【文章內(nèi)容簡介】 后的數(shù)字信號由計算機對其進(jìn)行運算、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、延遲時間以及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，以及自然界根本無法得到的特殊音響效果，故又稱之為效果器。 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?；祉懫骺梢栽黾勇曇舻目臻g感，其利用聲音反射相對較小的特點 來添加空間感，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)代流行音樂錄音攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 2 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)備知名廠商大力推廣，大大減少了不能做多任務(wù)運算的電腦的 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）的運行，因為廠家生產(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。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)行無縫鏈接，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 位運算和多核中央處理器的計算機，以前過大混響計算量不能一 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，極大地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，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)計理念，并且會有更多的設(shè)計理念出來。然而當(dāng)今的混響器市場主要被國外企業(yè)占據(jù)，但國內(nèi)市場巨大，這就為我們的產(chǎn)品設(shè)計提供了廣闊的市場空間。 語音信號處理 信號的定義 信號是傳遞信息的函數(shù)。離散時間信號可以用圖形來表示。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)。一維變量可以是時間，也可以是其他的參量，習(xí)慣上將一維變量看成是時間。信號可以分為以下幾種： （ 1）離散時間信號：時間為離散變量的信號，即獨立變量時間被量化了。而幅度仍是連續(xù)變化的。 （ 2）連續(xù)時間信號：定義的時間范圍為連續(xù)的信號，但信號的振幅可以是一攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 3 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。事實上，常見的連續(xù)時間信號和模擬信號可通用，并且以相同的信號來說明。 （ 3）數(shù)字信號：時間離散而幅度量化的信號。 語音信號是一維數(shù)字信號，它是基于時間軸上的，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：將時域波形轉(zhuǎn)化為頻域來分析。 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 年貝爾電話的發(fā)明，該技術(shù)首次用聲電、電聲轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(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 實驗室研制成功 “ 語音回放機 ” ，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。隨著計算機的出現(xiàn)，語音信號處理的研究得到了計算機技術(shù)的幫 助，使得過去受人力、時間限制的大量的語音統(tǒng)計分析工作，得以在電子計算機上進(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。 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) 在世界范圍內(nèi)已取得了飛速的發(fā)展， 由于 MATLAB 是一種 運算效率高、 功能強大、交互性良 好的數(shù)值計算和可視化計算 的 高級語言，它將信號處理 、 圖形顯示 和數(shù)值分析有機地融合 為 一 體， 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 ，其功能越來越強大， 因而被 廣泛應(yīng)用于數(shù)字攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 4 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，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 域和 頻域分析。通過 MATLAB 可以 很 方便地 畫出 語音信號的時域 波形 及頻域 圖 ，并且 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?？筛鶕?jù)語音信號的短時參數(shù)，和不同語音信號短時參數(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?？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。 設(shè)計理念 如果人為地對聲音信號進(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)以及數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(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)計正是利用這一特性對音頻信號進(jìn)行了延時，然后進(jìn)行疊加以達(dá)到混響效果，設(shè)計效果明顯。 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內(nèi)容，濾除混雜的噪聲和干擾，或者是將信號變換為容易分析和識別的形式，便于估計和選擇它的特征參數(shù)。 聲音信號是一維連續(xù)信號，而計算機只能處理離散信號。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)字聲音文件格式，本設(shè)計基于 MATLAB 分析了 wav 聲音文件頻譜與聲音的關(guān)系。通過攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒 論 5 MATLAB 載入一首歌曲進(jìn)行延時、混響等處理，然后設(shè)計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，依據(jù)實際情況對它進(jìn)行延時、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。 攀 枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 混響的原理 6 2 混響的原理 全通濾波混響模型 全通濾波的混響模型如圖 所示： 圖 全通混響模型 圖中 m 表示延時，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(nm)+gy(nm) （ ） 傳遞函數(shù)為： H(z)= mmgZgZ ??? ?1 （ ） 延時 延時就是將音源延遲一段時間后，再播放出來的效果處理。根據(jù)其延遲時間的長短，可產(chǎn)生鑲邊、回音、合唱等效果。 當(dāng)延遲的時間在 3~35ms 之間時，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，會因為其相位的干涉而產(chǎn)生 梳狀濾波 效應(yīng)，這就是我們所說的鑲邊效果。如果延遲時間達(dá)到 50ms 以上，延遲的聲音就清晰可辨，這時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效果。 鑲邊、延時、回音、合 唱等效果所具有的可調(diào)參數(shù)大致都相同，包括以下幾攀 枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 混響的原理 7 項： （ 1）延時時間（ Dly），即調(diào)整主延時電路的延時時間。 （ 2）反饋增益（ FB Gain），即控制延時反饋的增益。 （ 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)制頻率（ Freq），指主延時電路的調(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（ Ini Dly），指調(diào)整主延時電路的預(yù)延時時間。 （ 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。 由于進(jìn)行延時操作所產(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)，因為這些預(yù)置參數(shù)給出的處理效果會比自己設(shè)置的要好。 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）混響時間：能逼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，特別是對于混響時間。 （ 2）高頻混降：為了產(chǎn) 生比較自然的混響效果，此項參數(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)范圍為 ~。高頻混降越高，混響效果就越接近自然混響；相反較低時，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)范圍為 0~10，位于較高值時，混響效果體現(xiàn)出豐厚、溫暖的特點；位于較低值時，混響效果就比較空曠、冷僻。 （ 4）預(yù)延時：建立自然混響聲陣會延遲一段時間，預(yù)延時即為模擬次效應(yīng)而設(shè)置。 （ 5）聲陣密度：調(diào)整聲陣密度參數(shù)可改變聲陣的密度，當(dāng)數(shù)值較高時，混響的效果為溫暖，但有明顯的聲 染色；相反，數(shù)值較低時，混響效果變?yōu)樯铄?，并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攀 枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 混響的原理 8 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時間進(jìn)行調(diào)制。此項技術(shù)可以有效的消除延時聲陣列的段裂聲，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。其可選項一般有房間（ Room）、小廳（ SHall）、大廳（ LHall）、隨機（ 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；早期機械式混響效果可以用鋼板、彈簧混響來模擬。 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