语音信号系统中回声与交混回响仿真设计.doc

1、目 录一、市场需求1二、系统总体设计12.1课程设计的原始资料及设计技术要求12.1.1利用自制的语音作为信号源12.1.2利用simulink仿真回声12.1.3布置3个扬声器，利用M语言编程，设计并仿真出听者听音效果12.1.4撰写课程设计报告12.2课程设计工作内容及完成时间12.3课程设计的原理2三、系统详细设计23.1 MATLAB录制语音，保存、绘制声波图工作原理23.1.1主要M语言代码23.1.2操作步骤33.2回声的仿真实验33.2.1回声的基本原理33.2.2回声仿真实验的操作过程43.2.3回声仿真实验的电路图及参数设置43.3交混回响的仿真设计53.3.1交混回响的原理

2、53.3.2交混回响的运用63.3.3交混回响的M文件编程源代码63.3.4交混回响的仿真条件7四、调试与维护74.1利用MATLAB录制语音、保存、并绘制声波图74.3利用MATLAB做交混回响仿真设计9五、结束语10六、参考文献10七、指导教师评阅（手写）1111一、市场需求建筑物里，由于距离较小，反射声波（回声）跟原来的声音混合在一起分不开，感觉效果是原来的声音加强并且延长了，这种现象称为交混回响。声源发出声音后，声强减弱到原来声强的百万分之一所需要的时间叫做建筑物的交混回响时间，是描述建筑物的声学特性的重要参数。适当的交混回响时间可以使声音变得浑厚、好听，增加感染力，教堂和音乐厅建筑都

3、注意这一点。当交混回响时间太长会使音乐的节奏和语言模糊不清。交混回响时间一般以1秒-2秒为宜交混回响时间与建筑物大小，墙壁、地面和天花板材料都由关系，还受到建筑物内人的多少以至服饰的影响。例如，首都剧场空座时的交响回响时间是3.3秒,满座时的交混回响时间大约是1.36秒。人民大会堂满座时的交混回响时间大约是1.8秒。本次课程设计正是借助MATLAB的强大功能，通过编写程序实现了模拟语音信号的数字化处理，然后绘图直观的对混响现象进行仿真分析。二、系统总体设计2.1课程设计的原始资料及设计技术要求2.1.1利用自制的语音作为信号源2.1.2利用simulink仿真回声2.1.3布置3个扬声器，利用

4、M语言编程，设计并仿真出听者听音效果2.1.4撰写课程设计报告 2.2课程设计工作内容及完成时间11.26至11.27：查找资料，了解语音信号基本知识；11.28至11.29：熟悉MATLAB软件平台，掌握simulink及M语言的编程；1.30至12.01：对回声进行simulink建模并仿真；12.02至12.04：利用M语言对交混回响进行仿真设计；12.05至12.07：撰写课程设计报告。2.3课程设计的原理 MATLAB 科学与工程计算的高级语言, 同时也是适用于科学和工程计算的数学软件系统。作为数值软件的MATLAB, 对计算数学领域的特定问题类型, 如数值线性代数、微分方程数值解、

5、数值逼近、最优化方法、数值积分等进行求解, 可以得到问题的离散解或近似的解析表达式。针对每一类问题的求解, MATLAB都能给出该类问题的各种高效算法。MATLAB具有一个阵容强大、范围广泛的基本运算体系。MATLAB极其简洁的语言结构支持结构化程序设计, 且具有超过任一高级语言系统的调试技术。MATLAB高度智能化的调试技术是用户开发MATLAB程序的有力工具。MATLAB将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非

6、交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式。三、系统详细设计3.1 MATLAB录制语音，保存、绘制声波图工作原理3.1.1主要M语言代码 y=wavrecord(80000,8000); %录音save D:2009100260 y; %保存到D盘，命名为2009100260.matsound(y,8000); %播放录音figure(1);plot(y); %做原始语音信号的时域图形title(原始语音信号);xlabel(时间 t);ylabel(音量 n);3.1.2操作步骤 用MATLAB录制10s长的声音声音内容为：姓名及来自哪个班级播放录制的声音利用plot指令绘制声波

7、图3.2回声的仿真实验3.2.1回声的基本原理回声是一种物理现象。当直达声结束后，声音经其它物体反射、折射，又返回来收到的声波，称为回声。回声有时泛指一切反射回来的声音。当传到人耳的直达声和回声之间的时间差在1/20s以上时，可以很清楚地把他们区分开。在山谷或大厅中，常有回声现象发生。尤其是在影剧院里回声往往会妨碍听音，所以建筑师必须考虑消除回声的影响。相反，直达声和回声之间的时间差在1/20s以下时，回声不但不妨碍听音，反而使声音更加响亮。应用MATLAB软件可以方便地进行仿真实验。回声现象取决于几个重要的物理参数：声源距离听者有多远；声音产生往复反射的两个反射体距离有多远；声音的反射体在反

8、射声音的过程中对声音的衰减有多大（假设听者在声源与反射体之间的某个位置上）。3.2.2回声仿真实验的操作过程 调用先前录制的自己声音作为该实验音源，记录示波器（Scope）时域图；改变放大器增益和整数延迟，并记录此时的示波器时域图。注意：由于要使用y，所以y必须事先出现在workspace中。3.2.3回声仿真实验的电路图及参数设置下图所示是回声仿真实验系统。图中1800的延迟代表了声音在两个反射体之间走一个来回的延迟（1800/Fs秒），它的值越大，反映了两个发射体的距离愈大。图中0.5的增益代表了声音在两个反射体之间走一个来回的损耗，它愈小，回声衰减愈快。图中0.7的增益代表了传输损耗。各

9、元件参数设置分别如下： 模块名称：From Workspace参数名称参数值Signal（信号）ySample time（采样时间）1/18000Sample per frame（每帧采样数）32模块名称：Reshape参数名称参数值Output dimensionality（输出维数）1-D array（1维）模块名称：To Wave Device参数名称参数值Queue duration（序列持续期）1Initial output delay（初始输出延迟）0.13.3交混回响的仿真设计3.3.1交混回响的原理 声源停止作用后，声音的延续现象成为“交混回响”。在各种建筑物中，声波要经过墙壁

10、、天花板等多次反射和吸收。混响持续时间的长短和反射声波的材料对声波的吸收有关。如果每次只吸收很少一部分声能，则混响时间长，使声音前后重迭辨别不清楚感到声音模糊。如果混响时间过短，虽然对声音分辨很清楚，但使人听起来枯涩、单调，有沉寂枯燥的感觉，使音乐演奏的效果很不理想，影响对演奏的欣赏。一般来说，适当的时间在12秒之间，是混响强度降低60分贝。各种物质的吸声性质用吸声系数来表示，吸声系数即吸收的声能在入射波能量中所占的百分比。软而多孔的物质吸声系数大，而坚硬平滑的物质吸声系数就小。所以，交混回响时间的长短，是建筑物重要的声学性质。例如，北京首都剧场的交混回响时间，满座时是1.36秒，空座时是3.

11、3秒。3.3.2交混回响的运用 在一间有若干个扬声器的礼堂里，处在某个特定位置听到的声音是什么效果，可以用仿真的方法来实现。为了简化问题，假定墙面上有吸音材料，即忽略了墙壁的反射。编程仿真的思想是：电信号在电线里传输的时间可以忽略，但当相距若干米的扬声器发出的声音到达听者的位置时，不同扬声器的声音经过了不同的路程，路程的差别产生相位差，所有带有不同相位的声音的叠加就产生了交混回响的效果。3.3.3交混回响的M文件编程源代码 load(D:matlabwork2009100260.mat)fs=8000;N1=80000;v=340; %声音速度b1=(202+452).5; %计算机听到扬声器

12、B的距离yb1=zeros(1,(fs*b1/v),y; %听者听到扬声器B的声音（从扬声器开始%生算起，有yb1/v的时间里我们什么都听不%到，即有fs*b1/v元素为0yb=yb1(1:N1);a1=(202+152).5; %计算听者到扬声器A的距离ya1=zeros(1,(fs*a1/v),y; %听者听到扬声器A的声音ya=ya1(1:N1);c1=(352+652).5; %计算听者到扬声器C的距离yc1=zeros(1,(fs*c1/v),y; %听者听到扬声器C的声音yc=yc1(1:N1);ye=1.9*ya+1.6*yb+1.9*yc; %听者听到三个扬声器的声音叠加sub

13、plot(211);plot(y);gridsubplot(212);plot(ye);gridsound(y,fs);pause(10);sound(1.9*ye,fs) %播放原音后播放合成的声音3.3.4交混回响的仿真条件 下图所示是交混回响仿真实验中的扬声器布置图，A、B、C是三个接到同一声源的扬声器，它们距离听者的水平和垂直距离标注在图上。 C B 65m 30m A 15m 10m 20m 听者四、调试与维护4.1利用MATLAB录制语音、保存、并绘制声波图把源程序写入20009100260.m文件中；调试并运行程序；开始执行，往麦克风说入一段话，内容为：姓名及来自哪个班级；程序生

14、成一个2009100260.mat文件，且绘制出此段声音的声波图，声波图如下： 4.2 用MATLAB做回声仿真实验按原理绘制好电路图，在workspace中点击load data file，选择前面实验录制声音时保存的原始声音数据文件，文件名为2009100260.mat，在workspace中生成一个y数据文件；点击开始执行电路；To wave device模块中扬声器播放有回声效果的声音；打开Scope模块，显示出声音延时前和延时后的声波图，图形如下：4.3利用MATLAB做交混回响仿真设计把源程序写入MATLAB中2009100260.m文件中；调试并执行；程序先播放原始声音，然后播放

15、经过交混回响处理的声音；程序绘制出原始声音与经过交混回响处理的声波对比图，上图为原始声音声波图，下图为经过交混回响处理的声波图，图形如下：五、结束语通过本次基于MATLAB关于交混回响的仿真研究，使我对MATLAB的基本操作有了很好的熟悉和掌握；在翻阅资料和学习课本知识的过程中，基本熟悉了通过MATALB软件仿真现实问题的方式方法。再次，由仿真研究的各个流程，可以充分体现MATLAB在数值运算，数字信号处理，绘图等方面的强大优势；其编程语言的通俗与简洁，也使其当之无愧成为进行科学研究和数值计算的首选软件。 这次课程设计体会最大的还是同学之间的帮助很重要。在设计过程中遇多了许许多多的问题，都是通

16、过同学的帮忙才得于完成。六、参考文献沈福民.自适应信号处理.西安电子科技大学出版社，2001.John G.proakis,Masoud Salehi.刘树棠 译.现代通信系统使用MATLAB.西安交通大学出版社，2001.石杰.盲均衡技术在水声信道高速率数据传输中的运用.西北工业大学,2002.Dimitris G.Manolakisvinay k.lngle,Stephen M.Kogon.周正 等译.统计与自适应信号处理.电子工业出版社，2002. （5）周品 何正风MATLAB数值分析M机械工业出版社，2009.1 七、指导教师评阅（手写）成绩（百分制）： 指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日注：如教研室有明确的评分标准，可粘贴于此页。