CN111181516B - 一种音色均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种音色均衡方法，该方法通过提高均衡器的阶数的设计方法，可以让均衡器的通带更加平坦，具有更好的频率截止特性，从而降低了相邻频带相互影响。同时根据响度曲线，对声频信号进行动态均衡，最终达到不管是在音量大还是音量小的情况下，都具有较一致的音色效果。

Description

一种音色均衡方法

技术领域

本发明涉及音色处理方法领域，更具体地，涉及一种音色均衡方法。

背景技术

随着社会的发展和科技的不断进步，人们对电子产品的音质、音效提出了更高的要求。为了达到更好的声音表现效果，通常可以采用数字声频均衡器对音质进行调整和修饰。数字声频均衡器一般采用二阶参量均衡器，当对某一频点进行提升或衰减处理时，不仅是对给定的中心频率处进行均衡，而且该中心频率附近的其他频率也都会一同被提升或衰减，相邻频带间相互影响，不能精确的控制各个频带。

用于音色均衡的数字声频均衡器也被称为称参量(数)均衡器，有3个调节参数，包括中心频率(ω₀)、带宽(BW)、增益(GAIN)，是一种可以对参数进行灵活调节的均衡器。中心频率(ω₀)：对应着提升或者衰减最大值处的频率，该参数为声频信号处理的具体频段。带宽(BW)：有两个频率点分别位于中心频率的两侧，在中心频率即峰值或者谷值的幅频响应下降或者上升3dB，这两个频点之间的频率范围称为带宽，表示了均衡器对频谱的均衡范围。增益(GAIN)：该参数表明了均衡器在中心频率处提升或者衰减的大小。

带宽也可以用Q值来表示，是带宽的另一种表示形式，就是为了确保对信号进行精确处理，从而限定提升或衰减均衡幅频曲线的宽窄范围。所以Q可以表示为：

Q＝ω₀/BW (1)

其中ω₀为中心频率，BW为带宽。该参数决定了提升或衰减频响曲线是窄而尖还是宽而平缓。设置带宽的数值越小即Q值越大，峰值或谷值处就变得相对尖锐，只能对较窄的声频段进行均衡操作，这样调节就比较精细，而带宽的数值较大即Q值越小，峰值或谷值处就变得相对平坦，则只能对较宽的声频段进行操作。

图1表示的是中心频率为1000Hz，增益为13dB，Q值为1，带宽是峰值下降3dB处两点差值为1000Hz均衡器提升的频率响应。

当多个参量均衡器同时工作时会相互影响，例如考虑三个不同中心频率的数字参量均衡器，参数设置如下：

第1段:中心频率f_0,1＝0Hz，带宽f_B,1＝300Hz,增益G₁＝-5dB

第2段:中心频率f_0,2＝1.5KHz，带宽f_B,2＝1.8KHz,增益G₂＝10dB

第3段:中心频率f_0,3＝12KHz，带宽f_B,3＝10KHz,增益G₃＝5dB

图2所示为三个参量均衡器同时工作时的情况，其中实线表示的3个参量均衡器独立的幅频响应，虚线为3个参量均衡器同时工作的合成幅频响应。从该现象也说明了二阶参量均衡器的截止特性不好，相邻频带之间相互影响。因此二阶参量均衡器很难达到对频率响应精确的控制，导致最终得到的幅频响应曲线与实际想要的幅频响应曲线差距很大，并出现不相符的情况。

声音的强弱也叫声强，通常所说的声音大小，就是响度的大小，单位为宋(sone)。响度是听觉上对声音强弱响亮程度的判断，不但与声压有密切关系，而且还和频率有关。根据人耳特性，声压级越大，响度也随之变大，人耳对各个的频率声音的响度感觉是不同的。正是因为人耳对各个频率的敏感程度不一样，所以系统音量大小不同时人们感知到的音色也不同。

发明内容

本发明提供一种音色均衡方法，该方法可实现均衡器的通带更加平坦，具有更好的频率截止特性，从而降低了相邻频带相互影响。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种音色均衡方法，包括以下步骤：

S1：设计频带之间相互影响小、通带平坦、频率截止特性好的音色均衡滤波器系数的计算公式；

S2：将输入声音信号按帧进行分析，整个声音频率范围划分为24个频带，计算出每帧信号的响度；

S3：根据步骤S2中计算得到的帧信号响度，利用计权网络得到24个频带的增益值，并计算出24个频带的均衡滤波器系数；

S4：根据步骤S3中计算出的均衡滤波器系数对输入声音信号进行滤波，实现声音信号的音色动态均衡。

进一步地，所述步骤S1的具体过程是：

S11：定义均衡器的传递函数参数{G₀,G,G_B,ω₀,Δω}，参量均衡器G₀为均衡器级联处参考增益，G在中心频率ω₀处的增益，为带宽，G_B为在/>处的增益；

S12：设定G_B与G、G₀之间的对应关系为以下四种之中的一种：

G_B＝G-3

当Q值确定时，在不同Q值下，G与G_B取值满足下表对应关系三个增益，提升增益或衰减增益G，为所设定值；带宽增益G_B，可任意地选择，只要满足下面基本的不等式：

S13：定义参数计算/>计算

S14：定义滤波器的阶数N，定义二阶节数量参数L，L满足下式：N＝2L+r，当N是偶数时，r＝0；N是奇数时，r＝1；

S15：计算以下参数：

s_i＝sinφ_i,c_i＝cosφ_i,i＝1,2,...,L；

S16：计算模拟滤波器传递函数：

S17：将模拟滤波器传递函数H_a(s)转为数字域传递函数：

其中，

进一步地，所述步骤S2中，对20Hz到16000Hz的频率范围划分为24个临界频带，如下表：

进一步地，所述步骤S2的具体过程是：

1)、对输入声频信号进行分帧并加汉明窗；

2)、对加窗后的帧信号进行FFT变换，按照临界带宽将频带划分为24个频带，每个频带内的能量记为S₁，S₂，S₃，…，S₂₄，称其为响度值，S_m为其中的最大响度值；

3)、设F＝0.3，计算总响度S_t：

4)、计算每帧的响度级L_N：L_N＝40+10logS_t；

5)、计算总响度级N，N_frame为帧数：

6)、求得平均响度级L_Na：

进一步地，所述步骤S3的具体过程是：

1)、选择A、B、C三个计权网络，A计权曲线是按40phon等响曲线的倒置曲线，用以修正40phon上下的低声级，得到接近响度级的结果，B计权曲线相当于70phon等响曲线的倒置曲线，低频段有一定衰减，C计权曲线相当于100phon等响曲线的倒置曲线；

2)、根据平均响度级L_Na选择计权网络，响度级在70phon以下时，根据A计权修正值进行均衡，响度级在70-100phon时，根据B计权修正值进行均衡，其余情况选择C计权；

3)、将步骤22中每个频带的修正值记为G(k),将步骤14的表1中的中心频率和带宽分别设为f₀(k)、Δf(k)，并转为数字域的中心频率ω(k)和带宽Δω(k)，公式如下：

ω₀(k)＝2πf₀(k)/F_s

Δω(k)＝2πΔf(k)/F_s

其中Fs为系数的采样频率，(k＝0,1,2,...23)；

4)、计算24个频带的音色均衡滤波器系数。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明针对现有技术方案采用的二阶参量均衡器的截止特性不好，相邻频带之间相互影响，很难达到对频率响应精确的控制的问题，以及系统音量大小不同时人们感知到的音色也不同的现象，本发明将通过提高均衡器的阶数的设计方法，可以让均衡器的通带更加平坦，具有更好的频率截止特性，从而降低了相邻频带相互影响。同时根据响度曲线，对声频信号进行动态均衡，最终达到不管是在音量大还是音量小的情况下，都具有较一致的音色效果。

附图说明

图1为参量均衡器提升的频率响应示意图；

图2为三个参量均衡器的幅频响应曲线；

图3为本发明方法流程图；

图4为提升和衰减参量均衡器示意图；

图5为计权曲线图；

图6为原始音乐信号时域波形；

图7为加窗后的信号时频图；

图8为幅频响应图；

图9为音色均衡滤波后的时域波形图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图3所示，一种音色均衡方法，包括以下步骤：

S1：设计频带之间相互影响小、通带平坦、频率截止特性好的音色均衡滤波器系数的计算公式；

S2：将输入声音信号按帧进行分析，整个声音频率范围划分为24个频带，计算出每帧信号的响度；

S3：根据步骤S2中计算得到的帧信号响度，利用计权网络得到24个频带的增益值，并计算出24个频带的均衡滤波器系数；

S4：根据步骤S3中计算出的均衡滤波器系数对输入声音信号进行滤波，实现声音信号的音色动态均衡。

步骤S1的具体过程是：

S11：定义均衡器的传递函数参数{G₀,G,G_B,ω₀,Δω}，参量均衡器G₀为均衡器级联处参考增益，G在中心频率ω₀处的增益，Δω为带宽，G_B为在Δω处的增益，如图4所示；

S12：设定G_B与G、G₀之间的对应关系为以下四种之中的一种：

G_B＝G-3

当Q值确定时，在不同Q值下，G与G_B取值满足下表对应关系三个增益，提升增益或衰减增益G，为所设定值；带宽增益G_B，可任意地选择，只要满足下面基本的不等式：

G>G_B>G₀(提升情况)

G<G_B<G₀(衰减情况)；

S13：定义参数计算/>计算

S14：定义滤波器的阶数N，定义二阶节数量参数L，L满足下式：N＝2L+r，当N是偶数时，r＝0；N是奇数时，r＝1；

S15：计算以下参数：

s_i＝sinφ_i,c_i＝cosφ_i,i＝1,2,...,L；

S16：计算模拟滤波器传递函数：

S17：将模拟滤波器传递函数H_a(s)转为数字域传递函数：

其中，

步骤S2中，对20Hz到16000Hz的频率范围划分为24个临界频带，如下表1：

表1临界频带划分

进一步地，所述步骤S2的具体过程是：

1)、对输入声频信号进行分帧并加汉明窗；

2)、对加窗后的帧信号进行FFT变换，按照临界带宽将频带划分为24个频带，每个频带内的能量记为S₁，S₂，S₃，…，S₂₄，称其为响度值，S_m为其中的最大响度值；

3)、设F＝0.3，计算总响度S_t：

4)、计算每帧的响度级L_N：L_N＝40+10logS_t；

5)、计算总响度级N，N_frame为帧数：

6)、求得平均响度级L_Na：

进一步地，所述步骤S3的具体过程是：

1)、选择A、B、C三个计权网络，A计权曲线是按40phon等响曲线的倒置曲线，用以修正40phon上下的低声级，得到接近响度级的结果，B计权曲线相当于70phon等响曲线的倒置曲线，低频段有一定衰减，C计权曲线相当于100phon等响曲线的倒置曲线，如图5所示，3个计权网络各频带修正值见表2：

表2倍频程A、B、C计权修正值

中心频率/Hz	A计权修正值/dB	B计权修正值/dB	C计权修正值/dB
				31.5	39.4	17.1	3.0
63	26.2	9.3	0.8
				125	16.1	4.2	0.2
250	8.6	1.3	0
				500	3.2	0.3	0
1000	0	0	0
				2000	-1.2	0.1	0.2
4000	-1.0	0.7	0.8
				8000	1.1	2.9	3.0
16000	6.6	8.4	8.5

2)、根据平均响度级L_Na选择计权网络，响度级在70phon以下时，根据A计权修正值进行均衡，响度级在70-100phon时，根据B计权修正值进行均衡，其余情况选择C计权，频率对应关系见表3：

表3倍频程与24个频带的对应关系

3)、将步骤22中每个频带的修正值记为G(k),将步骤14的表1中的中心频率和带宽分别设为f₀(k)、Δf(k)，并转为数字域的中心频率ω(k)和带宽Δω(k)，公式如下：

ω₀(k)＝2πf₀(k)/F_s

Δω(k)＝2πΔf(k)/F_s

其中Fs为系数的采样频率，(k＝0,1,2,...23)；

4)、计算24个频带的音色均衡滤波器系数。

有一段用于播放的音乐信号x(n)，采样频率为48000Hz,采样精度为16比特。时域波形如图6所示。

对x(n)进行分帧并加哈明窗，帧长1024点，帧重叠为512点。以第2帧为例，图7为加窗后的时频图。

根据FFT结果计算出24个频带的能量值为S＝{0.1378 8.968027.8923 38.32096.1801 13.7151 7.3553 6.2010 20.7221 2.8294 4.3870 30.4188 2.6772 95.20266.1967 7.1113 6.3966 3.1599 1.9509 0.7709 0.1889 0.2524 0.03640.0063}

根据上述S值计算出总响度St为70.28，再进一步计算出该帧的响度级L_N为58.47。

根据上述方法再计算出9帧的响度级，求得平均响度级L_Na为56.57。

查找表2、表3，得到24个频带的增益值为：{26.2 16.1 8.6 8.6 3.23.2 3.2 0 00 0-1.2-1.2-1.2-1.2-1-1-1-1 1.11.1 1.1 1.1 6.6}

根据步骤23、24计算24个频率的音色均衡滤波器系数，例如第24频带的滤波器系数为：

B＝

1.4669 1.0769-0.0235 0.1364 0.8213 0.2608 -0.0418 0.0090 0.0288

A＝

1.0000 0.8263 0.5103 0.3829 0.6328 0.2468 0.0880 0.0272 0.0206

幅频响应图如图8所示。

利用24个频带的滤波器系数对输入声音信号进行滤波，得到音色均衡后的信号，如图9所示为输入信号x(n)经过音色均衡滤波后的时域波形图。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种音色均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设计频带之间相互影响小、通带平坦、频率截止特性好的音色均衡滤波器系数的计算公式；

S2：将输入声音信号按帧进行分析，整个声音频率范围划分为24个频带，计算出每帧信号的响度；

所述步骤S2的具体过程是：

1)、对输入声频信号进行分帧并加汉明窗；

2)、对加窗后的帧信号进行FFT变换，按照临界带宽将频带划分为24个频带，每个频带内的能量记为S₁，S₂，S₃…S₂₄，称其为响度值，S_m为其中的最大响度值；

3)、设F＝0.3，计算总响度S_t：

4)、计算每帧的响度级L_N：L_N＝40+10logS_t；

5)、计算总响度级R，N_frame为帧数：

6)、求得平均响度级L_Na：

S3：根据步骤S2中计算得到的帧信号响度，利用计权网络得到24个频带的增益值，并计算出24个频带的均衡滤波器系数；

S4：根据步骤S3中计算出的均衡滤波器系数对输入声音信号进行滤波，实现声音信号的音色动态均衡。

2.根据权利要求1所述的音色均衡方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程是：

S11：定义均衡器的传递函数参数{G₀,G,G_B,ω₀,Δω}，参量均衡器G₀为均衡器级联处参考增益，G在中心频率ω₀处的增益，Δω为带宽，G_B为在Δω处的增益；

S12：设定G_B与G、G₀之间的对应关系为以下四种之中的一种：

G_B＝G-3

当Q值确定时，在不同Q值下，G与G_B取值满足下表对应关系三个增益，提升增益或衰减增益G，为所设定值；带宽增益G_B，可任意地选择，只要满足下面基本的不等式：

S13：定义参数计算/>计算

S14：定义滤波器的阶数N，定义二阶节数量参数L，L满足下式：N＝2L+r，当N是偶数时，r＝0；N是奇数时，r＝1；

S15：计算以下参数：

s_i＝sinφ_i,c_i＝cosφ_i,i＝1,2,...,L；

S16：计算模拟滤波器传递函数：

S17：将模拟滤波器传递函数H_a(s)转为数字域传递函数：

其中，

3.根据权利要求2所述的音色均衡方法，其特征在于，所述步骤S2中，对20Hz到16000Hz的频率范围划分为24个临界频带，如下表：

4.根据权利要求3所述的音色均衡方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程是：

1)、选择A、B、C三个计权网络，A计权曲线是按40phon等响曲线的倒置曲线，用以修正40phon上下的低声级，得到接近响度级的结果，B计权曲线相当于70phon等响曲线的倒置曲线，低频段有一定衰减，C计权曲线相当于100phon等响曲线的倒置曲线；

2)、根据平均响度级L_Na选择计权网络，响度级在70phon以下时，根据A计权修正值进行均衡，响度级在70-100phon时，根据B计权修正值进行均衡，其余情况选择C计权；

3)、将步骤22中每个频带的修正值记为G(k),将步骤14的表1中的中心频率和带宽分别设为f₀(k)、Δf(k)，并转为数字域的中心频率ω(k)和带宽Δω(k)，公式如下：

ω₀(k)＝2πf₀(k)/F_s

Δω(k)＝2πΔf(k)/F_s

其中Fs为系数的采样频率，(k＝0,1,2,...23)；

4)、计算24个频带的音色均衡滤波器系数。