數(shù)字語音回聲生成及混響功能設計

周道杰 康奇秀 高壓峰

摘要：本次設計主要進行語音信號的采集和數(shù)字化處理，利用延時單元FIR濾波器，改變聲音頻率，設計單回聲濾波器、多回聲濾波器和全通濾波器，實現(xiàn)單一信號源的單回聲、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)頻域分析結果，分辨聲音經(jīng)過不同濾波器處理后區(qū)別，并通過導出的音頻評估設計原理的正確性和可行性。

關鍵詞：FIR濾波器;單回聲;多回聲;全通濾波器;混響效果

引言：語音信號處理是以語音學和數(shù)字信號處理為基礎、研究用數(shù)字信號處理技術對語音信號進行處理的一門綜合性學科，利用數(shù)學計算技術研究語音處理技術，使人們能夠更加有效地產(chǎn)生、傳輸、儲存和獲取語言信息，對促進社會的發(fā)展具有十分重要的意義和價值。

一、設計要求

獲取一段語音信號，設計不同濾波器，編程實現(xiàn)單回聲效果、多重回聲效果及自然聲音混響：

1）設計單回聲濾波器，實現(xiàn)單回聲效果。給出單回聲濾波器沖激響應及幅頻響應和加入單回聲前后信號頻譜;

2）設計多重回聲濾波器，實現(xiàn)多重回聲效果。給出多重回聲濾波器沖激響應及幅頻響應和加入多重回聲前后信號頻譜;

3）設計全通混響器與自然聲音混響器，實現(xiàn)自然聲音混響效果。

三、設計原理

3.1單回聲濾波器

回音可以由延時單元產(chǎn)生，直達聲和在R個抽樣周期后出現(xiàn)的一種單個回音，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，可用一個以下形式傳輸函數(shù)的FIR濾波器：

對方程（5）兩邊同時取逆z變換，時域方程為：

3.3混響

聲音在一個封閉的空間中到達聽眾時，包含幾個部分：直達聲、早期的反射和混響。早期的反射由幾個空間上鄰近的直達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)量太少會引起合成聲的顫動，需要每秒約1000個回音才能生成沒有顫動的反射聲。

3.3.1全通濾波器

為了生成更真實的混響，提出一種有全通結構混響器，傳輸函數(shù)為：

對方程（4）兩邊同時取逆z變換，時域方程為：

3.3.2自然聲音混響

四、設計過程

4.1設計思路

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

4.2自然聲音混響頻域分析

五、實驗結論

實驗通過設計FIR濾波器實現(xiàn)單回聲、多重回聲以及混響效果，根據(jù)實例頻譜圖分析發(fā)現(xiàn)，多重回聲效果較單回聲效果更加明顯，如果延時調(diào)試得當，會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，從而使聲音信號在平時聽起來也可以產(chǎn)生在音樂廳的立體感（空間感）。

六、參考文獻：

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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/職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：衛(wèi)星通信，單位信息：南京熊貓漢達科技有限公司

1.華北理工大學人工智能學院 2.華北理工大學電氣工程學院