CN108305635B - 用于使音频信号的频率失真的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使音频信号的频率失真的方法，其中，将音频信号在至少一个分频处分为低频分量和高频分量，其中，通过针对高频分量以及针对低频分量分别使频率不同地失真来产生频率失真的信号，以及其中，选择分频，使得其处于预先给定的音调系统的两个相邻的音调之间。

Description

用于使音频信号的频率失真的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使音频信号的频率失真的方法，其中，选择至少一个分频，其中，将音频信号在该至少一个分频处分为低频分量和高频分量，以及其中，通过针对高频分量并且针对低频分量分别使频率不同地失真来产生输出信号。
背景技术
对于在最广泛的意义上用来以电放大的方式再现环境的声音信号的声学系统、也即例如听力设备的运行，对声学反馈的控制经常起重要的作用。在此，当由声学系统产生的输出声音信号部分地耦合到被设置用于接收环境的声音信号并且对应地产生电输入信号的声学系统的输入转换器中时，可能发生声学反馈。输出声音信号的信号分量在这种情况下可能重新被声学系统电放大，从而由此在输出声音信号中形成干扰噪声，其可能与环境的声音信号中的可能的有用信号完全重叠，以至于不能听到有用信号。因此，可以在声学系统的电信号路径中对声学反馈提供抑制或补偿。这种补偿在此经常借助自适应滤波器进行，作为输入参量向自适应滤波器馈送用来产生输出声音信号的经过放大的输出信号，由此产生补偿信号，向尚未经过放大的输入信号馈送补偿信号，以对反馈进行补偿。对自适应滤波器的控制在此通常经由误差信号进行，误差信号由输入信号和补偿信号的差形成。
此时，如果要由声学系统电放大的环境的声音信号由具有固定的频率的纯正弦音调构成，则自适应滤波器根据经过放大的输出信号产生的补偿信号也是频率与环境的声音信号相同的正弦信号，由此与输入信号相同。由此，在相位正确的减法的情况下，原来被设置用于抑制声学反馈的补偿信号将输入信号完全抵消。这种考虑表明，一般对于具有高比例的音调信号的声音信号，由于自适应滤波器信号可能在输出信号中产生抵消或者伪音(Artefakt)，其优选应当避免。
为此，经常使声学系统中的经过放大的输出信号的频率失真，由此使输出信号与输入信号解相关(dekorrelieren)，从而在很大程度上能够避免所描述的信号抵消的发生。在此，根据环境的声音信号的类型，通常仅将频率失真应用于经过放大的信号的特定频率范围，为此将经过放大的信号在给定的分频处滤波为要失真的信号分量和不失真的信号分量。由于为此使用的滤波器的边缘陡度有限，可能在输出信号中在分频的范围内产生频率失真的信号分量与频率不失真的信号分量的重叠，其在声学系统产生的输出声音信号中可能是不希望的或者感觉到不舒适。尤其对于具有高音调比例的声音信号，也就是正好在为了在不产生伪音的情况下有效地抑制声学反馈优选要使用频率失真的情况下，这种重叠特别地可能对输出声音信号的听觉体验有负面影响，特别是当声音信号的音调成分中的一个与分频同时出现时。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于使音频信号的频率失真的方法，其使由于频率失真的信号分量与频率不失真的信号分量的重叠产生的不舒适的效果尽可能最小。
根据本发明，上述技术问题通过用于使音频信号的频率失真的方法来解决，其中，将音频信号在至少一个分频处分为低频分量和高频分量，其中，通过针对高频分量并且针对低频分量分别使频率不同地失真来产生频率失真的信号，以及其中，选择分频，使得其处于预先给定的音调系统的两个相邻的音调之间。部分本身视为具有创造性的有利构造是下面的描述的主题。
在此特别地，仅使高频分量的频率失真，而在此不改变低频分量的频率，或者仅使低频分量的频率失真，而在此不改变高频分量的频率。于是，在这两种情况下，获得的频率失真的信号不仅包括频率失真的信号分量，而且包括频率不失真的信号分量。此外，优选选择分频，使得其分别与预先给定的音调系统的两个相邻的音调的频率，保持预先给定的、以绝对值或者按照频率比定义的最小距离。作为频率失真，特别是包括频率偏移，其中，偏移的值可能与音频信号的相应的频率有关，或者在应用偏移的各个频率上保持恒定。
对于在不同的频率失真的范围之间的分频处对频率失真的音频信号的进一步处理、在此特别是对于已经经过处理的输出信号的听觉体验可能产生的问题，在很大程度上与要使其频率失真的音频信号中的音调成分的比例有关。由于用于在分频处划分信号分量的滤波器的边缘陡度有限并且由此得到的、要应用相应地不同的频率失真的信号分量的重叠有限，与分频同时出现或处于所描述的重叠范围内的清楚地定义的音调成分的频率失真，可能导致在输出信号中能听到的不同地频率失真的信号分量的重叠，其最终还是源于相同的音调成分。
在频率失真的常见应用中，将音频信号的各个频率通过失真仅改变相对于相应的输出频率相对小的量值，以便根据频率失真的音频信号产生的输出信号仍然能够实现原始音频信号的声学信息的尽可能忠于原状的听觉体验。此时，这在上面描述的相同的音调成分的不同地频率失真的信号分量的重叠的情况下，导致以相对小的频率间隔重叠，这在纯频率偏移的情况下导致作为具有波动的幅值的振动的频率失真，此外在不是没有价值(nicht-trivial)的频率相关的失真的情况下可能表现为哒哒响或叮当响的干扰噪声。
现在，通过本发明，以有利的方式利用如下情况：音调成分、即信号能量的浓度的局部谱最大值，经常不是随机地出现。虽然例如所说的语音的音调成分通常本身具有较短的持续时间，此外不一定具有稳定重复的频率模式，但是具有本身稳定的频率的重复的音调成分通常与音乐的声音相关联。音乐在此通常以如下特点突出：大多数声音事件通过与其它声音源、例如语音相比具有静止
Figure BDA0001543691200000032
或者准静止的行为的音调声音信号给出，其中，音调的频率可以根据清楚地定义的频率模式从作为音乐的基础的音调系统中看到。在知道音乐常见的音调系统的情况下，为了在音乐的音调声音信号中避免所提及的问题，现在可以选择分频，使得其处于预先给定的音调系统中的相邻的两个频率之间，并且在此优选与相关频率充分地间隔开，使得分频处的重叠对与音调系统中的音调对应的各个音调成分的随后的频率失真没有影响。
对于分频与音调系统中的两个相邻的频率的距离的确定，优选例如通过在调音(Stimmung)时系统地偏移音调系统，来使用要用于划分音频信号的滤波器的边缘陡度和/或音调系统的音调成分的预期的谱宽度和/或音调系统的具体实现与准确的频率的预期的可能的偏差。
有利的是，通过从预先给定的参考音调出发以分别相等的频率比
Figure BDA0001543691200000031
将一个八度音划分为十二个音阶来给定音调系统。这对应于八度音的同级的调音。基于作为“相同的音调”或者至少“相同的类型”的一个八度音、即频率比为2:1的两个音调的心理声学感觉，由此针对整个能听到的频谱给定音调系统。在此，优选选择440Hz处的标准音a1作为参考音调，然而具有其它参考音调的同级的调音、因此例如确定a1＝430.539Hz(这对应于关于256Hz的c1的选择)也是可以的。特别是在分频相对于音调系统的音调的频率要保持最小距离(以绝对值或者按照频率比定义)时，可以考虑替换的参考音调(例如a1＝442Hz)的可能性。此外，该要保持的最小距离也可以依据通过使用纯或者纯五度(quintenrein)(所谓的“毕达哥拉斯(pythagoreisch)”)间隔得到的、与音调系统的准确频率的偏差来确定。特别是在管弦乐中以及在爵士中使用、因此对于这些音乐的声音图像的特色有显著贡献的各种乐器、例如铜管乐器，在特定基础音调上产生由例如包括纯四度音或者纯三度音的纯间隔构成的音调序列。其它乐器、特别是弦乐器、例如形成管弦乐的声音的弦乐器或者形成现代摇滚音乐的声音的吉他按照五度音序列来调音。不仅关于基础音调按照五度音序列进行调音、而且在基础音调上使用纯间隔都导致与同级的频率比的偏差。
因此，优选在以频率比
Figure BDA0001543691200000041
将八度音划分为十二个相等的半音阶的同级音调系统的范围内，在各个音调之间分别预先给定频率通道，可以从该频率通道中选择分频，其中，该频率通道考虑有偏差的调音，例如参考音调a1＝442Hz的选择以及特定乐器的纯和纯五度声调的结果。
有利的是，仅将高频分量的频率或者仅将低频分量的频率偏移恒定的量值，以使其失真。在分频处仅两个频率分量中的一个的这种频率偏移一方面能够特别简单地实现，另一方面其结果是，尤其是由于两个频率分量中的一个的再现不变，由频率失真的信号导出的输出信号的听觉体验除了在分频处可能的问题之外特别接近频率不失真的信号。所提出的方法现在对消除这些问题并且也在分频附近清除频率失真对听觉体验的能听到的影响作出贡献。
进一步被证明有利的是，从频率间隔中选择分频，该频率间隔以频率间隔的最低频率和最高频率等距或者对数等距地处于音调系统的两个相邻的音调的频率之间的方式，处于两个相邻的音调的频率之间。两个相邻的音调的频率之间的频率间隔的最低频率和最高频率的等距在此应当理解为，所提及的4个频率中的每两个相邻的频率，即音调系统的两个相邻的音调和频率间隔的两个边界，彼此形成相等的距离。对数等距相应地应当理解为，所提及的4个频率中的每两个相邻的频率的对数彼此形成相等的距离，由此每两个相邻的频率具有相同的频率比。分频的这种选择提供充分考虑音调系统的特别是偏离理论上的理想的实际实现的频率通道。
在此有利的是，在两个相邻的音调的频率的几何平均值处选择分频。由此，分频与两个相邻的音调的频率的频率比(在上升的方向上)相等，由此音调系统中的距离也相等，这使分频处的频率失真的信号的行为相对于音调系统的不理想的实现、例如失调特别鲁棒。
在一个有利构造中，确定音频信号的频率特性，其中，选择分频，使得音频信号在分频处具有尽可能低的信号能量。用于信号能量的一个可能的标准于是例如可以是信号能量的局部最小值，或者可以被定义为关于信号能量的总最大值的衰减，因此例如被定义为整个可听谱上的信号能量的最大值的10％的上限。关于信号能量，例如可以确定一个范围，可以以有利的方式从该范围中选择分频，其中，选择与以前面描述的方式由音调系统预先给定的附加边界条件相关联。
进一步被证明有利的是，确定音频信号的调性
Figure BDA0001543691200000051
的值，并且仅当调性的值超过预先给定的边界值时，选择分频，使得其处于预先给定的音调系统的两个相邻的音调之间。这种方法使得对于没有值得注意的音调信号分量的音频信号，音调系统能够直接在没有其它限制的情况下像其需要的上级的预给定参数(例如声学系统中的对反馈的最佳抑制)一样预先给定分频。作为调性的值，在此特别是可以使用在心理声学(Psychoakustik)中常见的定义，和/或考虑音频信号的稳定性(例如根据时间平均值)。
本发明还涉及一种用于抑制声学系统中的声学反馈的方法，其中，声学系统的输入转换器根据环境的声音信号产生输入信号，其中，根据输入信号通过信号处理产生中间信号，其中，根据频率失真的信号产生输出信号，声学系统的输出转换器将输出信号转换为输出声音信号，其中，根据频率失真的信号抑制声学系统中的由于输出声音信号耦合到输入转换器中而出现的声学反馈，以及其中，将前面描述的用于频率失真的方法应用于中间信号，由此产生频率失真的信号。优选对声学反馈的抑制经由声学系统中的基于信号的反馈环进行，反馈环作为输入参量还接收频率失真的信号，并且作为输出参量输出针对输入信号的补偿信号。作为声学系统，在此特别地包括根据演播室和/或舞台技术对声音信号进行记录、放大和再现的系统以及听力设备。
输入转换器通常包括被构造为将环境的声音信号转换为对应的电或电磁信号的声电转换器，即例如麦克风。输出转换器通常包括被构造为根据电和/或电磁信号产生输出声音信号的电声转换器，即例如扬声器或者用于进行骨传导的声音发生器。信号处理在此特别地应当理解为对输入信号或者从输入信号导出的信号的处理，即特别是与频带相关的放大和/或噪声抑制。
根据输入信号产生中间信号在此特别地应当理解为，信号处理作为输入参量直接接收输入信号并且根据其产生中间信号，或者信号处理接收与输入信号直接相关的信号并且根据其产生中间信号，即例如被校正用于以补偿信号补偿声学反馈的输入信号。
针对用于使音频信号的频率失真的方法和其扩展方案给出的优点在此可以类似地转用于用于抑制声学系统中的声学反馈的方法。
在此进一步被证明有利的是，选择临时分频，其中，针对临时分频的范围内的高频分量估计声学系统的传递函数，其中，在所估计的传递函数超过允许的总增益时，在临时分频以下选择至少一个分频，其中，通过仅使高频分量的频率失真来产生频率失真的信号，以及其中，选择临时分频，使得其处于预先给定的音调系统的两个相邻的音调之间。在此特别地，对于为了抑制声学反馈而与输入信号相加的补偿信号，仅使用频率失真的信号的高频分量，从而仅在高频分量的范围内进行声学反馈的抑制。由此，仅有限的频率范围暴露于由于对反馈的抑制而产生的可能的声音损害中，该频率范围根据由音调系统得到的条件来确定，以便在过渡到该范围时尽可能避免对声音质量的损害。
本发明还涉及一种听力设备，包括：输入转换器，用于根据环境的声音信号产生输入信号；信号处理单元，用于根据输入信号产生音频信号；以及频率失真器，其被构造为执行前面描述的用于使音频信号的频率失真的方法。针对方法以及针对其扩展方案给出的优点在此可以类似地转用于听力设备。特别是，信号处理单元和频率失真器分别是共同的控制单元的一部分；在这种情况下，音频信号是控制单元中的中间信号。
附图说明
下面，根据附图详细说明本发明的实施例。在此分别：
图1以框图示意性地示出了用于抑制听力设备中的声学反馈的方法，
图2以框图示意性地示出了用于使音频信号的频率失真的方法，以及
图3以曲线图示意性地示出了被构造用于在分频处将音频信号划分为低频分量和高频分量的滤波器的频率特性，以及
图4以曲线图示意性地示出了根据图3的滤波器的频率特性，其中，在两个音调信号成分之间选择分频。
在所有附图中相应地对彼此对应的部分和参量设置相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示意性地以框图示出了用于抑制声学系统中的声学反馈的方法1。声学系统在此由听力设备2给出。听力设备2包括输入转换器4，其根据环境的声音信号6产生输入信号8，并且在当前情况下由麦克风给出。从输入信号8中减去补偿信号10，其以将要描述的方式在电反馈环12中产生。将由输入信号8和补偿信号10产生的误差信号14馈送到信号处理16，在信号处理16中进行针对听力设备2的用户特定的信号处理过程，即特别是对误差信号14的与频带相关的放大。信号处理16此时输出放大的音频信号18，对其应用频率失真20。一方面，由频率失真20产生的输出信号22通过输出转换器24转换为输出控制信号26。输出转换器24在当前情况下由扬声器给出。
另一方面，输出信号22分流到电反馈环12中，并且在那里被馈送到自适应滤波器28，自适应滤波器28作为其它输入参量还接收误差信号14，由此产生用于抑制声学反馈g的补偿信号10。在此，通过频率失真20将输出信号22与输入信号8、由此也与误差信号14解相关，从而通过将误差信号14重新输入到自适应场28中，后者不完全适应于输出信号22的音调信号分量。由此能够避免在输出信号22中、由此在输出声音信号26中形成伪音。通过补偿信号10对声学反馈g的抑制在此特别地可以被局限于特定频率范围，也就是说，补偿信号10在这种情况下仅对于所述频带具有值得注意的信号分量。
在图2中以框图示意性地示出了用于使音频信号的频率失真20的方法。音频信号在此由根据图1的听力设备2中的放大的音频信号18给出。在第一步骤S1中，首先根据为了能够有效地在没有伪音的情况下抑制声学反馈g而例如可以给定的听力设备2中的要求，预先给定频率f0作为可能的分频。在步骤S2中，现在以产生临时分频tf0的方式将可能的分频f0嵌入音调系统T。在此，例如可以作为音调系统T的相邻的音调的、可能的分频f0处于其之间的两个频率的几何平均值，产生临时分频tf0。在接下来的步骤S3中，现在检查临时分频tf0对于频率失真20的适合性。这例如可以通过在临时分频tf0的范围内估计听力设备2的传输函数和/或由听力设备2和声学反馈g构成的封闭环的总增益来进行。然后，在需要时在不适合时可以将临时分频tf0放置在音调系统T的另外两个相邻的音调之间，从而在步骤S3中重新进行检查。
如果检查S3(在需要时在迭代之后)得到临时分频tf0适合用于抑制声学反馈G，则将临时分频tf0作为分频tf输出，并且在步骤S4中将音频信号18在分频tf处分解为高频分量HF和低频分量NF。在步骤S5中，现在将高频分量HF的频率偏移恒定的量值，同时低频分量NF保持不变。现在，由此得到频率偏移的信号21，其在听力设备中形成输出信号22。可选地，可以在步骤ST中确定音频信号18中的调性，并且执行步骤S2和S3，即依据在步骤ST中确定的音频信号18的调性调整音调系统T的两个相邻的音调之间的分频tf。
在图3中以曲线图关于频率f示出了根据图2将音频信号18在分频tf处划分为高频分量HF和低频分量NF的滤波器的频率特性。在当前情况下，在音调dis3＝大约1245Hz处选择分频tf。由于边缘30的陡度有限，产生了低频分量NF与高频分量HF的有限的重叠，其中，高频分量HF在紧挨在分频tf之下的区域32中的衰减以及低频分量NF在紧挨在分频tf之上的区域34中的衰减大约为3dB，其中，在分频处滤波器以相等的强度输出低频分量NF和高频分量HF。通过滤波器的更强的衰减经常由于由此产生的较大的延迟时间而是不希望或者不可行的。由此，这意味着，音频信号中的几乎准确地处于分频上的音调dis3在随后将高频分量HF的频率偏移例如11Hz时，一方面以其正确的音高进入输出信号，另一方面通过高频分量的几乎相同的仅3dB的衰减也作为1256Hz处的偏移了11Hz的音调。由此在输出信号中产生振动，其结果尤其还是幅值包络的强的振荡。对所产生的音调的音量的感知同样遭受这种振荡，音调开始“哒哒响”。
在图4中以曲线图示出了根据图3的滤波器的频率特性，然而其中，现在分频tf正好选择在音调d3(大约1175Hz)和dis3(大约1245Hz)的频率之间的几何平均值处，即在tf＝1209Hz处。分频的这种选择正好对应于与d3和dis3的四分音距离。现在，如果随后将高频分量的频率例如重新偏移11Hz，则在这种情况下在音频信号18中的音调dis3处，低频分量NF在分频tf处的区域34中不再以与高频分量HF相等的强度输出，而是相对于其衰减了大约3dB。其结果是，音频信号18中的音调dis3的信号成分现在在高频分量HF中比在低频分量NF中强3dB，由此在输出信号中主要作为偏移了11Hz的音调被感知到，而能够感知到音调dis3的低频分量NF明显更小。由此能够显著减小在根据图3进行滤波时出现的振动。所描述的分频的选择不局限于这里提及的音调d3和dis3，而可以以类似的方式对于任意的半音阶、即十二音系统中的两个相邻的音调执行。
虽然通过优选实施例进一步详细示出并且描述了本发明，但是本发明不受该实施例限制。本领域技术人员由此可以得到其它变形，而不脱离本发明的保护范围。
附图标记列表
1 方法
2 听力设备
4 输入转换器
6 声音信号
8 输入信号
10 补偿信号
12 电反馈环
14 误差信号
16 信号处理
18 放大的音频信号
20 频率失真
21 频率失真的信号
22 输出信号
24 输出转换器
26 输出声音信号
28 自适应滤波器
30 边缘
32 分频之下的区域
34 分频之上的区域
d3 音调
dis3 音调
f 频率
f0 可能的分频
g 声学反馈
HF 高频分量
NF 低频分量
S1 方法步骤
S2 方法步骤
S3 方法步骤
S4 方法步骤
S5 方法步骤
ST 方法步骤/确定调性
T 音调系统
tf0 临时分频
tf 分频

Claims (9)

1.一种用于使音频信号的频率失真的方法，
其中，将音频信号在至少一个分频处分为低频分量和高频分量，
其中，通过针对高频分量以及针对低频分量分别使频率不同地失真来产生频率失真的信号，以及
其中，依据预先给定的音调系统来选择分频，使得其处于所述预先给定的音调系统的两个相邻的音调之间，
其中，通过从预先给定的参考音调出发以分别相等的频率比
Figure FDA0003665282790000011
将一个八度音划分为十二个音阶来给定音调系统。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，仅将高频分量的频率或者仅将低频分量的频率偏移恒定的量值，以使其失真。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中，从频率间隔中选择分频，所述频率间隔以频率间隔的最低频率和最高频率等距或者对数等距地处于音调系统的两个相邻的音调的频率之间的方式，处于两个相邻的音调的频率之间。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，在两个相邻的音调的频率的几何平均值处选择分频。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其中，确定音频信号的频率特性，以及
其中，选择分频，使得音频信号在分频处具有尽可能低的信号能量。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其中，确定音频信号的调性的值，以及
其中，仅当调性的值超过预先给定的边界值时，选择分频，使得其处于预先给定的音调系统的两个相邻的音调之间。
7.一种用于抑制声学系统中的声学反馈的方法，
其中，声学系统的输入转换器根据环境的声音信号产生输入信号，
其中，根据输入信号通过信号处理产生中间信号，
其中，根据频率失真的信号产生输出信号，声学系统的输出转换器将输出信号转换为输出声音信号，
其中，根据频率失真的信号抑制声学系统中的由于输出声音信号耦合到输入转换器中而出现的声学反馈，以及
其中，将根据前述权利要求中任一项所述的用于频率失真的方法应用于中间信号，由此产生频率失真的信号。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，选择临时分频，
其中，针对临时分频的区域内的高频分量估计声学系统的传递函数，
其中，在所估计的传递函数超过允许的总增益时，在临时分频以下选择至少一个分频，
其中，通过仅使高频分量的频率失真来产生频率失真的信号，以及
其中，选择临时分频，使得其处于预先给定的音调系统的两个相邻的音调之间。
9.一种听力设备，包括：输入转换器，用于根据环境的声音信号产生输入信号；信号处理单元，用于根据输入信号产生音频信号；以及频率失真器，其被构造为执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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