音频信号关混响器.doc
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1、攀枝花学院本科毕业设计(论文) 摘 要 I 摘 要 混响器作为音频系统中十分重要的一部分,备受录音师们的青睐。它不仅能 修饰和修补声音,还可以模拟出真实环境的效果。混响可以增加声音的美感,其 应用十分广泛。本文主要介绍了混响的原理和混响器的技术指标,及混响器的发 展方向。并建立出混响模型及利用 MATLAB 进行音频信号的混响处理。还介绍 了音频信号的格式以及与 MATLAB 相关的音频信号格式等。编写出延时混响程 序,利用这些程序对歌曲进行混响处理。通过试听,混响的效果较好。 关键词 信号处理,MATLAB,延时,混响 攀枝花学院本科毕业设计(论文) ABSTRACT II ABSTRACT
2、 Reverb as a very important part of audio system, much sound engineer of all ages. It not only can be modified and patch sounds, you can also simulate the real environment effects. Reverb can increase the beauty of the sound, which is widely used. This paper introduces the principle and reverb techn
3、ical indicators, and the development direction of reverb. And the establishment of a reverberation model and the audio signal using MATLAB reverb processing. Also describes the format of the audio signal is an audio signal associated with the MATLAB format. Write delay reverb program, and take advan
4、tage of these programs and listen to the song reverb effect. Keywords Signal Processing,MATLAB,delay,Reverberation 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 目 录 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACTII 1 绪绪 论论 1 1.1 课题背景课题背景1 1.1.1 混响器简介1 1.1.2 数字混响器的工作原理1 1.1.3 混响器的发展现状1 1.2 语音信号处理语音信号处理2 1.2.1 信号的定义2 1.2.2 语音信号处理的发展3 1.2.3 MATLAB 在数字语音信号处理
5、中的应用3 1.3 设计理念设计理念4 2 混响的原理混响的原理 6 2.1 全通滤波混响模型全通滤波混响模型6 2.2 延时延时6 2.3 混响混响7 2.4 声激励声激励8 2.5 相位的调节相位的调节9 2.6 整体缩混输出整体缩混输出9 2.7 多重混响处理多重混响处理10 2.8 频率均衡频率均衡10 3 音频信号与音频信号与 MATALB13 3.1 音频信号的格式音频信号的格式13 3.2 MATLAB 能读取的音频格式能读取的音频格式14 4 设计步骤和编程设计步骤和编程16 4.1 用用 MATLAB 读取一段音频信号读取一段音频信号16 4.2 对音频信号进行混响对音频信号
6、进行混响16 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 目 录 4.3 播放混响后的音频信号播放混响后的音频信号16 4.4 全通结构的混响器全通结构的混响器16 5 实验步骤实验步骤18 6 结结 论论21 参参 考考 文文 献献22 附附 录录23 致致 谢谢25 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 绪 论 0 1 绪 论 1.1 课题背景 1.1.1 混响器简介 混响器是音频系统中普遍使用的周边设备,它可以改变室内的混响时间,对 较“干”的信号进行再加工,以增加空间感,提高音响系统的丰满度。也可以人 为地制造一些特殊效果,如山谷、山洞的回声效果等。板式混响器可以说是人工 混响器的鼻祖,体积很大而且笨重
7、,只能固定在一个地方使用,安装时要采取隔 声措施和防振措施后才能使用。随着计算机科学的高速发展,以及数字音频技术 的发展,出现了数字混响器,数字混响器逐渐取代了古老的板式混响器,并且应 用更广泛。数字混响器采用数字信号处理技术重现混响效果,提供了比模拟混响 器更灵活多变、适应各种需要的效果模式。 常用的混响器有机械式(如弹簧混响器、钢板混响器、箔式混响器等)混响 器、磁混响器和模拟电子混响器、数字混响器等四种。后两者具有频率范围宽, 混响特性好,信噪比高,调节范围大,调整方便等优点,因此被广泛应用于电子 扩声系统中。 1.1.2 数字混响器的工作原理 数字式混响器的工作原理是:先将信号经过 A
8、/D 转换,把音频信号变为数字 信号存储在移位寄存器(MOS)和随机延迟存储器(RAM)的存储单元中,经 编码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。 1.1.3 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
9、使声音更加悦耳。它是一个神奇的声音加工工具, 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 绪 论 1 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 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,
10、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
11、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。
12、 1.2 语音信号处理 1.2.1 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: 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 绪 论 2 (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 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
13、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。 1.2.2 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
14、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
15、 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。 1.2.3 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 攀枝花学
16、院本科毕业设计(论文) 绪 论 3 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
17、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
18、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。 1.3 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
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