声音信号的分析和处理

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1、1信号与系统课程设计语音信号的分析和处理学 院： 通信与信息工程学院班 级： 2010012030 班学 生： 李雷 （2010012030018） 阚姗蕾（2010012030037）指导教师： 崔琳莉2011 年 12 月 19 日2一、摘要声音是由物体的振动产生，以声波的形式在介质中传播，介质主要可分为固体，液体以及气体。声波振动内耳的听小骨，这些振动被转化为微小的电子脑波，它就是我们觉察到的声音。内耳采用的原理与麦克风捕获声波或扬声器的发音一样，它是移动的机械部分与气压波之间的关系。在国际标准中，人声的频率范围是 300Hz3400Hz，不同的人或乐器产生的声音频率不一致，通过对声音信

2、号的研究能够更好的处理声音信号的处理以及传输。Matlab 作为一款主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算软件，能够很好的完成对声音信号的分析和处理，快速的得出声音信号的时域图以及频域图。关键字：声音 频率 时域图 频域图 MatlabSound comes from the shake of objects and spreads in the form of waves in medium consists of solid, liquid and gas. Sound waves shake the ossicles in the ears , transformed i

3、nto final electronic brain waves and then we hear the sound. The principle the ear works which is the same as the principle the microphone and the speaker works ,is using the relation between mechanical part and barometric wave. In ISO, the frequency domain is from 300Hz to 3400Hz, differs in differ

4、ent people and musical instruments. The study of the sound signal help to better deal with the signals. As a software major in scientific calculation, Matlab is visual and interactive. It is capable of perfectly finishing the analysis and dispose of the sound signal by sketching the time domain figu

5、re and frequency domain figure.Key words: sound , frequency ,time domain figure ,frequency domain 3figure, Matlab二、实验要求通过 MATLAB 的函数 wavread()可以读入一个.wav 格式的音频文件，并将该文件保存到指定的数组中。例如下面的语句（更详细的命令介绍可以自己查阅 MATLAB 的帮助）中，将.wav 读入后存放到矩阵 y 中。y = wavread(SpecialEnglish.wav);对于单声道的音频文件，y 只有一行，即一个向量；对于双声道的音频文件，y

6、有两行，分别对应了两个声道的向量。我们这里仅对一个声道的音频进行分析和处理即可。注意：.wav 文件的采样频率为 44.1KHz，采样后的量化精度是16 位，不过我们不用关心其量化精度，因为在 MATLAB 读入后，已将其转换成 double 型的浮点数表示。在获得了对应音频文件的数组后，我们可以对其进行一些基本的分析和处理。可以包括：1、对语音信号进行频域分析，找到语音信号的主要频谱成分所在的带宽，验证为何电话可以对语音信号采用 8KHz 的采样速率。2、分析男声和女声的差别。我们知道男声和女声在频域上是有些差别的，一般大家都会认为女声有更多高频的成分，验证这种差别。同时，提出一种方法，能够

7、对一段音频信号是男声信号、还是女声信号进行自动的判断。3、语音与乐器音频的差别。比较语音信号与乐器音频信号的差别，尤其是在频域上的差别。4、.wav 文件的采样速率为 44.1KHz，仍然远远高于我们通常说的语音信号需要的频谱宽度，例如在电话对语音信号的采样中，我们仅仅使用 8KHz 的采样速率。对读入的音频数据进行不同速率的降采样，使用 wavplay()命令播放降采样后的序列，验证是否会对信号的质量产生影响。降采样的方法很简单，例如命令 y = wavread(SpecialEnglish.wav);将语音文件读入后保存在向量 y4中，这时对应的采样频率为 44.1KHz。使用 y1 =

8、y(1:2:length(y)命令，就可以将原序列 y 每隔 1 个采样后放入序列 y1 中，这时 y1 序列对应的采样频率即为 22KHz。5、自己下载获得一段中文语音信号（可以使用诸如“千千静听”等工具将.mp3文件转换成.wav 文件） ，对中文语音与英文语音进行比较。三、实验内容3.1、对语音信号进行频域分析，找到语音信号的主要频谱成分所在的带宽，验证为何电话可以对语音信号采用 8KHz 的采样速率。对声音信号 的频谱图进行分析，使用 Matlab 绘制该语音信号的频谱图，)(tx观察频谱图，读出声音信号的频率范围，由采样定理可知，如果需要重建声音信号 ，需产生一个周期冲激串，其冲激幅

9、度就是采样得到的样本值，将该冲激串通过一个增益为 T，截止频率为 ，而小于 的理想低通滤波MMs器，该低通滤波器的输出就是 。)(tx使用 Matlab 中的快速傅里叶变换(fft)，绘制出声音文件 的时域图和频)(tx域图，对频域图进行分析，观察可得声音信号 的主要频率范围为 200Hz1 )(tx800Hz，根据采样定理可得，采样频率应不小于 3 600Hz，故电话使用 8kHz 的采样频率能保证声音无失真采样及恢复。 5程序代码：x,fs,bits=wavread(相声.wav); %将原声音信号转化为字符串%subplot(211);plot(x); %绘制声音信号的时域图%title

10、(时域分析图);subplot(212);y=fft(x,fs);df=fs/length(y); fx=df*(0:length(y)-1); %将横坐标转化为频率值%plot(fx,abs(y); %绘制声音信号的频谱图%axis(0 8000 0 500);title(频域分析图);3.2、分析男声和女声的差别。我们知道男声和女声在频域上是有些差别的，一般大家都会认为女声有更多高频的成分，验证这种差别。同时，提出一种方法，能够对一段音频信号是男声信号、还是女声信号进行自动的判断。首先，我们选择了普通的男生和女生分别演唱同一首歌，用 matlab 分别绘6出两段声音信号的频谱图, 从图中可

11、以看出，男生的声音频率主要分布在200Hz800Hz,女生的声音频率主要分布在 300Hz1800Hz,女生的声音高频成分较多。这是因为，声波是由物体振动产生的机械波，男人声带宽而厚，振动频率低；女人声带窄而薄，振动频率高。而我们平时所感受得男生声音低沉，女生声音尖细，则是由于发声时男女声带的振动频率的高低不同，所以男女音调的高低不同。 7使用 Matlab 对男声女声的声音信号在不同频率的分布比例进行分析，运行程序后可得出，在低频范围（150Hz1000Hz）内男声低频比例 n1=9.5343e-006 女声低频比例 n2= 8.6394e-006 在高频范围（1000Hz1800Hz）内男

12、声高频比例 m1=7.5965e-006 女声高频比例 m2=8.2355e-006以上的数据计算进一步验证了女声频率较高的假设，我们可以通过这种计算来分辨男声女声。程序代码：%画男生声音、女生声音的频谱图y1=wavread(lu_ll.wav);Fs=44100; %采样频率%yt1=fft(y1); %傅里叶变换%df=Fs/length(yt1);Fx=df*(0:length(yt1)-1); %将横轴变为频率轴%figure(1)subplot(211); %subplot 将图像画在一张图上%8plot(y1);title(男声时域波形); %画语音信号的时域波形%subplot

13、(212);plot(Fx,abs(yt1); axis(0 10000 0 10000);title(男声频谱图);xlabel(频率/Hz); y2= wavread(lu_ksl.wav);Fs=44100; %采样频率%yt2=fft(y2); %傅里叶变换%df=Fs/length(yt2);Fx=df*(0:length(yt2)-1); %将横轴变为频率轴%figure(2)subplot(211); %subplot 将图像画在一张图上%plot(y2);title(女声时域波形); %画语音信号的时域波形%subplot(212);plot(Fx,abs(yt2); axis

14、(0 10000 0 5000);title(女声频谱图);xlabel(频率/Hz);%计算男生和女生信号中高频和低频信号所占的比例：y1 Fs=wavread(lu_ll.wav);y1=y1(:,1); yt1=fft(y1);y2 Fs=wavread(lu_ksl.wav);y2=y2(:,1);yt2=fft(y2);sum1=0;for i=200:1000 %计算男声的低频比例%sum1=sum1+abs(yt1(i);endsum=0;for i=1:length(yt1)sum=sum+abs(yt1(i);endn1=sum1/sum;9sum1%低频信号量sum%总信号

15、量n1%比例sum1=0;for i=200:1000 %计算女声的低频比例%sum1=sum1+abs(yt2(i);endsum=0;for i=1:length(yt2)sum=sum+abs(yt2(i);endn2=sum1/sum;sum1sum n2 %高频%sum1=0;for i=3000:3800 %计算男声的高频比例%sum1=sum1+abs(yt1(i);endsum=0;for i=1:length(yt1)sum=sum+abs(yt1(i);endm1=sum1/sum;sum1summ1sum1=0;10for i=3000:3800 %计算女声的高频比例%sum1=sum1+abs(yt2(i);endsum=0;fo