CN113873399B - 一种提升音频系统语言清晰度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提升音频系统语言清晰度的方法，该方法针对现有技术方案采用的功率放大器与音箱之间的匹配方式不完整，以及频率特性没有体现出语言特点，从而影响语言清晰度的问题，本发明将通过增加功率放大器与音箱之间的频响曲线匹配，使得音箱只重放其有效频带范围内的信号，减小音箱对声音信号的重放失真和噪声。同时根据整个系统的频响特性，调整语言清晰度关联度大的频带信号大小或成分，最终达到提升会议系统语言清晰度的效果。

Description

一种提升音频系统语言清晰度的方法
技术领域
本发明涉及音频处理方法领域，更具体地，涉及一种提升音频系统语言清晰度的方法。
背景技术
会议系统应用广泛，系统的音频部分包括话筒、音频处理设备、功率放大器和音箱，主要用于播放人声，希望能有较高的语言清晰度。音频信号涉及的环节较多，各个环节对语言清晰度都可能会有影响。为使会议系统有较高的语言清晰度，常采用的方法有处理好功率放大器与音箱之间的匹配、将系统的频响曲线调平坦、选配高品质的设备。
然而有时虽然有高品质的功率放大器和音箱，但有时音量感觉偏小，或者烧坏功率放大器或音箱。其实就是功率放大器和音箱匹配是否恰当的问题。匹配功率放大器和扬声器可分为两种类型，一种是阻抗匹配，第二个是功率的匹配。
功率放大器与音箱的功率匹配一般分为三种形式：功率放大器功率大于音箱功率；功率放大器功率与音箱功率基本相同；功率放大器功率小于音箱功率。第一种形式是比较常见的，由于功率放大器的功率大，听音时会感到较多的低频；第二种方法在听音时，音箱的声音将被准确地反映出来。
功率放大器的输出阻抗和音箱的总阻抗必须相匹配，音箱的阻抗根据串联欧姆定律串联或并联或混联实现，总的串联阻抗等于每个扬声器的阻抗之和，并联扬声器的总阻抗等于每个扬声器倒数之和；功率放大器的输出阻抗等于音箱的总阻抗时得到最大输出功率，这个原则在理论上已被证明，也通过实验证实。如果音箱的输入阻抗小于功率放大器的输出阻抗时，将导致失真显著增加，严重的情况下会损坏功率放大器。
上述功率匹配和阻抗匹配确实重要，也已引起人们的重视，在购买设备时就会考虑到。但功率放大器与音箱的的频响曲线匹配则较少考虑，其实这也很重要。音箱频响曲线截止频率以外的信号是扬声器重放能力较差的部分，会引起一些失真，并且消耗掉功率放大器的功率，尤其在扬声器重放带有很多低频信号的时候尤为明显，在一定程度上影响重放的音质，甚至带来噪声。
此外即使能将会议系统音频部分的频响曲线调平坦，其语音清晰度也不一定很好。主要有几个原因：频带范围没有足够宽，主要频率成分不够突出，高频谐波成分不足。
发明内容
本发明提供一种提升音频系统语言清晰度的方法，该方法整个系统的频响特性，调整语言清晰度关联度大的频带信号大小或成分，最终达到提升会议系统语言清晰度的效果。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种提升音频系统语言清晰度的方法，包括以下步骤：
S1：找出音箱频响曲线的上下限截止频率，根据上下限截止频率设计低通和高通滤波器，将信号频率限制在上下限截止频率之间，实现音箱与功率放大器之间的频响曲线匹配；
S2：将会议系统声学频响曲线调平坦，对900-1100Hz频带提升1.414倍，对200Hz以下的频带每倍频程衰减6dB,实现对声音信号的音色均衡；
S3：对信号增加高频谐波成分，提升声音亮度。
进一步地，所述步骤S1的具体过程是：
S11：在消声室中测量得到音箱的频响曲线图；
S12：在频响曲线500Hz-4000Hz之间找出声压级最大的频率点，以该点为中心频率fc，计算一个倍频程带宽内的平均声压级，将该平均声压级为基准值，下降10dB画一条与频率轴平行的线；
S13：以fc为中心，找出步骤S12中所画线与频响曲线的高频和低频的第一个交点，这两个交点对应的频率为上限频率fh和下限频率fl；
S14：通过上限频率fh和下限频率fl判断音箱是否满足带宽要求：判断音箱是否满足带宽要求的判据是：若fh<10kHz，fl>200Hz，更换音箱；
S15：以fh为边界频率，设计4阶IIR低通滤波器hL：以fl为边界频率，设计4阶IIR高通滤波器hH；
S16：在会议系统中实现hL、hH滤波：
设计原始信号为x0(t)，滤波后的信号为x1(t)，x1(t)＝x0(t)*hL*hH，“*”表示卷积运算。
进一步地，所述步骤S2的具体过程是：
S21：会议系统所在房间的主席位上测量声学频率响应曲线；
S22：用1/3倍频程均衡器将声学频率响应曲线调平直；
S23：设计一个4阶的巴特沃斯IIR带通滤波器hB：带通滤波器hB的上、下限边界频率分别为1100Hz、900Hz；
S24：在会议系统中实现hB滤波，滤波后的信号为x2(t)，x2(t)＝x1(t)*hB，输出信号x3(t)＝x1(t)+0.414*x2(t)；
S25：以200Hz作为边界频率，设计一个一阶巴特沃斯IIR高通滤波器hH200；
S26:在会议系统中实现hH200滤波，滤波后的信号为x4(t)：x4(t)＝x3(t)*hH200。
进一步地，所述步骤S3具体过程是：
S31：设计边界频率为1000Hz的线性相位FIR高通滤波器hH1000：高通滤波器hH1000的滤波器阶数为100至128之间；
S32：在会议系统中实现hH1000滤波，滤波后的信号为x5(t)，x5(t)＝x4(t)*hH1000；
S33：对x5(t)进行压缩限幅处理得到x6(t)：对x5(t)进行压缩限幅处理的过程是：
设定压缩比是6:1，阈值电平为0.6，每0.1ms计算一次信号x5(t)的均方根值，启动时间设为2ms，释放时间设为100ms；
S34：对x6(t)进行适当增幅，x＝x6(t)×0.95；
S35：生成谐波信号f(x)：
Figure BDA0003260371960000031
S36：得到输出信号y(t)：y(t)＝x4(t)+f(x)/0.95。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明方法针对现有技术方案采用的功率放大器与音箱之间的匹配方式不完整，以及频率特性没有体现出语言特点，从而影响语言清晰度的问题，本发明将通过增加功率放大器与音箱之间的频响曲线匹配，使得音箱只重放其有效频带范围内的信号，减小音箱对声音信号的重放失真和噪声。同时根据整个系统的频响特性，调整语言清晰度关联度大的频带信号大小或成分，最终达到提升会议系统语言清晰度的效果。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为音箱频响曲线上下限截止频率。
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。
如图1所示，本发明的一种提升音频系统语言清晰度的方法，包括如下步骤：
S1：找出音箱频响曲线的上下限截止频率，根据上下限截止频率设计低通和高通滤波器，将信号频率限制在上下限截止频率之间，实现音箱与功率放大器之间的频响曲线匹配(对应步骤1-6)；
S2：将会议系统声学频响曲线调平坦，对900-1100Hz频带提升1.414倍，对200Hz以下的频带每倍频程衰减6dB,实现对声音信号的音色均衡(对应步骤7-12)；
S3：对信号增加高频谐波成分，提升声音亮度(对应步骤13-18)。
1.在消声室中测量得到音箱的频响曲线图。
2.在频响曲线500Hz-4000Hz之间找出声压级最大的频率点，以该点为中心频率fc，计算一个倍频程带宽内的平均声压级，将该平均声压级为基准值，下降10dB画一条与频率轴平行的线。
3.以fc为中心，找出步骤2中所画线与频响曲线的高频和低频的第一个交点，这两个交点对应的频率为上限频率fh和下限频率fl。注意应忽略频响曲线上窄于1/9oct宽度的峰谷与低于平均声压级10dB的水平线相交点。如图2所示：
4.通过上限频率fh和下限频率fl判断音箱是否满足带宽要求：若fh<10kHz,fl>200Hz,更换音箱。
5.以fh为边界频率，设计4阶IIR低通滤波器hL；以fl为边界频率，设计4阶IIR高通滤波器hH。
6.在会议系统中实现hL、hH滤波。设计原始信号为x0(t),滤波后的信号为x1(t)。x1(t)＝x0(t)*hL*hH，“*”表示卷积运算。
7.在会议系统所在房间的主席位上测量声学频率响应曲线。
8.用1/3倍频程均衡器将声学频率响应曲线调平直。
9.设计一个4阶的巴特沃斯IIR带通滤波器hB，上、下限边界频率分别为1100Hz、900Hz。
10.在会议系统中实现hB滤波，滤波后的信号为x2(t)，x2(t)＝x1(t)*hB，输出信号x3(t)＝x1(t)+0.414*x2(t)。
11.以200Hz作为边界频率，设计一个一阶巴特沃斯IIR高通滤波器hH200。
12.在会议系统中实现hH200滤波，滤波后的信号为x4(t)，x4(t)＝x3(t)*hH200。
13.设计边界频率为1000Hz的线性相位FIR高通滤波器hH1000，滤波器阶数为100至128之间。
14.在会议系统中实现hH1000滤波，滤波后的信号为x5(t)，x5(t)＝x4(t)*hH1000。
15.对x5(t)进行压缩限幅处理得到x6(t)。设定压缩比是6:1，阈值电平为0.6，每0.1ms计算一次信号x5(t)的均方根值,启动时间设为2ms，释放时间设为100ms。
16.对x6(t)进行适当增幅，x＝x6(t)×0.95。
17.生成谐波信号f(x)
Figure BDA0003260371960000051
得到输出信号y(t),y(t)＝x4(t)+f(x)/0.95。
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。
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 (5)

1.一种提升音频系统语言清晰度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：找出音箱频响曲线的上下限截止频率，根据上下限截止频率设计低通和高通滤波器，将信号频率限制在上下限截止频率之间，实现音箱与功率放大器之间的频响曲线匹配；
S2：将会议系统声学频响曲线调平坦，对900-1100Hz频带提升1.414倍，对200Hz以下的频带每倍频程衰减6dB,实现对声音信号的音色均衡；
S3：对信号增加高频谐波成分，提升声音亮度；
所述步骤S1的具体过程是：
S11：在消声室中测量得到音箱的频响曲线图；
S12：在频响曲线500Hz-4000Hz之间找出声压级最大的频率点，以该频率点为中心频率fc，计算一个倍频程带宽内的平均声压级，将该平均声压级为基准值，下降10dB画一条与频率轴平行的线；
S13：以fc为中心，找出步骤S12中所画线与频响曲线的高频和低频的第一个交点，这两个交点对应的频率为上限频率fh和下限频率fl；
S14：通过上限截止频率fh和下限截止频率fl判断音箱是否满足带宽要求；
S15：以fh为边界频率，设计4阶IIR低通滤波器hL；以fl为边界频率，设计4阶IIR高通滤波器hH；
S16：在会议系统中实现hL、hH滤波，设计原始信号为x0(t)，滤波后的信号为x1(t)，x1(t)=x0(t)*hL*hH，“*”表示卷积运算；
所述步骤S2的具体过程是：
S21：会议系统所在房间的主席位上测量声学频率响应曲线；
S22：用1/3倍频程均衡器将声学频率响应曲线调平直；
S23：设计一个4阶的巴特沃斯IIR带通滤波器hB；
S24：在会议系统中实现hB滤波，滤波后的信号为x2(t)，x2(t)=x1(t)*hB，输出信号x3(t)=x1(t)+0.414*x2(t)，“*”表示卷积运算；
S25：以200Hz作为边界频率，设计一个一阶巴特沃斯IIR高通滤波器hH200；
S26：在会议系统中实现hH200滤波，滤波后的信号为x4(t)：x4(t)=x3(t)*hH200；
所述步骤S3具体过程是：
S31：设计边界频率为1000Hz的线性相位FIR高通滤波器hH1000；
S32：在会议系统中实现hH1000滤波，滤波后的信号为x5(t)，x5(t)=x4(t)*hH1000，“*”表示卷积运算；
S33：对x5(t)进行压缩限幅处理得到x6(t)；
S34：对x6(t)进行适当增幅，x=x6(t)×0.95；
S35：生成谐波信号f(x)：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
S36：得到输出信号y(t)：y(t)=x4(t)+f(x)/0.95。
2.根据权利要求1所 述的提升音频系统语言清晰度的方法，其特征在于，步骤S23中，带通滤波器hB的上、下限边界频率分别为1100Hz、900Hz。
3.根据权利要求2的提升音频系统语言清晰度的方法，其特征在于，所述步骤S14中，判断音箱是否满足带宽要求的判据是：若fh<10kHz，fl>200Hz，更换音箱。
4.根据权利要求3的提升音频系统语言清晰度的方法，其特征在于，步骤S31中，高通滤波器hH1000的滤波器阶数为100至128之间。
5.根据权利要求4的提升音频系统语言清晰度的方法，其特征在于，步骤S33中，对x5(t)进行压缩限幅处理的过程是：
设定压缩比是6:1，阈值电平为0.6，每0.1ms计算一次信号x5(t)的均方根值，启动时间设为2ms，释放时间设为100ms。
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