CN106559722A - 基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法，包括：根据人耳的听觉特性决定均衡滤波器的更新步长；其中，在人耳比较敏感的低频部分，均衡滤波器的更新步长取值较小；在高频部分，均衡滤波器的更新步长较大；测定音频重放系统的频率响应传递函数P(z)；计算均衡滤波器的传递函数H(z)；将均衡滤波器的传递函数H(z)应用于音频重放系统。
Description
技术领域
本发明涉及音频播放领域，特别涉及一种基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法。
背景技术
由于音频重放系统组件品质等因素的影响，音频重放系统的幅频响应往往难以保证平坦，从而严重影响了重放音频的听觉感知效果。运用数字信号处理技术，对音频重放系统进行补偿和优化，不仅可以弥补重放系统各个组成部件的不足，并且可以提升低成本扬声器系统的性能，改善聆听感受，获得更加真实的音频重放效果。
二十世纪八十年代中期，在参考文献1“Clarkson P M,Mourjopoulos J,HammondJ K.Spectral,phase,and transient equalization for audio systems.Journal of the AudioEngineering Society,1985,33(3):127-132”中，Clarkson等人提出了采用数字滤波器改善扬声器性能的方法，并且采用了FIR滤波器均衡技术。FIR滤波器具有容易设计、稳定和线性相位等优点，但是为了达到较好的均衡效果，FIR滤波器的阶数往往较高。在参考文献2“Greenfield R,Hawksford M J.Efficient filter design for loudspeakerequalization.Journal of the Audio Engineering Society,1991,39(10):739-751”中，RGreenfild相继提出了IIR结构的均衡滤波器，指出IIR滤波器的阶数比FIR滤波器的阶数要少，但是IIR滤波器不具有线性相位，并且需要考虑系统的稳定性。由于人耳对低频段声音的分辨率更高，因此需要重点对低频段进行均衡。在参考文献3“Karjalainen M,E,A,et al.Comparison of loudspeaker equalizationmethods based on DSP techniques.Journal of the Audio Engineering Society,1999,47(1/2):14-31”、参考文献4“Karjalainen M,E,A,et al.LoudspeakerResponse Equalisation Using Warped Digital Filters，in Proc.NorSig-96.1996:367-370”、参考文献5“A,Karjalainen M,Savioja L,et al.Frequency-warped signalprocessing for audio applications.Journal of the Audio Engineering Society,2000,48(11):1011-1031”中，M.Karjalainen等人提出了弯折频率滤波器方法，将线性频率转换成弯折频率域，在弯折频率域进行滤波器设计，可以着重优化低频段的频率响应，以更加接近人耳的听觉效应。但是在弯折滤波均衡方法中只有一个弯折系数可以控制频率的非线性分辨率，弯折效果不灵活，Kautz滤波均衡器应运而生，参见参考文献6“Karjalainen M,Paatero T.Equalization of loudspeaker and room responses usingKautz filters:Direct least squares design.EURASIP Journal on Applied Signal Processing,2007,2007(1):185-185”和参考文献7“Paatero T,Karjalainen M,A.Modelingand equalization of audio systems using Kautz filters,In Proc.ICASSP,2001,5:3313-3316”。Kautz滤波器是弯折滤波器的延伸，它可以实现更复杂的频率分辨率映射，缺点是求取理想极点与均衡滤波器系数过于复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的用于改善扬声器性能的滤波器的缺陷，从而提供一种基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法，包括：
步骤1)、根据人耳的听觉特性决定均衡滤波器的更新步长；其中，
在人耳比较敏感的低频部分，均衡滤波器的更新步长取值较小；在高频部分，均衡滤波器的更新步长较大；
步骤2)、测定音频重放系统的频率响应传递函数P(z)；
步骤3)、计算均衡滤波器的传递函数H(z)；其中，均衡滤波器的传递函数H(z)通过一迭代计算的过程得到，所述迭代计算的计算公式为：
其中，m表示迭代次数；期望信号D(z)是幅度为1、纯延迟函数；传递函数H(z)的初始值设为1；μ表示均衡滤波器的更新步长；
迭代计算的终止条件为：
输出信号和输入信号的最小均方误差到达一个预设的值；其中所述输入信号经过滤波器H(z)和音频重放系统的传递函数P(z)后，得到输出信号；
或，达到一个固定的迭代次数；
步骤4)、将步骤3)所设定的均衡滤波器的传递函数H(z)应用于音频重放系统。
上述技术方案中，在所述步骤1)中，在决定均衡滤波器的更新步长前，首先根据人耳听觉特性，确定用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标；然后根据这一指标决定均衡滤波器的更新步长；其中，所述用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标为听觉滤波器。
上述技术方案中，所述用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标为听觉临界频带的带宽BW；其中，在声音的低频部分，带宽小，均衡滤波器的更新步长取值较小；在声音的高频部分，带宽大，均衡滤波器的更新步长较大。
上述技术方案中，假设均衡滤波器更新步长用μ表示，则更新步长μ与听觉临界频带带宽BW之间的关系式为：μ＝BW。
本发明的优点在于：
本发明的方法将人耳听觉特性相关加权函数应用于LMS算法的更新步长，实现人耳对敏感的低频段采用较小的步长，而不太敏感的高频段采用较大步长，通过利用不同取值的更新步长来获得考虑人耳听觉特性的音频重放系统的均衡滤波器系数，进而提升音频重放系统的听觉效果。
附图说明
图1是本发明的音频重放系统均衡方法的流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
参考图1，本发明的音频重放系统均衡方法包括以下步骤：
步骤1)、根据人耳的听觉特性决定均衡滤波器的更新步长。
均衡滤波器的更新步长应当与人耳的听觉分辨率成正比关系，基于人耳的听觉特性，在人耳比较敏感的低频部分，均衡滤波器的更新步长取值较小从而能够更加精细地描述低频的信号变化及其在听觉上的反应；在高频部分，均衡滤波器的更新步长较大，从而在较大尺度的反应信号高频成分在听觉上的反应。
作为一种可选的实现方式，在决定均衡滤波器的更新步长前，可首先根据人耳听觉特性，确定用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标；然后根据这一指标决定均衡滤波器的更新步长。其中，所述用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标可以是所有的听觉滤波器，如临界频带、Gammatone滤波器频带、ERB滤波器频带、梅尔刻度等。在一个实施例中，可采用听觉临界频带的带宽BW来描述人耳对声音的分辨能力，如在声音的低频部分，带宽小，均衡滤波器的更新步长取值较小；在声音的高频部分，带宽大，均衡滤波器的更新步长较大。假设均衡滤波器H(z)的更新步长用μ表示，则更新步长μ与听觉临界频带带宽BW之间的关系式为：μ＝BW。
步骤2)、测定音频重放系统的频率响应传递函数P(z)。
所述音频重放系统的频率响应传递函数P(z)可采用外部设备测量得到，此处不再对其测量过程做详细说明。
步骤3)、计算均衡滤波器的传递函数H(z)；其中，均衡滤波器的传递函数H(z)可通过一迭代计算的过程得到，其计算公式为：
其中，m表示迭代次数；期望信号D(z)是幅度为1、纯延迟函数；传递函数H(z)的初始值可以设为1。
上述迭代计算的终止条件为：
输出信号和输入信号的最小均方误差到达一个预设的值；其中所述输入信号经过滤波器H(z)和音频重放系统的传递函数P(z)后，得到输出信号；
或，达到一个固定的迭代次数。
步骤4)、将步骤3)所设定的均衡滤波器的传递函数H(z)应用于音频重放系统，从而实现对音频重放系统的非平坦传递函数的补偿，提高重放音频的听觉质量。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法，包括：
步骤1)、根据人耳的听觉特性决定均衡滤波器的更新步长；其中，
在人耳比较敏感的低频部分，均衡滤波器的更新步长取值较小；在高频部分，均衡滤波器的更新步长较大；
步骤2)、测定音频重放系统的频率响应传递函数P(z)；
步骤3)、计算均衡滤波器的传递函数H(z)；其中，均衡滤波器的传递函数H(z)通过一迭代计算的过程得到，所述迭代计算的计算公式为：
其中，m表示迭代次数；期望信号D(z)是幅度为1、纯延迟函数；传递函数H(z)的初始值设为1；μ表示均衡滤波器的更新步长；
迭代计算的终止条件为：
输出信号和输入信号的最小均方误差到达一个预设的值；其中所述输入信号经过滤波器H(z)和音频重放系统的传递函数P(z)后，得到输出信号；
或，达到一个固定的迭代次数；
步骤4)、将步骤3)所设定的均衡滤波器的传递函数H(z)应用于音频重放系统。
2.根据权利要求1所述的基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法，其特征在于，在所述步骤1)中，在决定均衡滤波器的更新步长前，首先根据人耳听觉特性，确定用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标；然后根据这一指标决定均衡滤波器的更新步长；其中，所述用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标为听觉滤波器。
3.根据权利要求2所述的基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法，其特征在于，所述用于描述人耳对不同频率听觉分辨率的指标为听觉临界频带的带宽BW；其中，在声音的低频部分，带宽小，均衡滤波器的更新步长取值较小；在声音的高频部分，带宽大，均衡滤波器的更新步长较大。
4.根据权利要求3所述的基于人耳听觉特性的音频重放系统均衡方法，其特征在于，假设均衡滤波器更新步长用μ表示，则更新步长μ与听觉临界频带带宽BW之间的关系式为：μ＝BW。
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| CN108986837A (zh) * | 2018-09-05 | 2018-12-11 | 科大讯飞股份有限公司 | 一种滤波器更新方法及装置 |
| CN112492446A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-03-12 | 北京声加科技有限公司 | 利用入耳式耳机实现信号均衡的方法及处理器 |
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| CN1606235A (zh) * | 2004-11-16 | 2005-04-13 | 四川大学 | He－Ne激光器拍波噪声滤除装置及其噪声滤除方法 |
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