周道杰 康奇秀 高壓峰

摘要：本次設(shè)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(shè)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(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：語音信號處理是以語音學(xué)和數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)、研究用數(shù)字信號處理技術(shù)對語音信號進行處理的一門綜合性學(xué)科，利用數(shù)學(xué)計算技術(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(shè)計要求

獲取一段語音信號，設(shè)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(shè)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(yīng)及幅頻響應(yīng)和加入單回聲前后信號頻譜;

2）設(shè)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(yīng)及幅頻響應(yīng)和加入多重回聲前后信號頻譜;

3）設(shè)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(shè)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(dá)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(dá)聽眾時，包含幾個部分：直達(dá)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(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(jié)構(gòu)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(shè)計過程

4.1設(shè)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(shè)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(dá)到更好效果。

4.2自然聲音混響頻域分析

五、實驗結(jié)論

實驗通過設(shè)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(dāng)，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(xiàn)：

[1]李月月，陸瑤，張馨月.數(shù)字語音和圖像信號處理以及特征提取[J].信息記錄材料，2020，21（08）：173-174.

[2]羅俊.基于數(shù)字濾波器的回聲研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2008（03）：143-144.

[3]高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理（第三版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008：95-105.

[4] John G. Proakis，Dimitris G. Manolakis. 數(shù)字信號處理[M].方艷梅，劉永清譯.北京：電子工業(yè)出版社， 2006：282-295.

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