MATLAB在聲音信號識別中的研究

華北電力大學電氣與電子工程學院 蘇欣美

隨著現代通信技術的發展，MATLAB對語音信號的處理識別也不斷的發展。本文基于語音信號時域和頻域相互轉換的傅里葉變換原理，運用MATLLAB軟件對不同性別聲音信號進行時域和頻域的信號處理并提取了不同性別聲音信號的特征頻率，對不同聲音的時域和頻域特性進行深度分析和研究。

語言是人類進行交流的重要工具，隨著信息技術的快速發展，語音通信技術是信號處理與分析的重要發展方向之一，而聲音信號的特征提取與檢測是語音信號采集、分析與處理中的一個重要方面。如何采集聲音信號并對采集后的聲音信號的特征進行有效的提取對識別和處理聲音信號有著重要意義。通過對男生、女生不同的音頻信號進行采集，利用MATLAB實現對聲音信號的頻譜分析，得到男女生 性別不同的頻率特征點，有效地區分了男女聲音的不同，并通過實驗驗證了該方法的可行性和有效性。

1 聲音信號的采集系統設計

1.1 聲音信號的產生與特征

聲音是由物體的機械振動產生的并以波的形式進行傳播。人耳可聽到的聲音頻率在20-10000Hz之間。人類的語言首先是經過大腦對對所要表達的思想信息進行語言編碼，這些語言編碼通過大腦的神經網絡控制相應的聲帶肌肉產生有節律的機械震動從而產生聲音。聲音是一種聲波，具有音質、音調、響度和音長等物理特征。其中音調和響度主要取決于聲音信號的頻率特征和時域特征。音調取決于聲音的頻率即聲音的頻譜特征，聲音信號的頻率數值越大音調越高；相反頻率數值越小音調越低。響度主要取決于聲音信號的幅值大小即聲音信號的時域幅值，聲音信號的時域幅值越大響度就越大，反之則越小。

1.2 基于聲卡的聲音信號采集系統設計

從前面的分析中可以看出聲音的響度與音調可以通過聲音信號的時域特征和頻域特征進行分析。這里設計了語音信號的采集系統如圖1所示。從圖1可以看出聲音信號通過語音麥克風的拾取送到計算機的聲卡中，這部分為聲音信號的采集。采集出來的聲音信號的幅值隨時間發生變化，即通常所說的信號的時域采集，可以用來分析信號的響度特征。為了分析信號的音調特征，必須對采集的信號進行頻譜分析。利用傅里葉變換得到聲音信號的頻譜，通過MATLAB軟件實現聲音信號頻譜的顯示，從而提取男生與女生不同聲音信號的特征。

圖1 聲音信號采集系統簡圖

2 聲音時域-頻域轉換原理

由麥克風采集的聲音信號為模擬時域信號x(t)，該信號經過聲卡進行抽樣、量化，由模擬時域信號轉換為離散時域聲音信號x(n)。

根據離散傅里葉變換公式將時域離散聲音信號轉換為頻域離散聲音信號：

式中：X(k)—時域離散聲音信號的傅里葉變換

N—聲音信號的采樣序列值

由于DFT運算較為復雜，復乘運算需要進行N2次，與N2成正比，因此運算時間過長。所以利用FFT快速傅里葉變換，復乘運算次數僅為Nlog2N，與N成正比，大大減少DFT的復乘運算，快速有效計算離散傅里葉變換，得到聲音信號的頻域波形。

3 實驗分析

3.1 不同性別聲音信號的時域提取

聲音信號的獲取是通過麥克風和聲卡對男生和女生的聲音進行采集。由Windows自帶的錄音系統來存儲，存儲的聲音文件形式為（*.wav)，然后利用MATLAB的文件調用指令和繪圖指令來繪制男生和女生的聲音時域信號如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3男生和女生的時域音頻信號可以識別出信號幅值的大小，即聲音信號的響度。從聲音信號的幅值隨時間變化的情況很難區分男聲和女聲，也就是無法通過聲音信號的響度特征來來提取男聲和女聲的聲音信號特征。

圖2 男生語音信號時域波形

圖3 女生語音信號時域波形

圖4 男生語音信號頻譜圖

圖5 女生語音信號頻譜圖

3.2 不同性別聲音信號的頻域圖像

為更好地識別男聲和女聲的聲音信號特征，對采集到的語音信號進行頻譜分析。利用matlab編程實現前述聲音信號的時域-頻域轉換原理，男聲和女聲的語音信號頻譜圖像如圖4和圖5所示。

分析圖4圖5可知，男生和女生的頻譜圖特征區別較大。男生的聲音頻率主要集中在200Hz-300Hz左右的頻率范圍，而女生的聲音頻率集中在500Hz-700Hz的頻率范圍內，女生的聲音頻率普遍比男生要高，即可以通過提取不同性別聲音的音調特征來區分男生和女生的聲音。因此，可以利用不同聲音所集中的頻率范圍對聲音進行性別識別判斷。

結語：本文介紹了一種男女生性別不同的聲音識別方法，利用MATLAB的強大的編程功能對采集到的語音信號進行時域和頻域的分析處理，并通過仿真實驗驗證了該方法的有效性，這一技術的實現為特定語言環境下男女生聲音特征識別提供一種實用的方法。