詹華蕊　馬永斌

摘要：該文基于Matlab軟件對音頻信號進(jìn)行解析，利用基礎(chǔ)波形合成法對不同樂器的信號進(jìn)行合成，最終實(shí)現(xiàn)Matlab仿真。

關(guān)鍵詞：Matlab；音頻；信號

中圖分類號：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）19-0171-02

1 概述

對于音頻信號的研究一直都是較為熱門的話題，從早期的磁帶機(jī)錄音到現(xiàn)在的數(shù)碼錄音設(shè)備，都體現(xiàn)著科技的進(jìn)步，其中，對音頻信號的分析和編解碼技術(shù)一直都是研究的熱點(diǎn)[1]。通過基于Matlab的音頻解析和合成的研究可以推進(jìn)現(xiàn)階段有關(guān)音頻的數(shù)字信號的軟硬件的發(fā)展，同時(shí)可以應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)和DSP芯片中，增強(qiáng)計(jì)算精度和提高算法速度的功能。

2 音頻信號的解析

2.1 音樂信號的解析

針對五種不同樂器演奏的《梁?！?，分析不同樂器音頻信號的差別。使用貍窩軟件進(jìn)行時(shí)間截取和格式轉(zhuǎn)換，分析得到頻譜如下：

對于樂器來說，低頻段表示音色的豐滿度，高頻段表示音色的明亮度。從圖1至圖5可以看出，古箏的泛音較強(qiáng)，這印證了我們聽覺的感受，鋼琴和笛子的頻譜主要集中在500Hz～1000Hz的低頻范圍內(nèi)，音色最為豐滿，它們的主要區(qū)別在于鋼琴泛音較多。

2.2 語音信號的時(shí)頻特征分析

短時(shí)平均能量和平均過零率在語音信號時(shí)頻分析中是最基本的方法，尤其在端點(diǎn)檢測中占據(jù)重要地位。由于語音信號是一種非平穩(wěn)信號系統(tǒng)，在研究的過程中，不能利用處理平穩(wěn)信號的方法對其分析，但在短暫的時(shí)間內(nèi)，語音信號可以看作是平穩(wěn)的，因此用短時(shí)平均能量分析方法和短時(shí)平均過零率是可行的[2]。

語音信號的短時(shí)平均能量的可表示為：

從圖6中可以看出，“t”是清音所以在前段部分短時(shí)平均能量很小，但短時(shí)平均過零率高，“a”是濁音所以后段部分短時(shí)平均能量大，但短時(shí)平均過零率低，無聲部分為兩段，能量幾乎為0，過零率在前段表現(xiàn)為0，后段部分表現(xiàn)驟然下降為0，可以結(jié)合短時(shí)平均能量和短時(shí)平均過零率區(qū)分清音和濁音。

3 音頻信號的合成

3.1 音樂信號的合成

本程序以“新年好”歌曲為例，利用Matlab中對于簡單波形的處理和聲音的輸出方面的功能，合成簡單的歌曲，此程序中音樂的音調(diào)頻率處于國際標(biāo)準(zhǔn)[3]，新年好這首歌為F調(diào)，通過對基波和一次諧波二次諧波等直至N次諧波的權(quán)系數(shù)的改變，可以使產(chǎn)生的聲音的音色產(chǎn)生變化，并且可以模擬出鋼琴，吉他等樂器聲音。

此程序通過固定音調(diào)的頻率簡單合成歌曲，可以聽出歌曲每個(gè)音節(jié)之間有啪的斷音，這是因?yàn)橄噜徱艄?jié)之間的相位不連續(xù)所造成，下面通過指數(shù)衰減包絡(luò)來改善現(xiàn)狀，并且增加多次諧波以改善音樂的厚重感，使其聽起來更有層次。并且利用改變諧波參數(shù)和諧波次數(shù)簡單模擬了鋼琴A2的聲音，用這種方法還可以簡單模擬其他樂器的聲音。

3.2 語音信號的合成

語音合成是通過機(jī)械的、電子的方法產(chǎn)生人造語音的技術(shù)。音色各異的語音具有不同的共振峰模式，因此，以每個(gè)共振峰頻率及其帶寬作為參數(shù)，可以構(gòu)成共振峰濾波器。再用若干個(gè)這種濾波器的組合來模擬聲道的傳輸特性（頻率響應(yīng)），對激勵(lì)源發(fā)出的信號進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)過輻射模型就可以得到合成的語音[4]。這就是共振峰合成技術(shù)的基本原理。

通過共振峰作為濾波器的不同來調(diào)節(jié)基礎(chǔ)發(fā)音，就可以得到不同的合成語音。在基礎(chǔ)的合成語音上增加一些個(gè)性特征，就可以合成出帶有個(gè)性音色的合成聲音。除了共振峰的語音合成技術(shù)外，還有基于波形的合成技術(shù)，它是利用不同的波形組合在一起，從而形成新的發(fā)音。

4 結(jié)論

本文利用Matlab軟件對不同音頻信號進(jìn)行分析。在語音信號處理中，利用時(shí)頻信息分析是一種常見的方法，通過這種方法可以得到短時(shí)平均能量和短時(shí)平均過零率，這些參數(shù)可以區(qū)分不同的語音信號。在對音頻信號進(jìn)行解析研究后，本文最后利用波形合成法對不同的樂器進(jìn)行合成，并進(jìn)行Matlab仿真，可以得到不同樂器的合成聲信號。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李丹.音頻信號的過采樣處理及轉(zhuǎn)換[D]. 復(fù)旦大學(xué)， 2007.

[2] 張登奇，蔣敏. 基于Matlab的音頻信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術(shù)，2009（5）.

[3] 蘇培煦.頻率與音調(diào)——物理與音樂之一[J]. 邯鄲師專學(xué)報(bào)，2000，10（3）.

[4] 劉衛(wèi)強(qiáng).基于Matlab的音頻信號綜合分析處理[J]. 德州學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（4）：33-42.