分辨率為 （Fh Fl）/ Fs。可見，C

11、ZT算法可以 任意選取 Fl F h的頻率范圍進行分析， 可以根據(jù)所需的頻率分辨率來確定頻率取 樣點數(shù) M 。CZT算法的原理示意圖如圖 5 所示：圖 5 CZT 算法原理圖CZT算法細化頻譜效果如圖 6 所示，第一幅圖是直接利用 FFT變換后的頻譜圖，第二幅圖是利用 CZT變換后的細化頻譜圖在對嘯叫信號進行頻域分析時， 如果使用 CZT對整個頻域進行頻譜分析， 那 么需要 N*M 次復乘，(N-1) M 次復加，運算量非常大。按照 CZT算法頻率分辨 率的公式 Dczt (Fh Fl)/M ，其中Fh Fl為整個頻帶范圍， 要想提高分辨率， 只 能通過增加頻率采樣點數(shù) M 來實現(xiàn)，而嘯叫檢測

12、系統(tǒng)要求的頻率分辨率又很高， 需要的 M 值就會很大，使運算量大大增加。6.1.3 頻譜分析方案設計綜上所述， FFT算法頻率分辨率太低，達不到系統(tǒng)設計的要求，同時 CZT算 法運算量又太大。 綜合考慮 FFT算法和 CZT算法的優(yōu)缺點， 我們采用一個折中的 辦法：先利用 FFT算法對整個頻域進行粗分析， 一旦檢測到疑似聲反饋頻率點 Fc 存在，就利用 Fc 設定 CZT算法的 Fl 和 Fh，其中 Fl Fc 512， Fh Fc 512，然 后對 Fl Fh頻帶范圍進行頻譜細化分析，如圖 7 所示。這種算法在保證較高頻 率分辨率的同時減小了 CZT算法的運算量 ,綜合性能較好。圖 7 FF

13、T+CZT算法示意圖7、 聲反饋抑制算法實現(xiàn)7.1 方案簡述本實驗采用參數(shù)可調(diào)的 IIR 陷波器來消除聲反饋頻點的自激嘯叫。陷波器實 質(zhì)是一種帶阻濾波器， 它的阻帶很窄， 近似于一個特定的頻點， 因此又稱為點阻 濾波器。當聲反饋檢判算法檢測到一個聲反饋頻點， 就設計一個中心頻率為該頻7.2 陷波器設計數(shù)字陷波濾波器的設計要從濾波器的類型、 模擬濾波器的設計準則以及模擬 濾波器到數(shù)字濾波器的映射方法三個方面來考慮。陷波器的設計可以選用有限沖擊響應 FIR(Finite Impulse Response)濾波器 或者無限沖擊響應 IIR( Infinite Impulse Response)濾波器

14、。先比較一下兩者的優(yōu) 缺點： FIR濾波器有嚴格線性相位，穩(wěn)定，適合定點 DSP實現(xiàn)等優(yōu)點，但同時它 運算量太大且頻率選擇性不高；相比之下， IIR 濾波器有良好的頻率選擇性，在 相同的技術(shù)指標下， 可用比 FTR濾波器少得多的階數(shù)實現(xiàn)要求， 計算量小， 有利 于陷波器設計的實時性。綜合考慮兩類濾波器的優(yōu)缺點，我們最終選用采用 IIR 濾波器設計陷波器。IIR濾波器設計的基本步驟：第一，將數(shù)字濾波器技術(shù)指標，比如通帶截止 頻率，阻帶截止頻率等，轉(zhuǎn)換成對應的模擬濾波器技術(shù)指標；第二，設計模擬濾 波器 Ha( s)使其滿足上述技術(shù)指標； 第三，將設計出的模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù) Ha(s) 按某種方法轉(zhuǎn)

15、換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H(z) 。在整個設計過程中存在著兩種 不同的變換：一是頻帶變換，即將低通濾波器變換成高通、帶通、帶阻濾波器：二是變換域變換， 即將模擬濾波器變換成數(shù)字濾波器。 根據(jù)這兩種變換的先后順 序，引出以模擬濾波器為基礎(chǔ)的兩種設計方法 7，如圖 9和 10所示。圖 9 IIR 數(shù)字濾波器設計方法 1圖 10 IIR 數(shù)字濾波器設計方法 2 模擬低通濾波器幾種常見的類型有貝塞爾濾波器、 巴特沃思濾波器、 切比雪 夫 I 型、II 型和橢圓濾波器。它們的性能比較如表 1 所示。表 1 五類模擬低通濾波器性能對比圖從模擬濾波器到數(shù)字濾波器， 有兩種常用的映射方法： 脈沖響應不變法和

16、雙 線性變換法。 脈沖響應不變法是從濾波器的脈沖響應出發(fā)， 使數(shù)字濾波器的單位 脈沖響應 h(n)模仿模擬濾波器的沖擊響應 ha(t) 。只有當模擬濾波器的頻率響應是 帶限的，且?guī)抻谡郫B頻率以內(nèi)， 才能使數(shù)字濾波器的頻率響應在折疊頻率以內(nèi) 重現(xiàn)模擬濾波器的頻率響應， 保證不產(chǎn)生頻率失真。 脈沖響應不變法最大的缺點 是有頻率響應的混疊現(xiàn)象， 因此只適用于限帶的模擬濾波器， 比如衰減特性很好 的帶通和帶阻濾波器， 而不適用于高通和帶阻濾波器， 所以本文采用雙線性變換 法。雙線性變換法的基本原理： 它是使數(shù)字濾波器的頻率響應模仿模擬濾波器頻 率響應的一種濾波器設計方法。雙線性變換法把整個 s 平面

17、映射到整個 z平面， s平面的左半平面映射到 z平面的單位圓內(nèi)，s平面的右半平面映射到 z 平面的單 位圓外， s平面的虛軸映射到 z平面的單位圓上。這樣就使 s平面與 z 平面是一 一對應的關(guān)系， 它克服了多值映射頻譜混疊的缺點， 同時也滿足了因果穩(wěn)定的模 擬濾波器能夠變換成因果穩(wěn)定的數(shù)字濾波器的要求。用雙線性變換法設計 IIR 數(shù)字濾波器的設計步驟是：(1)確定參數(shù) T。雙線性變換法中的參數(shù) T 的選擇和最終設計出的數(shù)字濾 波器無關(guān)，因此可以取實際關(guān)系中的值，也可以為設計簡單起見，取T=2。由于參數(shù) T 的取值會影響計算精度，所以一般地說，使cT 1左右比較適當，不宜取太大或太小的數(shù)值。(

18、2)將數(shù)字濾波器的邊界頻率 p 、 s轉(zhuǎn)換為模擬濾波器的邊界頻率 p 、s，轉(zhuǎn)換公式為 pT2 tan( 2 )， sT2 tan( 2 ) 。3) 按照模擬濾波器技術(shù)指標 p, p, s, s ，設計模擬濾波器 Ha(s) 。4)用雙線性變換法將模擬濾波器Ha(s)變換成數(shù)字濾波器 H(z) ，即(6)2 1 z1H(z) Ha(s)|s T211 zz1本課題中采用雙線性變換設計二階IIR數(shù)字陷波器的步驟，假設二階模擬陷波器的傳輸函數(shù)為s2 0202H(s) s2 Bs5)其中 B 為 3dB 帶寬。(102 ) 2(102)Z 1 (1 02)Z 2用雙線性變換，可以得到二階數(shù)字濾波器的

19、傳輸函數(shù)為：H(z) H(s)| 1Z1 2 21 22s 1 Z11(1 02B) 2(1 02 )Z1(1 02 B)Z2102 B102令： 2 2102 B102則上式可改為：7)1 (1 )Z 1 Z 2根據(jù)雙線性變換法中數(shù)字頻率與模擬頻率的對應關(guān)系有：102B1tan2( 20)tan(B2 )10B1tan2( 20)tan(B2 )2102 cos 010則求得 IIR 陷波器差分方程系數(shù)如下：8)0 0.5*(1 ) 1 (1 ) 2 0.5*(1 )9)b1 (1 ) b2二階 IIR 數(shù)字陷波器通過離散時間系統(tǒng)來實現(xiàn)，用差分方程描述如下：22y(n)aix(n i)biy

20、(n i)i 0 i110)11)四、實驗過程及結(jié)果分析該實驗在 matlab 下完成，對 IIR 濾波器設計全過程中的各個步驟，Matlab都提供了相應的工具箱函數(shù)， 使 IIR數(shù)字濾波器設計變得非常簡單。 IIR 數(shù)字濾波器的設計步驟和所用的工具箱函數(shù)如圖 11 所示。0.5(1 ) 2 (1 )Z 1 (1 )Z 2 H (z)圖 11 IIR 數(shù)字濾波器設計步驟流程圖1、運行算法程序，給出如下結(jié)果：嘯叫時語音信號的時域波形圖嘯叫時語音信號的頻譜圖嘯叫抑制后的時域波形圖嘯叫抑制后的頻譜圖2、對上述結(jié)果進行分析，說明濾波后的結(jié)果附錄：fs = 10000;%N = fs * 58;% 讀入

21、音頻x,fs= wavread('yuyin1.wav',N); %顯示語音信號時域波形figure(1);subplot(2,1,1);plot(x);xlabel('n');ylabel(' 幅度/ V');title(' 帶嘯叫的語音信號時域波形 ');%顯示語音信號 x 的頻譜；n=0:1:N-1;f=n*fs/N; % temp=fft(x,N); % 換mag=abs(temp); %figure(2);設置采樣頻率設置信息長度將音頻輸入到程序中頻譜圖中的頻率軸 對語音信號 x 作 fft 變求功率譜畫語音信號 x 的

22、頻率譜subplot(2,1,1); plot(f(1:N/2),mag(1:N/2); % title(' 帶嘯叫的語音信號頻譜 ');xlabel(' 頻率 /Hz'); ylabel(' 幅度 '); axis(0,6000,0,10000); grid on;%對嘯叫點進行檢測找出所有頻點中幅值最大的點細化頻率范圍maxs index=max(mag(1:N/2); %A=f(index);%利用 CZT做細化頻譜分析 f1 =A-512; f2 =A+512;%Fs=1000;m=1024; w=exp(-j*2*pi*(f2-f1)/

23、(m*Fs);a = exp(j*2*pi*f1/Fs);z = czt(x,m,w,a);fz = (0:length(z)-1)'*(f2-f1)/length(z) + f1; figure(4);plot(fz,abs(z);axis(f1 f2 0 10000);xlabel('Hz'); ylabel('Magnitude'); title('CZT 細化頻譜圖 ');maxs index=max(abs(z);B=fz(index)%從聲卡播放 x 數(shù)組，聽到帶有嘯叫的語音sound(x,fs);%設計陷波器%模擬指標阻帶下截止頻率 fs1=A-200,阻帶上截止頻率 fs1=A+200, 阻rs=50;%阻帶衰減 dB帶最小衰減 as=50db通帶下截止頻率 fp1=A-300,通帶上截止頻率 fp2=A+300, 阻帶最小衰減 ap=0.1dbrp=0.1;通帶衰減 dB利用奈奎斯特頻率歸一化求濾波器階數(shù) 求濾波器傳遞函數(shù) 繪制陷波器的頻率響應對 x 的嘯叫點進行抑制頻譜圖中的頻率軸 對語音信號 y 作 fft