基于心理聲學的低音增強算法

作者 趙新科 深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司(廣東 深圳 518108)

摘要：介紹了基于心理聲學的低音增強算法的原理，算法以及在平板電視上實現(xiàn)方法。經(jīng)過實驗證明，本算法在原有聲音系統(tǒng)的基礎上很大的提升了小尺寸揚聲器的低音效果。

1 低音提升技術背景介紹

　　低頻增強技術一直是電聲器件設計的熱點問題;低頻重放能力也是衡量揚聲器性能的重要指標之一。近年來小型揚聲器以其體積小、功耗低、成本低廉的優(yōu)點得到廣泛應用，但其低頻重放能力差也成了困擾用戶以及產(chǎn)品設計者的典型問題。由于受到單元尺寸等物理條件的限制，小型揚聲器對低頻聲音信號還原能力很弱甚至沒有。采用均衡電路直接增強信號的低頻能量通常會導致?lián)P聲器效率降低、重放信號產(chǎn)生畸變，嚴重時甚至可能損壞揚聲器系統(tǒng)。本方案的虛擬低音技術則針對這一問題提供了一種解決方法。

2 低音提升技術原理

　　在心理聲學實驗中，存在著一種被稱為“虛擬音調(diào)”的實驗現(xiàn)象：對于1段和諧復音信號，其基頻成分決定了信號音調(diào)的高低;然而，通過某些手段將復音信號的基頻部分除去后，余下的各次諧波的疊加依然能使人感受到相同的音調(diào)高低，即人耳能在基頻缺失情況下利用諧波組合重建信號音調(diào)高低。本方案的低音補償技術逆向應用了該現(xiàn)象。對于低于揚聲器截止頻率范圍下限fL的某個頻率f₀，人為構造諧波kf₀，(k+1)f₀，……，(k+N)f₀，其中kf₀>f0。疊加諧波信號可獲得與f₀相同的音調(diào)感知來增強低音。實驗證明，當k滿足(k-1)f₀且kf₀>f_L，同時，N取3可獲得很好的合成效果，即選頻率大于f_L的連續(xù)的3個階次諧波。例如假設150 Hz的點為揚聲器低頻截止頻率，而播放的音頻內(nèi)容為100 Hz，這時低音補償技術會將之提升到200 Hz、300 Hz、400 Hz……，使其得以播放?？紤]到音頻內(nèi)容是8度音，根據(jù)心理聲學的原理，人的耳朵和大腦會被誘導認為聽到了低頻內(nèi)容。

3 低音提升技術算法

　　諧波的構造主算法：利用1個乘法回路產(chǎn)生諧波信號并以等響度曲線為基礎引入聲壓級-響度擴展比率以保證合成信號與原信號在響度音色等方面的一致性;另一方面，針對非線性方法固有的非線性畸變問題，將數(shù)字信號處理中的時頻分析算法引入虛擬低音系統(tǒng)，提出了基于相位聲碼器的虛擬低音增強算法，該算法通過短時FFT分析信號低頻成分，在此基礎上計算各頻率通道的瞬時頻率并構造諧波相位。同時算法利用參數(shù)化的等響度曲線，精細計算了合成諧波每個頻率通道能量與對應的基頻通道能量比用來保證響度及音色還原。

　　3.1 諧波產(chǎn)生

　　圖1給出了1個簡單的乘法器諧波產(chǎn)生電路，設輸入信號x(t)為頻率為f₀的純音信號：

　　由式(3)可知，y(t)包含了輸入信號的2、3、4次諧波，濾去直流信號和基頻信號即可得到虛擬低音信號。上述結(jié)果是在輸入為純音信號的前提下推得的，對于復音信號輸入，不同頻率間的互調(diào)干擾會給輸入帶來一定程度的非線性畸變。

　　3.2 諧波幅度控制

　　虛擬音調(diào)理論只保證了諧波疊加所礙的虛擬低音信號與原低頻信號的音調(diào)保持一致，要得到理想的低音效果還原還需要考慮合成信號響度與音色同原信號的一致性。圖2為等響度曲線。

　　由圖2可以看出，在不同的頻率點，相同的聲壓級變化引起的響度變化是不同的。響度變化量與聲壓級變化量的比值 隨頻率的變化改變。例如在40 Hz頻率點上，聲壓級下降18 dB，響度大約下降60方;而在80 Hz處，降低同樣的聲壓級，響度約下降38方。R被定義為聲壓級-響度擴展比率(SPL-to-Phon Expansio Ratio)。在響度20-80方，頻率20-700 Hz范圍內(nèi)，R近似表示為

(4)

　　保持諧波信號響度對聲壓級的動態(tài)特性與基頻處一致對有效還原虛擬低音信號的響度與音色特征十分重要。設

(5)

　　式中，n為諧波階次。諧波信號能量與基頻信號能量應滿足關系：

(6)

　　式中，E_rf，E_f分別為倍頻點和基頻點的信號能量，以分貝為單位;K為增益常量。將式(6)轉(zhuǎn)化為線性坐標的能量關系得

(7)

　　式中，X_rf，X_f分別為倍頻點和基頻點的信號幅度。

　　3.3 算法的物理模型

　　本方案的諧波信號利用圖3所示的乘法回路生成無限階次的諧波信號，并利用衰減增益g消除高次諧波的影響。高通濾波器OUT-HPF和FB-HPF用來減小直流干擾和降低系統(tǒng)的互調(diào)畸變。這里OUT-HPF采用4階橢圓高通濾波器，截止頻率為正=150 Hz，HPF采用2階巴特沃思高通濾波器，截止頻率為f₁=40 Hz。Upwards Composer Logic模塊通過生成控制信號C(n)實現(xiàn)諧波幅度控制，以保證響度對聲壓級在各次諧波處的動態(tài)平衡。對于輸入In(n)，該模塊產(chǎn)生的相應的控制信號為c(n)：

(8)

　　式中，b₀，b₁，b₂，a₀，a₁，a₂為Upwards Composer Logic模塊決定的多項式系數(shù)。這一方法只能滿足對式(6)的近似實現(xiàn)，系統(tǒng)中RR(f,n)被近似為以階次n為變量與頻率無關的函數(shù)RRif,17,)，將相應的參數(shù)代入式(8)，計算得：

(9)

　　系統(tǒng)輸入為[f0f1]范圍內(nèi)的基頻信號，輸出為虛擬低音信號。將輸出信號與原信號頻率在f₁以上的高頻成分疊加即可得到虛擬低音增強信號

4 低音增強技術在平板電視中的應用

　　根據(jù)小型揚聲器的頻率響應，我們發(fā)現(xiàn)電視上所用揚聲器低頻截止頻率100～200 Hz之間，也就說明這樣的揚聲器不能很好地重現(xiàn)更低的頻率。用這些低頻驅(qū)動揚聲器是沒意義的，甚至是有害的。低頻率將迫使揚聲器做出超出其能力的范圍的移動，最終會給更高頻率造成更多的失真。本方案能夠很好地解決上述問題。本方案低音增強技術包括兩部分內(nèi)容：低音提升和虛擬低音。

　　4.1 低音提升

　　在揚聲器截止頻率附近的頻帶可以單純使用放大信號強度來補償信號的衰減，在此頻帶附近通過提高低音的幅度來增強低音在整個信號中的聲強，從而提升人對低音的感知。這個頻帶范圍由菜單中設定的TruBass Stopband Frequency和System Enhance Frequency決定。

　　4.2 虛擬低音技術原理

　　虛擬低音的產(chǎn)生是將聲音信號中頻率低于揚聲器截止頻率的部分來產(chǎn)生諧波，根據(jù)心理聲學的原理，這些諧波可以產(chǎn)生感知上的虛擬低音。虛擬低音產(chǎn)生原理框圖如圖4所示，采用高通濾波器，讓音頻信號中頻率大于揚聲器截止頻率以上的音頻信號通過高通濾波器，然后經(jīng)過采樣和編碼后存儲在內(nèi)存當中。再采用低通濾波器，將無法通過揚聲器表現(xiàn)出來的低頻內(nèi)容取樣出來，將其作為低頻補償基頻樣本?；l樣本經(jīng)過放大器放大，再送入諧波發(fā)生器產(chǎn)生同基頻諧波信號。產(chǎn)生的諧波再經(jīng)過第二次濾波，保留高于揚聲器截止頻率的連續(xù)3階諧波，將保留的諧波信號與已通過高通濾波器的原始聲音信號疊加后送給功放輸出。由于主觀對低音增強的音質(zhì)要求不一樣，所以在電視工廠菜單中增加相應的參數(shù)調(diào)整選項。根據(jù)聲音輸入頻率的不同，高通濾波器可以通過工廠菜單中的開關關閉與打開，使之與產(chǎn)生的諧波相匹配。經(jīng)過濾波器的聲音通過放大器放大，相應的放大倍數(shù)也可以通過工廠菜單來調(diào)整，使之產(chǎn)生的諧波與原始信號相匹配，避免造成聲音信號的不和諧。圖5為某音頻信號分離前后頻譜圖。

　　4.3 低音提升調(diào)試參數(shù)設計

　　由于每種揚聲器的頻率響應特性不同，需在電視的工廠菜單中設置低音提升的控制參數(shù)來匹配不同的揚聲器。工廠菜單中調(diào)試界面如圖6所示。各控制參數(shù)描述如下：

　　Enable_Sys: 低音提升開關，on即打開低音提升，off則關掉該功能

　　StopBandFreq_Sys:揚聲器低頻截止頻點

　　Harmonic Gain：主諧波增益

　　SubHarmonic Gain：二階諧波增益

　　TreHarmonica Gain：三階諧波增益

　　Sys_EnhanceFreq:低音提升頻帶終止點

　　Tru_StopbandFreq:低音提升起始點

　　Set_BassGain:低音提升的增益

　　Enable_HPF:高通濾波器開關，On打開、Off關閉

　　StopBandFreq_HPF:高通濾波器截止頻點

　　Enable_PF:帶通濾波器開關，On打開、Off關閉

　　Gain_PF:帶通濾波器增益

　　CenterFreq_PF: 帶通濾波器中心頻點

　　BandWidth_PF: 帶通濾波器帶寬

　　根據(jù)上述參數(shù)，設置成圖6中所示數(shù)據(jù)，測得100 Hz聲音信號產(chǎn)生的虛擬諧波信號如圖7所示。

5 總結(jié)

　　基于心理聲學的低音增強技術關鍵點在于利用人聽覺系統(tǒng)的特性，運用諧波算法和諧波幅度控制的方法，將低于揚聲器截止頻率的聲音信號產(chǎn)生保留其原有響度和音色的多階諧波，再疊加到原始聲音信號中，很大程度上提升了小尺寸揚聲器的低音效果。本方案的實施只需修改聲音部分的軟件代碼和調(diào)節(jié)菜單中控制參數(shù)，不需要增加系統(tǒng)的硬件成本，對揚聲器沒有特殊要求，該技術可以廣泛應用于具備電聲特性的產(chǎn)品中。

　　參考文獻：

　　[1]趙力.《語音信號處理》

　　[2]David M.Howard &Jamie Angus 《ACOUSTICS AND PSYCHOACOUSTICS》

　　[3]Thomas F.Quatieri 《Discrete-Time Speech Signal Processing:Principles and Practice》

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第77頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。