基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法

2023-05-04 00:41:06 2

專利名稱：基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法
技術領域：
本發明屬於數位訊號處理領域，涉及一種對聲音信號進行頻率補償的方法，特別是一種基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法。
背景技術：
音量控制的實質是縮放音頻信號波形的幅度以改變它的聲壓。音量是指人耳對所聽到的聲音大小強弱的主觀感受，它和聲壓是不同的。聲波傳播時，空氣媒質各部分產生壓縮與膨脹的周期性變化，這變化部分的壓強與靜態壓強的差值稱為聲壓。聲壓是一個客觀 的量。而現在的電子設備中，所有的音量大小的調整，其實質都是調整電流的大小，電流大小的改變也就意味著音頻信號的幅度被縮放了。而根據等響曲線的特性對音頻信號進行補償這項技術在等響曲線誕生後不久就被提出。在 1959 年，M. H. Estkowski 就發表了一篇名為「Tone compensated loudnesscontrol」的論文。在這篇論文中，他根據等響曲線的特性，設計了響度控制電路，用來補償當音量有所調整時低頻段與高頻的失真。在這之後，就在功放上出現了 loudness的功能。loudness功能其實就是在功放中內置了一個等響度控制電路。但是，這一技術是對模擬信號進行處理，而模擬信號處理是難以做到高精度的，它受環境的影響大，可靠性較差，而且不靈活。在2000年，一位新加坡南洋理工大學的學者Woon S. Gan提出了使用計算機對聲音信號進行處理，拋棄了響度控制電路這一模擬處理方式。但是，他的研究對象是有源噪聲控制(Active noise control)技術,他提到如果以等響曲線為參考,有源噪聲控制技術會更加符合人的主觀感受。2007年，國內的學者也提出了類似的觀點，姜順明和陳南在他們的《基於響度控制的封閉腔有源噪聲控制》這篇論文中也提到，如果引入等響曲線為參考，有源噪聲控制技術將更加合理。在國內外的研究中，自適應噪聲控制、自適應噪聲均衡這些概念已經被提出，也是利用等響曲線作為參考，從而獲得更加符合人耳主觀感受的效果。但是，他們的研究對象是有源噪聲，這和音樂播放是不同的。總而言之，目前的音量控制技術不適應人耳的主觀感受，它會帶來音質變差，音色改變等問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，解決了現有技術中存在的問題。目前的音量調整忽略了人耳的主觀感受。目前的調整實際上是縮放了音頻信號的幅度，每個頻率上的聲壓級的變化都是相等的。這不符合人耳的主觀感受。所以這就是造成音量與音質成為矛盾的重要原因之一。
因此，當對聲音信號調節增益時，如果根據等響曲線的特性對失真的頻率做一些補償，那麼可以使得音質與原始信號的音質一致。本發明採用的技術方案是
I.一種基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於通過對等響曲線的量化分析，結合在調整音量時產生的增益變化量Λ S，自動地對信號做出補償，達到還原音質的目的；具體操作步驟如下
(1)在控制音量時，產生的增益變化量ΛS作用在聲音文件的時域信號S上，得到了增益後的時域信號s』 ；將這個時域信號S』進行傅立葉變換，得到頻域信號Sf ；
(2)用數字濾波器對該頻域信號Sf進行濾波，將它分為若干段頻域信號；
(3)對等響曲線進行量化分析，得出在不同增益變化量ΛS的情況下，各個頻率段的補償係數；
(4)結合補償係數，得到各段頻域信號的補償信號；
(5)最後通過補償信號對時域信號S』完成補償，得到最終的輸出信號S。。上述增益變化量Λ S是一個與原有信號相乘，放大或縮小原有信號的係數。上述數字濾波器選用的是FIR帶通濾波器。上述補償信號是各段頻域信號與各自的補償係數的乘積。上述補償的實現最終是通過將補償信號的時域信號與時域信號S』相加完成。上述補償的量是通過對等響曲線的量化分析得出的。其分析步驟如下
(1)一條等響曲線上的每一個點h，都是由頻率f和聲壓級S決定的，可以得到h = G(f，S )這樣的關係，h代表等響曲線上的某一個點，f代表頻率，S代表聲壓級，G是他們之間的對應關係；
(2)每一條等響曲線都是以1000Hz純音的聲壓級作為標準，即當確定了1000Hz純音的聲壓級時，即確定了一條等響曲線&，並且在這條曲線上得到一個由頻率fn和聲壓級Sn一一對應的集合Htl
H0 = {(f0, S0)，(f1； S1)，(f2, S2)，(f3, S3)……(flk , S )……}
(3)當調整音量的時候，即作為標準的1000Hz純音的聲壓級產生了變化，由S變成了
St ;此時得到新的等響曲線^ ■ =G ( flk ,St );在這條新的曲線上，同時得到一組新的
Λ 0 Hi0
對應關係fn與S11，以及一個新的集合
· = {(f0-e' )，(fi-p' )，(f2-K' )，(fs’s；. ) ......( fik 』S. )......}
並且在這條確定的曲線上，可以找到頻率4所對應的聲壓級53 ;因此得到-X =CCfn)
所以，集合Hie可以表示為
H' ={的，W(fe〕1 , )],的，^%)]……Mk』S.)……}
(4)普通的增益調整會產生一個ΛS，這個Λ S使得頻率f與聲壓級S的對應關係變為(fn，Sn — Λ S);所以，集合Htl就變成了 Ηβ
H3 = {(f0, S0 -Δ S), (f1； S1 -Δ S), (f2, S2 -Δ S), (f3, S3 — Λ S)……}
(5)在理想狀態下，音量調整增益後，與頻率fn對應的聲壓級Sn應該由Sn變為)，而在實際情況中，它變成了(Sn—AS)，它們的偏差At即為
Atn = Br01Cfn ) — (Sn-AS)
並且，只要頻帶足夠窄，那麼在這個頻段中，各頻率偏差之間的誤差是可以忽略不計的；因此,互I i就是各頻率段的偏差；
(6)假設a為補償係數，S卩a= 10f- -I。


圖I是基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法的原理框圖。圖2是一段未經處理的粉紅噪聲的原始信號的時域信號與頻域信號圖。圖3是普通音量控制調整後的時域信號與頻域信號圖。圖4是進行了音色還原的時域信號與頻域信號圖。
具體實施例方式實施例一
參見圖1，本實施例基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於通過對等響曲線的量化分析，結合在調整音量時產生的增益變化量Λ S，自動地對信號做出補償，達到還原音質的目的；具體操作步驟如下
(I)在控制音量時，產生的增益變化量Λ S作用在聲音文件的時域信號S上，得到了增益後的時域信號s』 ；將這個時域信號S』進行傅立葉變換，得到頻域信號Sf ；
(2)用數字濾波器對該頻域信號Sf進行濾波，將它分為若干段頻域信號；
(3)對等響曲線進行量化分析，得出在不同增益變化量ΛS的情況下，各個頻率段的補償係數；
(4)結合補償係數，得到各段頻域信號的補償信號；
(5)最後通過補償信號對時域信號S』完成補償，得到最終的輸出信號S。。實施例二
本實施例與實施例一基本相同特別之處如下
所述增益變化量Λ S是一個與原有信號相乘，放大或縮小原有信號的係數。·所述數字濾波器選用的是FIR帶通濾波器。所述補償信號是各段頻域信號與各自的補償係數的乘積。所述補償的實現最終是通過將補償信號的時域信號與時域信號S』相加完成。所述補償的量是通過對等響曲線的量化分析得出的。其分析步驟如下
(1)一條等響曲線上的每一個點h，都是由頻率f和聲壓級S決定的，可以得到h = G(f，S )這樣的關係，h代表等響曲線上的某一個點，f代表頻率，S代表聲壓級，G是他們之間的對應關係；
(2)每一條等響曲線都是以1000Hz純音的聲壓級作為標準，即當確定了1000Hz純音的聲壓級時，即確定了一條等響曲線&，並且在這條曲線上得到一個由頻率fn和聲壓級Sn一一對應的集合Htl
H0 = {(f0, S0)，(f1； S1)，(f2, S2)，(f3, S3)……(flk , S )……}
(3)當調整音量的時候，即作為標準的1000Hz純音的聲壓級產生了變化，由S變成了S;此時得到新的等響曲線t >, * =G ( flk，S:);在這條新的曲線上，同時得到一組新的對
U1Q
應關係fn與Sn 』以及一個新的集合Η
· = Kf0, )，(fi> · )，(f2> · )，(f3>e· ) ......( flk 'S )......}
並且在這條確定的曲線上，可以找到頻率4所對應的聲壓級5。；因此得到Sn =
(4)所以，集合Hics可以表示為
權利要求
1.基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於通過對等響曲線的量化分析，結合在調整音量時產生的增益變化量Λ S，自動地對信號做出補償，達到還原音質的目的；具體操作步驟如下 (1)在控制音量時，產生的增益變化量ΛS作用在聲音文件的時域信號S上，得到了增益後的時域信號S』 ；將這個時域信號S』進行傅立葉變換，得到頻域信號Sf ； (2)用數字濾波器對該頻域信號Sf進行濾波，將它分為若干段頻域信號； (3)對等響曲線進行量化分析，得出在不同增益變化量ΛS的情況下，各個頻率段的補償係數； (4)結合補償係數，得到各段頻域信號的補償信號； (5)最後通過補償信號對時域信號S』完成補償，得到最終的輸出信號S。。
2.如權利要求I所述基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於所述增益變化量Λ S是一個與原有信號相乘，放大或縮小原有信號的係數。
3.如權利要求I所述基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於所述數字濾波器選用的是FIR帶通濾波器。
4.如權利要求I所述基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於所述補償信號是各段頻域信號與各自的補償係數的乘積。
5.如權利要求I所述基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於所述補償的實現最終是通過將補償信號的時域信號與時域信號S』相加完成。
6.如權利要求I所述基於等響曲線的根據音量調整自動還原聲音信號音色的方法，其特徵在於所述補償的量是通過對等響曲線的量化分析得出的；其分析步驟如下 (1)一條等響曲線上的每一個點h，都是由頻率f和聲壓級S決定的，可以得到h = G(f，S )這樣的關係，h代表等響曲線上的某一個點，f代表頻率，S代表聲壓級，G是他們之間的對應關係； (2)每一條等響曲線都是以IOOOHz純音的聲壓級作為標準，即當確定了1000Hz純音的聲壓級時，即確定了一條等響曲線&，並且在這條曲線上得到一個由頻率fn和聲壓級Sn一一對應的集合Htl H0 = {(f0, S0)，(f1； S1)，(f2, S2)，(f3, S3)……(flk , S )……} (3)當調整音量的時候，即作為標準的1000Hz純音的聲壓級產生了變化，由S變成了S' ;此時得到新的等響曲線^ ■ =G ( flk ,S' );在這條新的曲線上，同時得到一組新的flIO對應關係fn與5 ，以及一個新的集合Huj · = {(fo^· )，(fi-,' )，)，(f3^·)……(flk』S.)……} Xl.; qwg並且在這條確定的曲線上，可以找到頻率4所對應的聲壓級513 ;因此得到Sn =咖.) 所以，集合Hits可以表示為 =Uf^hr0iCf0 )]，[6, 1 )]，[4, 1 )]……(flk,S.)……} rtIO (4)普通的增益調整會產生一個ΛS，這個Λ S使得頻率f與聲壓級S的對應關係變為(fn，Sn — Λ S);所以，集合Htl就變成了 H3 H0 = {(f0, S0 -Δ S), (f1； S1 -Δ S), (f2, S2 -Δ S), (f3, S3 — Λ S)……} (5)在理想狀態下，音量調整增益後，與頻率fn對應的聲壓級Sn應該由Sn變為)，而在實際情況中，它變成了(Sn—AS)，它們的偏差At即為 Δ tn = h^Cf, ) - (Sn-AS) 並且， 只要頻帶足夠窄，那麼在這個頻段中，各頻率偏差之間的誤差是可以忽略不計的；因此, Τ i就是各頻率段的偏差； (6)假設a為補償係數，即a=捕警-I。
全文摘要
本發明涉及一種基於等響曲線的根據調整自動還原聲音信號音色的方法。本方法通過對等響曲線的量化分析，結合在調整音量時產生的增益係數△S，自動地對信號做出補償，達到還原音質的目的。從而使得音量控制更加符合人耳的主觀感受，為聽者提供更加優質的聽感。
文檔編號H03G7/00GK102915741SQ20121041804
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者石復霖 申請人:上海大學