CN102915741A - 基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于等响曲线的根据调整自动还原声音信号音色的方法。本方法通过对等响曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益系数△S，自动地对信号做出补偿，达到还原音质的目的。从而使得音量控制更加符合人耳的主观感受，为听者提供更加优质的听感。

Description

基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，涉及一种对声音信号进行频率补偿的方法，特别是一种基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法。 

背景技术

音量控制的实质是缩放音频信号波形的幅度以改变它的声压。音量是指人耳对所听到的声音大小强弱的主观感受，它和声压是不同的。声波传播时，空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化，这变化部分的压强与静态压强的差值称为声压。声压是一个客观的量。而现在的电子设备中，所有的音量大小的调整，其实质都是调整电流的大小，电流大小的改变也就意味着音频信号的幅度被缩放了。 

而根据等响曲线的特性对音频信号进行补偿这项技术在等响曲线诞生后不久就被提出。在1959年，M.H.Estkowski就发表了一篇名为“Tone compensated loudness control”的论文。在这篇论文中，他根据等响曲线的特性，设计了响度控制电路，用来补偿当音量有所调整时低频段与高频的失真。在这之后，就在功放上出现了loudness的功能。loudness功能其实就是在功放中内置了一个等响度控制电路。但是，这一技术是对模拟信号进行处理，而模拟信号处理是难以做到高精度的，它受环境的影响大，可靠性较差，而且不灵活。 

在2000年，一位新加坡南洋理工大学的学者Woon S. Gan提出了使用计算机对声音信号进行处理，抛弃了响度控制电路这一模拟处理方式。但是，他的研究对象是有源噪声控制（Active noise control）技术，他提到如果以等响曲线为参考，有源噪声控制技术会更加符合人的主观感受。 

2007年，国内的学者也提出了类似的观点，姜顺明和陈南在他们的《基于响度控制的封闭腔有源噪声控制》这篇论文中也提到，如果引入等响曲线为参考，有源噪声控制技术将更加合理。 

在国内外的研究中，自适应噪声控制、自适应噪声均衡这些概念已经被提出，也是利用等响曲线作为参考，从而获得更加符合人耳主观感受的效果。但是，他们的研究对象是有源噪声，这和音乐播放是不同的。总而言之，目前的音量控制技术不适应人耳的主观感受，它会带来音质变差，音色改变等问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，解决了现有技术中存在的问题。 

目前的音量调整忽略了人耳的主观感受。目前的调整实际上是缩放了音频信号的幅度，每个频率上的声压级的变化都是相等的。这不符合人耳的主观感受。所以这就是造成音量与音质成为矛盾的重要原因之一。 

因此，当对声音信号调节增益时，如果根据等响曲线的特性对失真的频率做一些补偿，那么可以使得音质与原始信号的音质一致。 

本发明采用的技术方案是： 

1．一种基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于通过对等响曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益变化量△S，自动地对信号做出补偿，达到还原音质的目的；具体操作步骤如下：

(1) 在控制音量时，产生的增益变化量△S作用在声音文件的时域信号S上，得到了增益后的时域信号S’；将这个时域信号S’进行傅里叶变换，得到频域信号S_f ；

(2) 用数字滤波器对该频域信号S_f进行滤波，将它分为若干段频域信号；

(3) 对等响曲线进行量化分析，得出在不同增益变化量△S的情况下，各个频率段的补偿系数；

(4) 结合补偿系数，得到各段频域信号的补偿信号；

(5) 最后通过补偿信号对时域信号S’完成补偿，得到最终的输出信号S_c。

上述增益变化量△S是一个与原有信号相乘，放大或缩小原有信号的系数。 

上述数字滤波器选用的是FIR带通滤波器。 

上述补偿信号是各段频域信号与各自的补偿系数的乘积。 

上述补偿的实现最终是通过将补偿信号的时域信号与时域信号S’相加完成。 

上述补偿的量是通过对等响曲线的量化分析得出的。其分析步骤如下： 

(1) 一条等响曲线上的每一个点h，都是由频率f和声压级S决定的，可以得到：h = G ( f，S )这样的关系，h代表等响曲线上的某一个点，f代表频率，S代表声压级，G是他们之间的对应关系；

(2) 每一条等响曲线都是以1000Hz纯音的声压级作为标准，即当确定了1000Hz纯音的声压级时，即确定了一条等响曲线h₀，并且在这条曲线上得到一个由频率f_n和声压级S_n一一对应的集合H₀：

H₀ = {(f₀，S₀)，(f₁，S₁)，(f₂，S₂)，(f₃，S₃) ……( ，S )……}

(3) 当调整音量的时候，即作为标准的1000Hz纯音的声压级产生了变化，由S变成了

；此时得到新的等响曲线

，

 =G ( 

 ，

)；在这条新的曲线上，同时得到一组新的对应关系f_n与

，以及一个新的集合：

 = {(f₀，

)，(f₁，

)，(f₂，

)，(f₃，

) ……(

，

 )……}

并且在这条确定的曲线上，可以找到频率f_n所对应的声压级

；因此得到：

= 

所以，集合

可以表示为：

 ={[f₀，

]，[f₁，

]，[f₂，

]……(

，

) ……}

(4) 普通的增益调整会产生一个△S，这个△S使得频率f与声压级S的对应关系变为：(f_n，S_n－△S)；所以，集合H₀就变成了

：

 = {(f₀，S₀－△S)，(f₁，S₁－△S)，(f₂，S₂－△S)，(f₃，S₃－△S) ……}

(5) 在理想状态下，音量调整增益后，与频率f_n对应的声压级S_n应该由S_n变为，而在实际情况中，它变成了(S_n－△S)，它们的偏差△t即为：

△t_n = 

 – (S_n－△S)

并且，只要频带足够窄，那么在这个频段中，各频率偏差之间的误差是可以忽略不计的；因此，

_i 就是各频率段的偏差；

(6) 假设a为补偿系数，即：a = 

-1。

附图说明

图1是基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法的原理框图。 

图2是一段未经处理的粉红噪声的原始信号的时域信号与频域信号图。 

图3是普通音量控制调整后的时域信号与频域信号图。 

图4是进行了音色还原的时域信号与频域信号图。 

具体实施方式

实施例一： 

参见图1，本实施例基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于通过对等响曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益变化量△S，自动地对信号做出补偿，达到还原音质的目的；具体操作步骤如下：

(1) 在控制音量时，产生的增益变化量△S作用在声音文件的时域信号S上，得到了增益后的时域信号S’；将这个时域信号S’进行傅里叶变换，得到频域信号S_f ；

(2) 用数字滤波器对该频域信号S_f进行滤波，将它分为若干段频域信号；

(3) 对等响曲线进行量化分析，得出在不同增益变化量△S的情况下，各个频率段的补偿系数；

(4) 结合补偿系数，得到各段频域信号的补偿信号；

(5) 最后通过补偿信号对时域信号S’完成补偿，得到最终的输出信号S_c。

实施例二： 

本实施例与实施例一基本相同特别之处如下：

所述增益变化量△S是一个与原有信号相乘，放大或缩小原有信号的系数。

所述数字滤波器选用的是FIR带通滤波器。 

所述补偿信号是各段频域信号与各自的补偿系数的乘积。 

所述补偿的实现最终是通过将补偿信号的时域信号与时域信号S’相加完成。 

所述补偿的量是通过对等响曲线的量化分析得出的。其分析步骤如下： 

（1）一条等响曲线上的每一个点h，都是由频率f和声压级S决定的，可以得到：h = G ( f，S )这样的关系，h代表等响曲线上的某一个点，f代表频率，S代表声压级，G是他们之间的对应关系；

（2）每一条等响曲线都是以1000Hz纯音的声压级作为标准，即当确定了1000Hz纯音的声压级时，即确定了一条等响曲线h₀，并且在这条曲线上得到一个由频率f_n和声压级S_n一一对应的集合H₀：

H₀ = {(f₀，S₀)，(f₁，S₁)，(f₂，S₂)，(f₃，S₃) ……(

，S )……}

（3）当调整音量的时候，即作为标准的1000Hz纯音的声压级产生了变化，由S变成了

；此时得到新的等响曲线

，

 =G ( 

 ，

)；在这条新的曲线上，同时得到一组新的对应关系f_n与

，以及一个新的集合

：

 = {(f₀，)，(f₁，)，(f₂，)，(f₃，

) ……(

，

 )……}

并且在这条确定的曲线上，可以找到频率f_n所对应的声压级

；因此得到：

= 

所以，集合

可以表示为：

 ={[f₀，

]，[f₁，

]，[f₂，

]……(

，

) ……}

（4）普通的增益调整会产生一个△S，这个△S使得频率f与声压级S的对应关系变为：(f_n，S_n－△S)；所以，集合H₀就变成了

：

 = {(f₀，S₀－△S)，(f₁，S₁－△S)，(f₂，S₂－△S)，(f₃，S₃－△S) ……}

（5）在理想状态下，音量调整增益后，与频率f_n对应的声压级S_n应该由S_n变为

，而在实际情况中，它变成了(S_n－△S)，它们的偏差△t即为：

△t_n =  – (S_n－△S)

并且，只要频带足够窄，那么在这个频段中，各频率偏差之间的误差是可以忽略不计的；因此，

_i 就是各频率段的偏差；

（6）假设a为补偿系数，即：a = 

-1。

实施例三 

参见图1~图4，本实施例基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，具体操作如下：

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

假设声音的响度从80方调整至60方，那么增益变化量△S就是-20dB，并且得到增益后的时域信号S’。

为了简化处理，以31.5Hz~500 Hz为例，将其分为4段进行补偿 。分别为：31.5Hz~62.5 Hz；62.5Hz~125 Hz；125Hz~250 Hz；250Hz~500 Hz。通过fir数字滤波器对时域信号S’进行滤波，得到这四段频率的频域信号。 

接下来对ISO226中的等响曲线进行取点。将横坐标划分为100格。在原图中，等响曲线的横坐标的范围是由16赫兹至16000赫兹，按对数分布。设新的横轴为X，则原横轴F与X的关系为：f = 

×1000。 

以80方这条等响曲线中的125Hz至250Hz为例，取点的结果为： 

表1  80方等响曲线上的125Hz至250Hz频率与声压级对应关系

声压级(dB)	90	89	88	88	87	87	86	85	85	84	84
												X	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
F(Hz)	125.0	134.0	143.6	153.9	164.9	176.8	189.5	203.1	217.6	233.3	250.0

再以同样的方法取60方这条等响曲线中的125Hz至250Hz，结果为：

表2  60方等响曲线上的125Hz至250Hz频率与声压级对应关系

声压级(dB)	75	74	74	73	72	71	70	70	69	68	67
												X	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
F(Hz)	125.0	134.0	143.6	153.9	164.9	176.8	189.5	203.1	217.6	233.3	250.0

如果音量是从80方衰减至60方，对比两组数据可以得到：

表3  80方与60方的偏差△t

F(Hz)	125.0	134.0	143.6	153.9	164.9	176.8	189.5	203.1	217.6	233.3	250.0
												Sn	90	89	88	88	87	87	86	85	85	84	84
△S	20	20	20	20	20	20	20	20	20	20	20
												Sn－△S	70	69	68	68	67	67	66	65	65	64	64
	75	74	74	73	72	71	70	70	69	68	67
												△tn	5	5	6	5	5	4	4	5	4	4	3

S_n即为80方这条曲线上与F相对应的各个频率点上的声压级。△S为调整的增益变化量，它的值为20dB。（S_n－△S）即是实际中，音量调整增益后各频率所对应的声压级。

是理想的调整后的声压级，△t_n即是他们之间的偏差。

通过分析得到，31.5Hz~62.5 Hz频率段需要补偿8dB，62.5Hz~125 Hz 频率段需要补偿7dB，125Hz~250 Hz频率段需要补偿 5dB，250Hz~500 Hz 频率段需要补偿2dB。 

最后将补偿系数乘上对应频率段的时域信号并且与S’相叠加，完成补偿，得到输出信号S_c。 

Claims (6)

1.基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于通过对等响曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益变化量△S，自动地对信号做出补偿，达到还原音质的目的；具体操作步骤如下：

(1) 在控制音量时，产生的增益变化量△S作用在声音文件的时域信号S上，得到了增益后的时域信号S’；将这个时域信号S’进行傅里叶变换，得到频域信号S_f ；

(2) 用数字滤波器对该频域信号S_f进行滤波，将它分为若干段频域信号；

(3) 对等响曲线进行量化分析，得出在不同增益变化量△S的情况下，各个频率段的补偿系数；

(4) 结合补偿系数，得到各段频域信号的补偿信号；

(5) 最后通过补偿信号对时域信号S’完成补偿，得到最终的输出信号S_c。

2.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于所述增益变化量△S是一个与原有信号相乘，放大或缩小原有信号的系数。

3.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于所述数字滤波器选用的是FIR带通滤波器。

4.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于所述补偿信号是各段频域信号与各自的补偿系数的乘积。

5.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于所述补偿的实现最终是通过将补偿信号的时域信号与时域信号S’相加完成。

6.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于所述补偿的量是通过对等响曲线的量化分析得出的；其分析步骤如下：

(1) 一条等响曲线上的每一个点h，都是由频率f和声压级S决定的，可以得到：h = G ( f，S )这样的关系，h代表等响曲线上的某一个点，f代表频率，S代表声压级，G是他们之间的对应关系；

(2) 每一条等响曲线都是以1000Hz纯音的声压级作为标准，即当确定了1000Hz纯音的声压级时，即确定了一条等响曲线h₀，并且在这条曲线上得到一个由频率f_n和声压级S_n一一对应的集合H₀：

H₀ = {(f₀，S₀)，(f₁，S₁)，(f₂，S₂)，(f₃，S₃) ……( 

，S )……}

(3) 当调整音量的时候，即作为标准的1000Hz纯音的声压级产生了变化，由S变成了

；此时得到新的等响曲线

，

 =G ( 

 ，

)；在这条新的曲线上，同时得到一组新的对应关系f_n与，以及一个新的集合：

 = {(f₀，

)，(f₁，

)，(f₂，

)，(f₃，

) ……(

， )……}

并且在这条确定的曲线上，可以找到频率f_n所对应的声压级

；因此得到：

= 

所以，集合

可以表示为：

 ={[f₀，

]，[f₁，

]，[f₂，

]……(

，

) ……}

(4) 普通的增益调整会产生一个△S，这个△S使得频率f与声压级S的对应关系变为：(f_n，S_n－△S)；所以，集合H₀就变成了

：

 = {(f₀，S₀－△S)，(f₁，S₁－△S)，(f₂，S₂－△S)，(f₃，S₃－△S) ……}

(5) 在理想状态下，音量调整增益后，与频率f_n对应的声压级S_n应该由S_n变为，而在实际情况中，它变成了(S_n－△S)，它们的偏差△t即为：

△t_n = 

 – (S_n－△S)

并且，只要频带足够窄，那么在这个频段中，各频率偏差之间的误差是可以忽略不计的；因此，

_i 就是各频率段的偏差；

(6) 假设a为补偿系数，即：a = 

-1。

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