特殊音效處理鑲邊的一種改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吉曉東 陳建平 任 珍

摘 要:語音音效是一種人工對(duì)采集的數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)、濾波、調(diào)制等再處理的過程,可以將原來干澀的聲音變得更加豐富。在詳細(xì)描述鑲邊效果一般產(chǎn)生模型的基礎(chǔ)上,提出新的鑲邊效果產(chǎn)生模型,并對(duì)兩種模型的鑲邊效果進(jìn)行了比較。針對(duì)改進(jìn)的鑲邊效果產(chǎn)生模型,在不同調(diào)制波形下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,改進(jìn)模型能進(jìn)一步豐富諧波分量,增強(qiáng)鑲邊處理效果。

關(guān)鍵詞:數(shù)字語音處理;語音音效;鑲邊;諧波

中圖分類號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-096-03

Improved Design and Implement for Digital Processing of Audio Effect Flanging

JI Xiaodong,CHEN Jianping,REN Zhen

(School of Electronic Information,Nantong University,Nantong,226019,China)

Abstract:Audio effect is a signal processing technique used to modulate or to modify an audio signal.It can make the original dry audio signal to be rich and nice.After briefly introducing the general model of flanging processor,an improved model to generate flanging effect is proposed.The performance of the two flanging processors are compared.Emulation experiments are done for the new flanging processor under different modulation signals.The results show that the new flanging processor can enrich the harmonic components and enhance the flanging effect.

Keywords:digital audio processing;audio effect;flanging;harmonic

0 引 言

語音音效是一種人工對(duì)采集的數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)、濾波、調(diào)制等再處理的過程[1],通過語音音效的處理可以將原來“干澀”的聲音變得“濕潤”[2]。目前,語音音效處理都是通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的,通過對(duì)原始聲音的數(shù)字處理,可以產(chǎn)生各種虛擬空間的特殊聲音效果,包括 Chorus(合唱)、Echo(回聲)、Pitch(變調(diào))、Phasing(移相)、Tremolo(顫音)、Flanging(鑲邊)、Gate(閘門)等以及由上述效果疊加組合后形成具有幻覺色彩的聲音效果[3]。目前,語音音效廣泛應(yīng)用于劇場(chǎng)擴(kuò)聲的背景效果、樂隊(duì)實(shí)況演出時(shí)的聲音處理、電影錄音和演播室錄音的特殊聲效處理以及數(shù)字音響中[4]。因此研究各種特殊音效效果的產(chǎn)生機(jī)理有著重大的現(xiàn)實(shí)意義,本文著重對(duì)Flanging(鑲邊)效果進(jìn)行研究。

1 鑲邊效果的產(chǎn)生模型

鑲邊效果是用一個(gè)超低頻信號(hào)對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行調(diào)制后所產(chǎn)生的效果[5]。這種效果可以循環(huán)反復(fù)地夸張聲音中的奇次諧波或偶次諧波分量,使聲音的頻諧發(fā)生周期性的變化,從而產(chǎn)生“空洞聲”、“噴流聲”和“交變聲”等富有幻覺色彩的聲音效果,如同為原來的聲音鑲上一種奇特的聲音邊緣,讓人感到一種回旋、游移的聽覺效果。

1.1 一般模型

鑲邊效果的一般產(chǎn)生模型如圖1所示。

圖1 鑲邊效果的一般產(chǎn)生模型

圖1中動(dòng)態(tài)延遲單元將原始數(shù)字聲音信號(hào)x(n)進(jìn)行動(dòng)態(tài)延時(shí)生成x,其中d(n)為動(dòng)態(tài)延時(shí)調(diào)制波;然后在增益因子a2(0

y(n)=a1x(n)+a2x(1)

當(dāng)動(dòng)態(tài)延時(shí)調(diào)制波是一個(gè)低頻信號(hào)(頻率小于1 Hz),并且d(n)產(chǎn)生的最大延時(shí)小于10 ms時(shí),輸出信號(hào)將產(chǎn)生鑲邊效果 [2,6]。

圖1所示的鑲邊效果產(chǎn)生涉及到調(diào)制波形及其頻率,以及增益因子的選擇。因此不同的調(diào)制波形、頻率和增益因子將產(chǎn)生不同的鑲邊效果。

1.2 改進(jìn)模型

圖1所示的一般產(chǎn)生模型是將原始信號(hào)與動(dòng)態(tài)延時(shí)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加,而原始信號(hào)與延時(shí)信號(hào)的簡(jiǎn)單疊加會(huì)產(chǎn)生梳狀濾波效應(yīng)。由于細(xì)微的動(dòng)態(tài)延時(shí)變化會(huì)產(chǎn)生不同的梳狀濾波效應(yīng),這樣圖1所示兩路信號(hào)的疊加就產(chǎn)生了鑲邊效果[7]。為了提高鑲邊效果,應(yīng)提高梳狀濾波的凹槽深度和選擇性[7]。研究表明,反饋可以提高梳狀濾波的凹槽深度[8]。為了增強(qiáng)鑲邊效果,對(duì)一般產(chǎn)生模型進(jìn)行了修改,提出新的鑲邊效果產(chǎn)生模型,如圖2所示。

圖2 鑲邊效果的改進(jìn)模型

圖2中的動(dòng)態(tài)延遲單元與圖1中的作用一致,也是將輸入信號(hào)在延時(shí)調(diào)制波的作用下進(jìn)行動(dòng)態(tài)延時(shí)。為了提高梳狀濾波的凹槽深度,圖2中增加了反饋模塊a3,輸出鑲邊效果信號(hào)為:

y(n)=a1x(n)+a2z(n)(2)

z(n)=x+a3z(3)

圖2所示產(chǎn)生的鑲邊效果也涉及到調(diào)制波形及其頻率、以及增益因子的選擇。一般增益因子a1,a2和a3都在0~1之間,調(diào)制波的頻率也要小于1 Hz。調(diào)制信號(hào)波形的選擇一般有4種:正弦波(Sine)、三角波(Triangle)、對(duì)數(shù)波(Logarithmic)、指數(shù)波(Exponential)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)字化采樣頻率fs=44.1 kHz,每個(gè)采樣數(shù)據(jù)編碼長(zhǎng)度為16 b。

2.1 一般模型與改進(jìn)模型比較

針對(duì)圖1和圖2兩種模型,選擇正弦波作為調(diào)制波形:

d(n)=(D/2)(4)

式中:fd=0.01 cycles/sample,最大延遲D=20 samples。輸入x(n)為單一頻率正弦信號(hào),其頻率f=0.05 cycles/sample。圖1中,a1=a2=0.5;圖2中,a1=0.5,a2=a3=0.8。設(shè)圖1和圖2的輸出分別為y1(n)和y2(n),圖3給出輸入信號(hào)x(n)和輸出信號(hào)y1(n)和y2(n)的波形。從圖3可以看出,對(duì)輸入單頻信號(hào),改進(jìn)模型輸出的時(shí)域波形幅度變化更大。圖4給出x(n),y1(n)和y2(n)的頻譜圖。從圖4可以看出,改進(jìn)模型輸出信號(hào)諧波分量更加豐富,因此增強(qiáng)了鑲邊效果。

圖3 兩種模型輸出波形比較

圖4 兩種模型輸出波形頻譜比較

2.2 不同調(diào)制波形下的比較

針對(duì)圖2改進(jìn)模型,選擇四種不同的調(diào)制波,在相同的參數(shù)和輸入信號(hào)下比較輸出鑲邊效果。

圖5給出選擇的四種調(diào)制波,它們的調(diào)制頻率fd=0.01 cycles/sample,最大延遲D=20 samples;輸入x(n)為單一頻率正弦信號(hào),其頻率f=0.05 cycles/sample;增益因子a1=0.5,a2=a3=0.8。圖6(a)~(d)分別給出正弦波、三角波、指數(shù)波、對(duì)數(shù)波四種調(diào)制波下的輸出y1(n),y2(n),y3(n)和y4(n)?？梢钥闯?正弦波作為調(diào)制波時(shí)輸出信號(hào)幅度變化較慢、平滑,三角波次之,指數(shù)波和對(duì)數(shù)波變化最快。

利用Matlab的WAVPLAY函數(shù),可產(chǎn)生上述鑲邊效果處理的音頻輸出。從主觀聽覺效果看,正弦波作為調(diào)制波具有平滑的輸入和輸出的變調(diào)效果;三角波產(chǎn)生線性變調(diào)的鑲邊效果,在轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生快速升高和降低的音調(diào);對(duì)數(shù)波和指數(shù)波鑲邊變調(diào)效果相似且最好。

圖5 四種調(diào)制波

圖6 四種調(diào)制波形下的輸出

3 結(jié) 語

針對(duì)鑲邊一般產(chǎn)生模型鑲邊變調(diào)效果不甚理想,提出改進(jìn)的鑲邊效果模型。在輸入單頻信號(hào)下,對(duì)兩種模型的鑲邊效果進(jìn)行了仿真比較。結(jié)果表明,改進(jìn)模型能進(jìn)一步豐富諧波分量,增強(qiáng)鑲邊變調(diào)效果。對(duì)改進(jìn)模型,分別在調(diào)制波為正弦波、三角波、指數(shù)波和對(duì)數(shù)波的情況下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,正弦波的鑲邊變調(diào)效果較平滑,三角波的鑲邊變調(diào)在轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生快速升高和降低的音調(diào),指數(shù)波和對(duì)數(shù)波的鑲邊效果相近,且變調(diào)效果最好。

參考文獻(xiàn)

[1]Verfaille V,Zolzer U,Arfib D.Adaptive Digital Audio Effects(A-DAFx): A New Class of Sound Transformations[J].IEEE Trans.on Audio,Speech and Language Processing,2006,14(5):1 817-1 831.

[2]Sophocles J O.Introduction to Signal Processing[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[3]譚少毅.雙引擎數(shù)字效果處理器的原理及其應(yīng)用方法(一)[J].電聲技術(shù),2003(9):70-74.

[4]張飛碧.數(shù)字混響效果器的原理及應(yīng)用[J].音響技術(shù),2002(4):26-29.

[5]Caputa M J.Developing Real-Time Digital Audio Effects for Electric Guitar in an Introductory Digital Signal Processing Class[J].IEEE Trans.on Education,1998,41(4):341-346.

[6]Cole J.Audio Effects-Noise Gate & Flange[EB/OL].http://www.buzzle.com/editorials/8-31-2006-107181.asp,2006-1-9/2008-8-15.

[7]Dattorro J.Effect Design:Part 1 Reverberator and Other Filters[J].Audio Engineering Society,1997,45(10):660-684.

[8]Dattorro J.Effect Design:Part 2 Delay-Line Modulation and Chorus[J].Audio Engineering Society,1997,45(10):764-788.

作者簡(jiǎn)介

吉曉東 男,1979年出生,碩士研究生,講師。主要研究方向?yàn)檎Z音信號(hào)處理、認(rèn)知無線電技術(shù)。

陳建平 男,1960年出生,碩士研究生,教授。主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、快速算法、DSP應(yīng)用等。

任 珍 女,1986年出生,南通大學(xué)電子信息學(xué)院學(xué)生?，F(xiàn)從事語音音效處理方面的研究。