数字语音回声生成及混响功能设计

周道杰 康奇秀 高压峰

摘要：本次設计主要进行语音信号的采集和数字化处理，利用延时单元FIR滤波器，改变声音频率，设计单回声滤波器、多回声滤波器和全通滤波器，实现单一信号源的单回声、多重回声以及混响效果，以增加特殊音效并能够合成，根据频域分析结果，分辨声音经过不同滤波器处理后区别，并通过导出的音频评估设计原理的正确性和可行性。

关键词：FIR滤波器;单回声;多回声;全通滤波器;混响效果

引言：语音信号处理是以语音学和数字信号处理为基础、研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门综合性学科，利用数学计算技术研究语音处理技术，使人们能够更加有效地产生、传输、储存和获取语言信息，对促进社会的发展具有十分重要的意义和价值。

一、设计要求

获取一段语音信号，设计不同滤波器，编程实现单回声效果、多重回声效果及自然声音混响：

1）设计单回声滤波器，实现单回声效果。给出单回声滤波器冲激响应及幅频响应和加入单回声前后信号频谱;

2）设计多重回声滤波器，实现多重回声效果。给出多重回声滤波器冲激响应及幅频响应和加入多重回声前后信号频谱;

3）设计全通混响器与自然声音混响器，实现自然声音混响效果。

三、设计原理

3.1单回声滤波器

回音可以由延时单元产生，直达声和在R个抽样周期后出现的一种单个回音，可以用FIR滤波器产生，差分方程为：

3.2多回声滤波器

由单回声滤波器函数可知，为了产生以间隔R个抽样周期分开的具有指数衰减振幅的多重回声，可用一个以下形式传输函数的FIR滤波器：

对方程（5）两边同时取逆z变换，时域方程为：

3.3混响

声音在一个封闭的空间中到达听众时，包含几个部分：直达声、早期的反射和混响。早期的反射由几个空间上邻近的直达声的基本延迟和衰减组成，而混响则由密集的回声组成。上述多重回声滤波器不能提供自然声音混响，其幅度响应对于所有频率不是常数，收听效果不能令人满意。其次每秒回声数量太少会引起合成声的颤动，需要每秒约1000个回音才能生成没有颤动的反射声。

3.3.1全通滤波器

为了生成更真实的混响，提出一种有全通结构混响器，传输函数为：

对方程（4）两边同时取逆z变换，时域方程为：

3.3.2自然声音混响

四、设计过程

4.1设计思路

录制一个大约十三秒左右的音频信号，利用对声音信号做延迟单元，产生回声，再与原信号做叠加，产生单回声和多重回声效果。取同音频信号，通过全通滤波器，使该信号获得不同的延时，将信号叠加，模仿出自然声音混响，这里设计了两个全通滤波器，根据需求调整参数和和增加全通滤波器个数，以达到更好效果。

4.2自然声音混响频域分析

五、实验结论

实验通过设计FIR滤波器实现单回声、多重回声以及混响效果，根据实例频谱图分析发现，多重回声效果较单回声效果更加明显，如果延时调试得当，会得到很好的回声效果，产生类似在音乐厅的效果，而自然混响的效果则较前两者更加明显，从而使声音信号在平时听起来也可以产生在音乐厅的立体感（空间感）。

六、参考文献：

[1]李月月，陆瑶，张馨月.数字语音和图像信号处理以及特征提取[J].信息记录材料，2020，21（08）：173-174.

[2]罗俊.基于数字滤波器的回声研究[J].农业网络信息，2008（03）：143-144.

[3]高西全，丁玉美.数字信号处理（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008：95-105.

[4] John G. Proakis，Dimitris G. Manolakis. 数字信号处理[M].方艳梅，刘永清译.北京：电子工业出版社， 2006：282-295.

作者简介：孙士银，1992年6月，男，汉族，山西大同人，职务/职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：卫星通信，单位信息：南京熊猫汉达科技有限公司

1.华北理工大学人工智能学院 2.华北理工大学电气工程学院