新工科背景下語音信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉霞 王秀芳 李艷輝 霍鳳財(cái) 梁紅衛(wèi)

摘要：針對(duì)“新工科”對(duì)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)提出更高要求的背景下，開發(fā)了基于Matlab GUI的語音信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)時(shí)錄制本人語音信號(hào)，并可根據(jù)男女聲分別進(jìn)行時(shí)域處理、頻域處理，聲音特殊效果的處理等，通過對(duì)比男女聲的時(shí)頻特征，及濾波處理和變聲處理的前后變化，加深學(xué)生對(duì)語音信號(hào)處理的體驗(yàn)，提升工程意識(shí)和思維能力。

Abstract： In the context of "new engineering" putting forward higher requirements on students' engineering application ability and comprehensive quality， a virtual simulation experiment platform for speech signal processing based on Matlab GUI was developed. The platform can record the voice signal of the person in real time， and can perform time domain processing， frequency domain processing， sound special effect processing， etc. according to the male and female voices respectively， and deepen students' experience in speech signal processing and enhance engineering awareness and thinking ability by comparing the time-frequency characteristics of the male and female voices and the changes before and after filter processing and sound processing.

關(guān)鍵詞：MATLAB;語音信號(hào)處理;新工科;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

Key words： MATLAB;voice processing;new engineering;experiment platform

中圖分類號(hào)：TP75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）29-0263-02

0? 引言

新工科建設(shè)是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展的新需求、國際競爭的新形勢(shì)提出的高等教育改革的新方向[1-2]。隨著科技的發(fā)展，除了人與人的溝通，人機(jī)對(duì)話和智能領(lǐng)域也開始使用語言進(jìn)行交互。因此，語音信號(hào)處理是目前發(fā)展迅速的熱門研究領(lǐng)域。本文以語音為研究對(duì)象，采用Matlab GUI設(shè)計(jì)和開發(fā)了語音信號(hào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)生可錄制本人語音信號(hào)，并可根據(jù)自己是男生和女生，對(duì)自己的聲音進(jìn)行時(shí)域處理、頻域處理，聲音特殊效果的處理等，可對(duì)比男女聲的時(shí)頻特征，及濾波處理和變聲處理的前后變化等。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)中，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)語音信號(hào)處理的體驗(yàn)，提升工程意識(shí)和綜合應(yīng)用能力[3]。

1? 實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

該語音信號(hào)處理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Matlab的圖形用戶界面設(shè)計(jì)可視化的主界面，在主界面中，將每個(gè)功能設(shè)計(jì)成“按鈕”控件來完成，單擊按鈕，調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，彈出新的圖形窗口，在該窗口中實(shí)現(xiàn)具體的語音處理功能?？傮w框架如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面如圖2所示。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 錄音及播放

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用電腦的聲卡設(shè)備采集聲音信號(hào)并保存為*.wav格式[4];單擊主界面的“錄音與播放”按鈕，在彈出界面中可實(shí)現(xiàn)錄制及播放，可通過文本框控制錄制的時(shí)間，并繪制時(shí)域波形和頻譜圖，如圖3所示。

2.2 男女聲語音處理實(shí)驗(yàn)

單擊主界面中的“調(diào)幅”、“回聲”按鈕，可對(duì)男女聲分別進(jìn)行調(diào)整振幅、和設(shè)置回聲效果，并繪制波形圖和頻譜圖，便于對(duì)比男女聲的特征。界面如圖4、圖5所示。

2.3 語音特效處理實(shí)驗(yàn)

單擊主界面中的“變聲”、“調(diào)速”、“倒放”等按鈕，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的處理。如變聲實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)入的音頻信號(hào)進(jìn)行“大叔”“蘿莉”“搞怪”三種變聲處理，如圖6所示。

倒放實(shí)驗(yàn)可對(duì)原始聲音信號(hào)進(jìn)行倒放并且自動(dòng)繪制倒放后信號(hào)的波形圖和頻譜圖，同時(shí)播放倒放后的聲音信號(hào)，如圖7所示。

2.4 語音濾波處理實(shí)驗(yàn)

語音濾波處理實(shí)驗(yàn)可對(duì)含噪語音信號(hào)進(jìn)行低通高通濾波處理，截止頻率可調(diào)，并可通過輸入“音量級(jí)數(shù)”補(bǔ)償濾波后語音信號(hào)能量的損失。濾波界面如圖8所示。

3? 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于Matlab的GUI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，通過窗口、按鈕，菜單等控件實(shí)現(xiàn)了對(duì)語音信號(hào)的實(shí)時(shí)采集及播放、處理、保存等功能，界面操作簡單、便于學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)，通過男女聲的對(duì)比處理，結(jié)合自身體驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升工程應(yīng)用能力，符合新工科培養(yǎng)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱君，宋樹祥，秦柳麗，等.“新工科”創(chuàng)新理念的電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34（11）：171-173.

[2]韓建，牟海維，等.新工科背景下數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法探討[J].教育教學(xué)壇，2019（11）：185-186.

[3]孟若蘭，劉艷，等.基于MATLAB GUI 的變聲器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2018（17）：19-20.

[4]杜海龍，黃池軍.基于MATLAB 的語音信號(hào)仿真與分析[J].河南科技，2014（10）：10-11.