數(shù)字語音回聲生成及混響功能設(shè)計(jì)

周道杰 康奇秀 高壓峰

摘要：本次設(shè)計(jì)主要進(jìn)行語音信號(hào)的采集和數(shù)字化處理，利用延時(shí)單元FIR濾波器，改變聲音頻率，設(shè)計(jì)單回聲濾波器、多回聲濾波器和全通濾波器，實(shí)現(xiàn)單一信號(hào)源的單回聲、多重回聲以及混響效果，以增加特殊音效并能夠合成，根據(jù)頻域分析結(jié)果，分辨聲音經(jīng)過不同濾波器處理后區(qū)別，并通過導(dǎo)出的音頻評估設(shè)計(jì)原理的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：FIR濾波器;單回聲;多回聲;全通濾波器;混響效果

引言：語音信號(hào)處理是以語音學(xué)和數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)、研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對語音信號(hào)進(jìn)行處理的一門綜合性學(xué)科，利用數(shù)學(xué)計(jì)算技術(shù)研究語音處理技術(shù)，使人們能夠更加有效地產(chǎn)生、傳輸、儲(chǔ)存和獲取語言信息，對促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展具有十分重要的意義和價(jià)值。

一、設(shè)計(jì)要求

獲取一段語音信號(hào)，設(shè)計(jì)不同濾波器，編程實(shí)現(xiàn)單回聲效果、多重回聲效果及自然聲音混響：

1）設(shè)計(jì)單回聲濾波器，實(shí)現(xiàn)單回聲效果。給出單回聲濾波器沖激響應(yīng)及幅頻響應(yīng)和加入單回聲前后信號(hào)頻譜;

2）設(shè)計(jì)多重回聲濾波器，實(shí)現(xiàn)多重回聲效果。給出多重回聲濾波器沖激響應(yīng)及幅頻響應(yīng)和加入多重回聲前后信號(hào)頻譜;

3）設(shè)計(jì)全通混響器與自然聲音混響器，實(shí)現(xiàn)自然聲音混響效果。

三、設(shè)計(jì)原理

3.1單回聲濾波器

回音可以由延時(shí)單元產(chǎn)生，直達(dá)聲和在R個(gè)抽樣周期后出現(xiàn)的一種單個(gè)回音，可以用FIR濾波器產(chǎn)生，差分方程為：

3.2多回聲濾波器

由單回聲濾波器函數(shù)可知，為了產(chǎn)生以間隔R個(gè)抽樣周期分開的具有指數(shù)衰減振幅的多重回聲，可用一個(gè)以下形式傳輸函數(shù)的FIR濾波器：

對方程（5）兩邊同時(shí)取逆z變換，時(shí)域方程為：

3.3混響

聲音在一個(gè)封閉的空間中到達(dá)聽眾時(shí)，包含幾個(gè)部分：直達(dá)聲、早期的反射和混響。早期的反射由幾個(gè)空間上鄰近的直達(dá)聲的基本延遲和衰減組成，而混響則由密集的回聲組成。上述多重回聲濾波器不能提供自然聲音混響，其幅度響應(yīng)對于所有頻率不是常數(shù)，收聽效果不能令人滿意。其次每秒回聲數(shù)量太少會(huì)引起合成聲的顫動(dòng)，需要每秒約1000個(gè)回音才能生成沒有顫動(dòng)的反射聲。

3.3.1全通濾波器

為了生成更真實(shí)的混響，提出一種有全通結(jié)構(gòu)混響器，傳輸函數(shù)為：

對方程（4）兩邊同時(shí)取逆z變換，時(shí)域方程為：

3.3.2自然聲音混響

四、設(shè)計(jì)過程

4.1設(shè)計(jì)思路

錄制一個(gè)大約十三秒左右的音頻信號(hào)，利用對聲音信號(hào)做延遲單元，產(chǎn)生回聲，再與原信號(hào)做疊加，產(chǎn)生單回聲和多重回聲效果。取同音頻信號(hào)，通過全通濾波器，使該信號(hào)獲得不同的延時(shí)，將信號(hào)疊加，模仿出自然聲音混響，這里設(shè)計(jì)了兩個(gè)全通濾波器，根據(jù)需求調(diào)整參數(shù)和和增加全通濾波器個(gè)數(shù)，以達(dá)到更好效果。

4.2自然聲音混響頻域分析

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)FIR濾波器實(shí)現(xiàn)單回聲、多重回聲以及混響效果，根據(jù)實(shí)例頻譜圖分析發(fā)現(xiàn)，多重回聲效果較單回聲效果更加明顯，如果延時(shí)調(diào)試得當(dāng)，會(huì)得到很好的回聲效果，產(chǎn)生類似在音樂廳的效果，而自然混響的效果則較前兩者更加明顯，從而使聲音信號(hào)在平時(shí)聽起來也可以產(chǎn)生在音樂廳的立體感（空間感）。

六、參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：孫士銀，1992年6月，男，漢族，山西大同人，職務(wù)/職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：衛(wèi)星通信，單位信息：南京熊貓漢達(dá)科技有限公司

1.華北理工大學(xué)人工智能學(xué)院 2.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院