音频信号混响器设计(编辑修改稿)

音频信号混响器设计(编辑修改稿)内容摘要：

后的数字信号由计算机对其进行运算、处理，最后经过 D/A 转换，以获得所需的各种混响声和自然效果声。 采用数字式混响器对信号的电平、位置、延迟时间以及混响信息均可自由控制、无频率畸变和染色失真现象，所以能够获得更为自然的混响效果，以及自然界根本无法得到的特殊音响效果，故又称之为效果器。 混响器的发展现状 长久以来，混响器作为音频制作、声学应用等各种应用层面的有力因素，为其提供了源源不竭的活力。 混响器可以增加声音的空间感，其利用声音反射相对较小的特点 来添加空间感，从而使声音更加悦耳。 它是一个神奇的声音加工工具，是所有音频制作相关行业的从业者再熟悉不过的工具了，也是现代流行音乐录音攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 2 制作、影视歌曲制作中不可或缺的有力工具。 对于数字混响器的研究应用，美国莱斯康的 PCM 480L、 960L。 丹麦 TC 电子混响的 Reverb 6000、 Reverb 4000 等硬件混响装置凭借其优良的算法和出色的声音效果，多年以来仍然是世界上主要的工作室、各大录音棚、电影混音棚里使用最为广泛的混响制作工具。 随着科技的不断发展，包括混响操作等问题，数字 DSP 技术已经可以很好地把计算任 务交给专用的 DSP 芯片来解决，而且已经被 TC 电子和 SSL 等音频设备知名厂商大力推广，大大减少了不能做多任务运算的电脑的 CPU 芯片的负担，从而保证了更加稳定的数字音频工作站（ DAW）的运行，因为厂家生产的 DSP 效果卡等也都有自己的特殊功能，这些 DSP 效果混响卡继承了很多真正的硬件混响的特点。 此外，这些产品可以对 VST、 AU、 RTAS 等插件格式的主流音频工作站进行无缝链接，所以这些产品被许多录音师和工程师追捧。 近年来，随着不断提高的 CPU 的速度，出现了 64 位运算和多核中央处理器的计算机，以前过大混响计算量不能一 次达到，而卓越的 CPU 的出现很好地解决了这一问题，并且有一个很好的发展前景。 如此强大的音频信号混响器无论是在公共商业演出还是家庭娱乐中，均发挥着重要作用，它能让我们拥有丰厚，饱满的声音体验，极大地提高了我们的生活质量和精神追求。 随着数字技术的发展，当今的数字混响器具有灵活多变等特点，可为我们提供各种需求，根据中国商务部的调查分析，未来五年，混响器产业所带来的效益将以每年百分之二十左右增长。 并且用户对产品的期望也越来越高，所以有越来越多的企业开始着力开发更好更完美的混响器产品。 不只是在混响器，现在已有混响室 等设计理念，并且会有更多的设计理念出来。 然而当今的混响器市场主要被国外企业占据，但国内市场巨大，这就为我们的产品设计提供了广阔的市场空间。 语音信号处理 信号的定义 信号是传递信息的函数。 离散时间信号可以用图形来表示。 根据不同的信号的特性，信号可以表示成一个或几个函数的自变量。 例如，图像信号就是空间位置（二元变量）的亮度函数。 一维变量可以是时间，也可以是其他的参量，习惯上将一维变量看成是时间。 信号可以分为以下几种： （ 1）离散时间信号：时间为离散变量的信号，即独立变量时间被量化了。 而幅度仍是连续变化的。 （ 2）连续时间信号：定义的时间范围为连续的信号，但信号的振幅可以是一攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 3 个连续的值，可以是离散的值。 当振幅为连续的情况下，通常被称为作为模拟信号。 事实上，常见的连续时间信号和模拟信号可通用，并且以相同的信号来说明。 （ 3）数字信号：时间离散而幅度量化的信号。 语音信号是一维数字信号，它是基于时间轴上的，这里主要针对语音信号进行频域分析。 在信号分析中，频域比时域包含更多的信息。 而对于频域分析，大概有 8 种波形可以让我们分析：矩形方波，锯齿波，梯形波，三角波，余旋波，余旋平方波，临界阻尼指数脉 冲波形，高斯波。 对于这些波形，我们都可以用傅立叶变换来分析，就是：将时域波形转化为频域来分析。 语音信号处理的发展 早在一两千年以前，人们便对语言进行了研究。 由于没有适当的仪器设备，长期以来，一直是由耳倾听和用口模仿来进行研究。 因此，这种语言研究常被称为 “ 口耳之学 ” ，所以对语音只是停留在定性的描写上。 语音信号处理真正意义上的研究可以追溯到 1876 年贝尔电话的发明，该技术首次用声电、电声转换技术实现了远距离的语音传输。 1939 年 Homer Dudley 提出并研制成功的第一个声码器，从此奠定了语音 产生模型的基础。 这一发明在语音信号处理领域具有划时代的意义。 19 世纪 60 年代，亥姆霍兹应用声学方法对元音和歌唱进行了研究，从而奠定了语言的声学基础。 20 世纪 40 年代，一种语言声学的专用仪器 语谱图仪问世了。 它可以把语音的时变频谱用语图表示出来，从而得出了 “ 可见语言 ”。 1948 年美国 Haskins 实验室研制成功 “ 语音回放机 ” ，该仪器可以把手工绘制在薄膜片上的语谱图自动转换成语音，并进行语音合成。 20世纪 50 年代对语言产生的声学理论开始有了系统的论述。 随着计算机的出现，语音信号处理的研究得到了计算机技术的帮 助，使得过去受人力、时间限制的大量的语音统计分析工作，得以在电子计算机上进行。 在此基础上，语音信号处理不论在基础研究方面，还是在技术应用方面，都取得了突破性的进展。 MATLAB 在数字语音信号处理中的应用 数字语音信号处理是将数字信号处理与语音学相结合，解决现代通信领域中人与人、人与机器之间的信息交流的学科。 近几年来语音信号处理科 学 在世界范围内已取得了飞速的发展， 由于 MATLAB 是一种 运算效率高、 功能强大、交互性良 好的数值计算和可视化计算 的 高级语言，它将信号处理 、 图形显示 和数值分析有机地融合 为 一 体， 是 一个极其方便、 操作简单、 用户界面友好的操作 和开发 环境。 随着 MATLAB 的不断 更新换代 ，其功能越来越强大， 因而被 广泛应用于数字攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 4 语音信号处理、数值图像处理、仿真自动控制、小波分析和神经网络等领域。 同时又由于 MATLAB具有大量的信号处理工具箱并能利用非线性动态系统分析工具Simulink 等优点，所以近年来 MATLAB 已经成为数字信号处理的有利工具，因此也成为学习语音信号处理和进行研究工作的仿真软件工具。 下面简要介绍 MATLAB 在数字语音信号中的几方面应用。 （ 1） MATLAB 可以对数字语音信号进行时 域和 频域分析。 通过 MATLAB 可以 很 方便地 画出 语音信号的时域 波形 及频域 图 ，并且 可以 根据语音 信号 的特性对其 进行分析。 例如，清浊音的幅度差别、 LPC 分析、频谱分析等。 （ 2） MATLAB 能对数字语音信号进行判别和评估。 可根据语音信号的短时参数，和不同语音信号短时参数的性质对一段给定的信号进行清浊音的判断、对语音信号的基音周期进行估计和有无声判定等。 （ 3）通过利用 MATLAB 对语音信号进行编程处理。 由于 MATLAB 是一种面向数学和工程计算的高级语言，其允许用数学形式的编程语言，而且拥有大量的库函数，所以它具有编程简 单、效率高、易学易懂等特点。 可以对信号进行加噪和去噪、滤波、截取语音等，也可以进行语音编码、语音识别、语音合成的编程等。 设计理念 如果人为地对声音信号进行处理让其具有更完美的音质效果，这样的方法称之为人工混响，人工混响在广播电影电视和音乐制作中被广泛应用。 以前的混响处理是采用模拟技术，效果不够理想。 随着数字信号处理技术的发展，一些原来只能通过建筑声学才能解决的声学效果问题如今可以利用电声学技术以及数字信号处理技术来实现。 在同一个声学环境下，一个声源除了一部分能直接到达人耳外，还有一部分需要通过人 体周围的障碍物反射到人耳，而直达声和反射声叠加在一起就形成了混响。 本设计正是利用这一特性对音频信号进行了延时，然后进行叠加以达到混响效果，设计效果明显。 数字信号处理主要是研究用数字或符号序列表示和处理信号。 处理的目的可以是削弱信号中的多余内容，滤除混杂的噪声和干扰，或者是将信号变换为容易分析和识别的形式，便于估计和选择它的特征参数。 声音信号是一维连续信号，而计算机只能处理离散信号。 为了从离散信号还原连续信号，根据采样定理，可以确定采样频率的最小值。 wav 文件是一种数字声音文件格式，本设计基于 MATLAB 分析了 wav 声音文件频谱与声音的关系。 通过攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪 论 5 MATLAB 载入一首歌曲进行延时、混响等处理，然后设计一个混响器来处理这个原始声音的 wav 文件，并比较输出声音信号与原声音信号的异同。 利用 MATLAB中的 wavread 命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量。 再将该向量看作一个普通的信号，依据实际情况对它进行延时、混响等操作。 对于波形图与频谱图（包括前后的对比图）都可以用 MATLAB 画出。 我们还可以通过 sound 命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化。 攀 枝花学院本科毕业设计（论文） 混响的原理 6 2 混响的原理 全通滤波混响模型 全通滤波的混响模型如图 所示： 图 全通混响模型 图中 m 表示延时，而 g(g1)是反馈增益。 此混响模型输入输出方程为： y(n)=gx(n)+x(nm)+gy(nm) （ ） 传递函数为： H(z)= mmgZgZ  1 （ ） 延时 延时就是将音源延迟一段时间后，再播放出来的效果处理。 根据其延迟时间的长短，可产生镶边、回音、合唱等效果。 当延迟的时间在 3~35ms 之间时，人耳会感觉不到滞后的声音的存在，并且滞后的声音与原音源相叠加后，会因为其相位的干涉而产生 梳状滤波 效应，这就是我们所说的镶边效果。 如果延迟时间达到 50ms 以上，延迟的声音就清晰可辨，这时的处理效果称之为回音。 处理回音一般都是用来产生比较简单的混响声效果。 镶边、延时、回音、合 唱等效果所具有的可调参数大致都相同，包括以下几攀 枝花学院本科毕业设计（论文） 混响的原理 7 项： （ 1）延时时间（ Dly），即调整主延时电路的延时时间。 （ 2）反馈增益（ FB Gain），即控制延时反馈的增益。 （ 3）反馈高频比（ Hi Ratio），即控制反馈回路上面的高频衰减。 （ 4）调制频率（ Freq），指主延时电路的调频周期。 （ 5）调制深度（ Depth），指调频电路的调制深度。 （ 6）高频增益（ HF），指控制高频的均衡。 （ 7）预延时（ Ini Dly），指调整主延时电路的预延时时间。 （ 8）均衡频率（ EQ F），这里的均衡频率用于音色的调整，即 为频率选择一个均衡的中点。 由于进行延时操作所产生的效果均复杂多变，如果非效果处理的专家，可以使用设备提供的预先设置的参数，因为这些预置参数给出的处理效果会比自己设置的要好。 混响 混响效果主要是用于增加音源的融合感。 自然音源的延时声阵列非常密集、复杂，所以模拟混响效果的程序也复杂多变。 常见参数有以下几种： （ 1）混响时间：能逼真的模拟自然混响的数码混响器上均有一套非常复杂的程序，虽然其拥有很多参数可调，然而相比原有的效果，调整这些技术参数都不会更为自然，特别是对于混响时间。 （ 2）高频混降：为了产 生比较自然的混响效果，此项参数用于模拟空气对高频部分的吸收效应。 一般情况下高频混降的可调范围为 ~。 高频混降越高，混响效果就越接近自然混响；相反较低时，混响效果就较清澈。 （ 3）扩散度：扩散度可改变混响声阵密度的增长速率，其可调范围为 0~10，位于较高值时，混响效果体现出丰厚、温暖的特点；位于较低值时，混响效果就比较空旷、冷僻。 （ 4）预延时：建立自然混响声阵会延迟一段时间，预延时即为模拟次效应而设置。 （ 5）声阵密度：调整声阵密度参数可改变声阵的密度，当数值较高时，混响的效果为温暖，但有明显的声 染色；相反，数值较低时，混响效果变为深邃，并且声染色也相对较弱。 （ 6）频率调制：这一参数技术性较高，由于电子混响的声阵密度比自然混响攀 枝花学院本科毕业设计（论文） 混响的原理 8 的稀疏，为了让混响声听起来比较平滑、连贯，需要对混响声阵列的延时时间进行调制。 此项技术可以有效的消除延时声阵列的段裂声，可以增加混响声的柔和感。 （ 7）调制深度：指上述调频电路的调制深度。 （ 8） 混响类型：不同房间的自然混响声阵列差别也较大，而这种差别也不是一两项参数就能表现的。 在数字混响器当中，不同的自然混响需要不同的程序。 其可选项一般有房间（ Room）、小厅（ SHall）、大厅（ LHall）、随机（ Random）、反混响（ Reverse）、钢板（ Plate）、弹簧（ Sprirg）等。 其中自然混响效果包括房间、小厅、大厅混响；早期机械式混响效果可以用钢板、弹簧混响来模拟。 声激励 如果对音响音源信号进行浅度的限幅处理，就会产生一种类似 饱和 的音感效果，从而使其发音在不增大其实际响度的基础上表现出有响度增大的效果。 一些常用的效果器上也有非线性饱和的效果，实际上就是有信号的振幅处理，用来模拟三极管上的大电平信号达到饱和所引起的非线性，进而产生 发硬。