CN105336320A - 一种弹簧混响模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字音频处理领域，特别涉及一种弹簧混响模型。包括音频输入模块，用于接收原音频信号输入；混响声产生模块，用于将原音频信号进行混响；特殊音效产生模块，用于将原音频信号产生弹簧混响特有的循环往复的颤音效果；音频输出模块，将混响声产生模块的输出信号、特殊音效产生模块的输出信号、原音频信号叠加后经过音频输出模块输出。结构简单，易于实现且回声密度较大，不存在声染色现象，声音自然度较好，可以做为一种优秀的混响模型应用到实际中。

Description

一种弹簧混响模型

技术领域

本发明涉及数字音频处理领域，特别涉及一种弹簧混响模型。

背景技术

混响音效在广播、电视、和音乐作品制作和播放过程中起到了不可或缺的作用。它对美化音乐、歌声、语音的音色，进行艺术的再创作，产生特殊的音响效果起到非常重要的作用。

对于混响音效的研究目前除了几种经典的模型外尚无公开发表的模型。2010年初全球最大的混响效果器硬件制造商Lexicon发布了high-end级别的混响效果器LexiconPCMReverb，该混响效果器集成了该公司35年来所有的优秀混响算法，包括大厅、房间、混响室、演奏厅、板式、经典板式等多种不同的混响效果，各种算法效果各具特色，在保证逼真的混响效果的同时声音的通透感非常好，性能超过了Sony公司旗下Sonnox的OxfordReverb，成为迄今为止效果最为出众的混响效果器。但实现这些音效的模型都是集成在芯片内部的ROM中。无论是国内还是国外，制造商出于商业的目的很少会公开这些音效模型。

弹簧混响是最早发明的机械式混响，它的应用十分广泛，几乎所有带混响的电吉他上都会有这个装置。其包括首级阻抗变换器、弹簧和末级阻抗变换器，其工作原理如下音频输入后，经模拟的阻抗变换器，然后通过2根非常精细的弹簧进行换能，弹簧相当于多个线圈，当有信号通过时会产生能量变换，从而产生微弱的颤动的音频信号，从电子学原理来讲，线圈会产生相位延迟效果，这样可以达到既有延时，又有颤动的音频信号的音频效果，经过延时后的效果信号经过阻抗变换器又输出给放大器，通过运放放大后叠加在原音频信号后产生一种特殊的效果，以满足吉他使用者一种特殊的要求。目前的弹簧混响器存在如下问题：1、由于弹簧的材料以及制作工艺要求很高及2个阻抗变换器，导致弹簧混响器的价格比较昂贵；2、体积很大，不易安装；3、通常弹簧混响器比较靠近喇叭及变压器，因为都是属于电感类器件，容易产生相互干扰，带来交流声与噪音，并且由于信号极小，后级放大增益非常高，容易啸叫和自激。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种弹簧混响模型，此数字弹簧混响模型结构简单，易于实现且回声密度较大，不存在声染色现象，声音自然度较好，可以做为一种优秀的混响模型应用到实际中。

本发明技术方案如下：

一种弹簧混响模型，所述弹簧混响模型包括：音频输入模块，用于接收原音频信号输入；混响声产生模块，用于将原音频信号进行混响；特殊音效产生模块，用于将原音频信号产生弹簧混响特有的循环往复的颤音效果；音频输出模块，将混响声产生模块的输出信号、特殊音效产生模块的输出信号、原音频信号叠加后经过音频输出模块输出。

作为优选的，所述混响声产生模块由六个并联的梳状滤波器级联两个串联的嵌套全通滤波器构成，所述混响声产生模块的系统函数是H(z)＝1/1-gz^-D+c，其中，c为常数，增益g的表达式为g(i)＝10-3×d(i)/f_s×T60)，其中i表示第i个滤波器，d(i)为第i个滤波器的延迟长度，f_s为采样频率，T60为混响时间。

作为优选的，所述特殊音效产生模块由包络检测器以及两个二阶全通滤波器串联构成，所述二阶全通滤波器的系数是，分子＝[c，d×(1+c)，1]，分母＝[1，d×(1+c)，c]，其中d＝cos(2πf_c/f_s)，在区间[-1，1]之间随着截止频率f_c的变化而变化，截止频率f_c从0开始变化，以步长为1增加到3600时再往回递减到0，当二阶全通滤波器被触发时，增益c以步长为2从0增加到17500。

作为优选的，所述六个并联的梳状滤波器延迟时间可以调节，且彼此采用不同的延迟时间。

本发明有益效果在于：1)通过数字信号处理的手段实现弹簧混响音效，与传统的机械式弹簧混响相比，具备结构简单、体积小的优点，且此混响模型回声密度较大，不存在染色现象，声音自然度好；2)所述混响声产生模块由六个并联的梳状滤波器级联两个串联的嵌套全通滤波器构成，其中每个梳状滤波器的延迟时间各不相同，可以产生持续的混响，回声密度大，串联两个嵌套全通滤波器可以消除尾音的“金属”杂声，大大提高了混响效果的自然度；3)所述特殊音效产生模块可以产生弹簧混响特有循环往复的声音效果，模拟了音频信号在弹簧上多次反馈、衰减直到为零的过程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明梳状滤波器的结构示意图。

图3是本发明嵌套全通滤波器的结构示意图。

图4是本发明二阶全通滤波器的结构示意图。

图5是原始钢琴音频时域图。

图6是本发明以原始钢琴信号作为输入的输出音频时域图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

参阅图1。

一种弹簧混响模型，所述弹簧混响模型包括：音频输入模块，用于接收原音频信号输入；混响声产生模块，用于将原音频信号进行混响；特殊音效产生模块，用于将原音频信号产生弹簧混响特有的循环往复的颤音效果；音频输出模块，将混响声产生模块的输出信号、特殊音效产生模块的输出信号、原音频信号叠加后经过音频输出模块输出。

参阅图1至图3

所述混响声产生模块由六个并联的梳状滤波器级联两个串联的嵌套全通滤波器构成，可以实现普通的混响效果，单个梳状滤波器频谱呈梳状，回声密度比较低，将六个延迟时间不等的梳状滤波器并联，可以产生持续的混响效果，由于嵌套全通滤波器是一个常数，因此串联两个嵌套全通滤波器依然是常数，因此，混响声产生模块的系统函数是H(z)＝1/1-gz^-D+c，其中，c为常数，增益g的表达式为g(i)＝10-3×d(i)/f_s×T60)，其中i表示第i个滤波器，d(i)为第i个滤波器的延迟长度，f_s为采样频率，T60为混响时间。

采用嵌套形式的优点表现在它的时域脉冲响应上。由于嵌套滤波器中的内部全通滤波器生成的回声可以通过外部滤波器的反馈环路重新作为输入信号，因此其生成的回声数目远多于标准的全通滤波器，即信号的混响声时间更长，听音效果更为饱满和自然，并且回声之间的间隔不像全通滤波器那样是固定的，即反射声波到达人耳的时间间隔是逐渐减小的，密度是逐渐增加的，这样更接近于实际的混响情况。另一方面，由于我们用的是全通滤波器，所以无论怎么嵌套或者级联，系统的响应始终是全通的。但是嵌套全通滤波器数目并不是越多就越好，嵌套的全通滤波器增加了系统处理音频的速度对系统的硬件资源要求会更高，为了能够实现系统实时处理的效果发现串联的嵌套全通滤波器的个数为两个最为适合。

参阅图4。

所述特殊音效产生模块由包络检测器以及两个二阶全通滤波器串联构成，所述二阶全通滤波器的系数是，分子＝[c，d×(1+c)，1]，分母＝[1，d×(1+c)，c]，其中d＝cos(2πf_c/f_s)，在区间[-1，1]之间随着截止频率f_c的变化而变化，截止频率f_c从0开始变化，以步长为1增加到3600时再往回递减到0，当二阶全通滤波器被触发时，增益c以步长为2从0增加到17500。

所述特殊音效产生模块可以产生弹簧混响特有的颤音效果，该部分电路模拟了音频信号在弹簧上多次反馈、衰减直到为零的过程。下面详细介绍特殊音效产生模块的工作过程。首先用一个包络检测对输入信号进行处理，然后判断处理后的信号是否大于某个阈值，如果大于，则两个二阶全通的中心频率f_c值从0开始变化，增加到3600时再往回递减到0，由此计算出的二阶全通各参数值均跟着变化。这个过程全通滤波器周而复始的改变输入信号的相位，便产生了“piu”的一声。在此期间，不再对输入的信号进行阈值判断，直到这个完整的“piu”声结束为止。在其他情况下也就是小于阈值的情况下，中心频率f_c值始终保持0值不变。为了避免产生处理后的音频带有不自然的金属声，在包络检测器后继续级联两个二阶的全通滤波器。

图5为原始钢琴信号的音频时域图，图6为本发明以原始钢琴信号作为输入的输出音频时域图。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，本文所定义一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种弹簧混响模型，其特征在于，所述弹簧混响模型包括：音频输入模块，用于接收原音频信号输入；混响声产生模块，用于将原音频信号进行混响；特殊音效产生模块，用于将原音频信号产生弹簧混响特有的循环往复的颤音效果；音频输出模块，将混响声产生模块的输出信号、特殊音效产生模块的输出信号、原音频信号叠加后经过音频输出模块输出。

2.根据权利要求1所述的一种弹簧混响模型，其特征在于：所述混响声产生模块由六个并联的梳状滤波器级联两个串联的嵌套全通滤波器构成，所述混响声产生模块的系统函数是H(z)＝1/1-gz^-D+c，其中，c为常数，增益g的表达式为g(i)＝10-3×d(i)/f_s×T60)，其中i表示第i个滤波器，d(i)为第i个滤波器的延迟长度，f_s为采样频率，T60为混响时间。

3.根据权利要求2所述的一种弹簧混响模型，其特征在于：所述特殊音效产生模块由包络检测器以及两个二阶全通滤波器串联构成，所述二阶全通滤波器的系数是，分子＝[c，d×(1+c)，1]，分母＝[1，d×(1+c)，c]，其中d＝cos(2πf_c/f_s)，在区间[-1，1]之间随着截止频率f_c的变化而变化，截止频率f_c从0开始变化，以步长为1增加到3600时再往回递减到0，当二阶全通滤波器被触发时，增益c以步长为2从0增加到17500。

4.根据权利要求3所述的一种弹簧混响模型，其特征在于：所述六个并联的梳状滤波器延迟时间可以调节，且彼此采用不同的延迟时间。