【文章內(nèi)容簡介】 后的數(shù)字信號由計算機對其進行運算、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、聲學應用等各種應用層面的有力因素，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院本科畢業(yè)設計（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 技術已經(jīng)可以很好地把計算任 務交給專用的 DSP 芯片來解決，而且已經(jīng)被 TC 電子和 SSL 等音頻設備知名廠商大力推廣，大大減少了不能做多任務運算的電腦的 CPU 芯片的負擔，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)字技術的發(fā)展，當今的數(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 等設計理念，并且會有更多的設計理念出來。然而當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院本科畢業(yè)設計（論文） 緒 論 3 個連續(xù)的值，可以是離散的值。當振幅為連續(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，人們便對語言進行了研究。由于沒有適當?shù)膬x器設備，長期以來，一直是由耳傾聽和用口模仿來進行研究。因此，這種語言研究常被稱為 “ 口耳之學 ” ，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，該技術首次用聲電、電聲轉(zhuǎn)換技術實現(xiàn)了遠距離的語音傳輸。 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。這一發(fā)明在語音信號處理領域具有劃時代的意義。 19 世紀 60 年代，亥姆霍茲應用聲學方法對元音和歌唱進行了研究，從而奠定了語言的聲學基礎。 20 世紀 40 年代，一種語言聲學的專用儀器 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，并進行語音合成。 20世紀 50 年代對語言產(chǎn)生的聲學理論開始有了系統(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行。在此基礎上，語音信號處理不論在基礎研究方面，還是在技術應用方面，都取得了突破性的進展。 MATLAB 在數(shù)字語音信號處理中的應用 數(shù)字語音信號處理是將數(shù)字信號處理與語音學相結合，解決現(xiàn)代通信領域中人與人、人與機器之間的信息交流的學科。近幾年來語音信號處理科 學 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 廣泛應用于數(shù)字攀枝花學院本科畢業(yè)設計（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)絡等領域。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，因此也成為學習語音信號處理和進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用。 （ 1） MATLAB 可以對數(shù)字語音信號進行時 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行清濁音的判斷、對語音信號的基音周期進行估計和有無聲判定等。 （ 3）通過利用 MATLAB 對語音信號進行編程處理。由于 MATLAB 是一種面向數(shù)學和工程計算的高級語言，其允許用數(shù)學形式的編程語言，而且擁有大量的庫函數(shù)，所以它具有編程簡 單、效率高、易學易懂等特點?？梢詫π盘栠M行加噪和去噪、濾波、截取語音等，也可以進行語音編碼、語音識別、語音合成的編程等。 設計理念 如果人為地對聲音信號進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用。以前的混響處理是采用模擬技術，效果不夠理想。隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，一些原來只能通過建筑聲學才能解決的聲學效果問題如今可以利用電聲學技術以及數(shù)字信號處理技術來實現(xiàn)。在同一個聲學環(huán)境下，一個聲源除了一部分能直接到達人耳外，還有一部分需要通過人 體周圍的障礙物反射到人耳，而直達聲和反射聲疊加在一起就形成了混響。本設計正是利用這一特性對音頻信號進行了延時，然后進行疊加以達到混響效果，設計效果明顯。 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，本設計基于 MATLAB 分析了 wav 聲音文件頻譜與聲音的關系。通過攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 緒 論 5 MATLAB 載入一首歌曲進行延時、混響等處理，然后設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行回放，以便在聽覺上來感受聲音的變化。 攀 枝花學院本科畢業(yè)設計（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，這就是我們所說的鑲邊效果。如果延遲時間達到 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 枝花學院本科畢業(yè)設計（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）預延時（ Ini Dly），指調(diào)整主延時電路的預延時時間。 （ 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。 由于進行延時操作所產(chǎn)生的效果均復雜多變，如果非效果處理的專家，可以使用設備提供的預先設置的參數(shù)，因為這些預置參數(shù)給出的處理效果會比自己設置的要好。 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、復雜，所以模擬混響效果的程序也復雜多變。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。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）擴散度：擴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）預延時：建立自然混響聲陣會延遲一段時間，預延時即為模擬次效應而設置。 （ 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)技術性較高，由于電子混響的聲陣密度比自然混響攀 枝花學院本科畢業(yè)設計（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行調(diào)制。此項技術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到飽和所引起的非線性，進而產(chǎn)生 發(fā)硬