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文档简介
1、第10章 声学仿真试验,10.1 回声试验 10.2 多普勒效应 10.3 声学信号的滤波特性试验 10.4 交混回响 10.5 短时傅立叶变换,10.1 回声试验,10.1.1 回声的基本原理 回声是一种物理现象。当直达声结束后,声音经其它物体反射、折射,又返回来收到的声波,称为回声。回声有时泛指一切反射回来的声音。当传到人耳的直达声和回声之间的时间差在1/20s以上时,可以很清楚地把它们区分开。在山谷或大厅中,常有回声现象发生。尤其是在影剧院里,回声往往会妨碍听音,所以建筑师必须考虑消除回声的影响。相反,直达声和回声之间的时间差在1/20s以下时,回声不但不妨碍听音,反而使声音更加响亮。,
2、应用MATLAB软件可以方便地进行仿真试验。回声现象取决于几个重要的物理参数: (1)声源距离听者有多远。 (2)声音产生往复反射的两个反射体距离有多远。 (3)声音的反射体在反射声音的过程中对声音的衰减有多大。(假设听者在声源与反射体之间的某个位置上。),10.1.2 回声的仿真试验 图10-1所示是回声的仿真试验系统。图中1800的延迟代表了声音在两个反射体之间走一个来回的延迟(1800/Fs秒),它的值愈大,反映了两个反射体的距离愈大。图中0.8的增益代表了声音在两个反射体之间走一个来回的损耗,它愈小,回声衰减愈快。图中0.9的增益代表了传输损耗。图10-2所示是仿真试验时示波器上显示的
3、波形图,上图是原声,下图是往复反射的回声波形图。如果计算机装有声卡和音箱,可以听到扬声器发出的回声声音。放大器增益和整数延迟,可以看图标注。,图10-1 回声仿真试验系统框图,图10-2 回声仿真试验时域图,回声的仿真试验的模型参数设置分析:回声的仿真试验的模型参考了MATLAB中Toolboxdspblksdspdemosdspafxr的DEMOS例子,在仿真系统中设置了Reshape(整形器),主要参数见表10-1,ToWaveDevice(扬声器)的主要参数见表10-2,FromWorkspace(声源)的主要参数见表10-3,它以帧的形式输出。整形器的设置目的是将信号转变为示波器能够接
4、受的1维数据流。,表10-1 Reshape(整形器)的主要参数,表10-2 ToWaveDevice(扬声器)的主要参数,表10-3 FromWorkspace(来自工作空间)的主要参数,在10.1、10.4、10.5节中都需要一段声音文件来进行仿真试验。可以有两种方法获得声音文件: (1)调出MATLAB中的声音文件“loadmtlb.mat”。 (2)应用6.2.2节介绍的声音采集的方法,建立一个声音文件。譬如文件名是Soud11.mat。 通过下列程序调入仿真的声音数据并启动仿真。Echo11是图10-1所示的仿真系统的名字(文件名)。 程序10-1 loadsoud11 %读入声音数
5、据文件soud11 sim(echo11),10.2 多普勒效应,10.2.1 多普勒效应的基本原理 当波源或观察者相对于媒质运动时,或者说波源和观察者有相对运动时,观察者接受到的振动频率与波源振动频率不同的现象,称为多普勒效应。 当听者与声源的相对速度大到与声速可以比拟时,就可以明显地感觉到声音频率的变化。,譬如坐火车时,听到相向开来的火车汽笛声,当火车由远而近开来,汽笛声的音调变高;由近而远离去,汽笛声的音调变低。这是日常生活中的一个多普勒效应的例子。在天文、通信等领域还有众多的例子。 以下的公式描述了该现象的各个物理量之间的定量关系: 其中,f0是声源发出的声音的频率,v是听者与声源相对
6、运动的速度,为速度矢量与声源和听者的连线夹角,vs为声音在空气中传播的速度,f是听者听到的声音频率。 ,(10-1),10.2.2 多普勒效应的仿真试验 Simulink仿真模型是参考MATLAB中的Toolboxdspblksdspdemosdspstfft建立的。 下面是一段用MATLAB的M文件编写的程序。它产生一个文件名为u1的表现多普勒效应的声音文件,描述火车向一个距铁路30m(垂直距离)、距火车510m(水平距离)的听者开来时他听到的声音。将u1送入图10-3所示的仿真系统,再一次听到该声音,并且看到用两种方法(频谱仪和矩阵图仪)表现的声音的时频图。表10-4表10-11分别是图1
7、0-3所示仿真系统中各个模块的主要参数。图10-4所示是M文件程序运行结束时绘出的声音信号的原声波形(上图)和多普勒效应的波形(下图)。图10-5所示是某个时刻图10-3中的频谱仪(左图)和矩阵仪(右图)上显示的时频图。,图10-3 显示声音信号(多普勒响应)的仿真系统模型,表10-4 FromWorkspace(来自工作空间)的主要参数,表10-5 Rebuffer(缓存器)的主要参数,表10-6 ShortTimeFFT(短时傅立叶变换)的主要参数,表10-7 FrequencyFrameScope(频率帧示波器)的主要参数,表10-8 MatrixViewer(矩阵显示图仪)的主要参数,
8、表10-9 Select(选择器)的主要参数,表10-10 dB(分贝)的主要参数,表10-11 ToWaveDevice(扬声器)的主要参数,图10-4 声源发出的信号(上图)和 听者接收到的信号(下图,多普勒效应),图10-5 频谱仪显示(左图)和矩阵表示(右图),相应程序如下: 程序10-2 %多普勒效应程序 x0=550; v=150;%车速 y=30; c=330;%声音在空气中的传播速度 w=2200;%声音的频率 t=0:.0005:30;,r=sqrt(x0-v*t).2+(y).2);%计算声源与听者距离 t1=t-r/c;%经距离迟延后听者的等效时间 u=1.5*sin(w
9、*t);%声源发出的信号 u1=1.5*sin(w*t1);%听者接收到的信号 sound(u,10000);pause(5);sound(u1,10000);%将原信号和接收到的信号恢复为声音 figure(1) subplot(2,1,1) plot(u);axis(11500,11700,-2.2,2.2) subplot(2,1,2) plot(u1,r);axis(5500,7800,-2.2,2.2),10.3 声学信号的滤波特性试验,10.3.1 声音滤波的应用 数字信号处理课程中详细地讨论了各种数字滤波器的设计方法,本例是数字滤波器应用在声学领域的一个例子。原始的声音由三个单音
10、频组成,采用低通滤波器,可以将高音频的信号滤除;采用带通滤波器,可以只让某一个频率的音频信号通过。编程的要点是在正确地选择采样频率的基础上,正确地选取通带和阻带的截止频率,以保证滤掉和保留下预想的频率。,10.3.2 声音滤波的仿真试验 下面是一段声音滤波的仿真试验的程序。300Hz、500Hz、1000Hz的三个正弦波信号叠加构成本例的原信号,通过低通滤波器后滤掉了1000Hz的信号。图10-6中的上面两幅图,是表示低通滤波器传输特性的幅频图和相频图。通过带通滤波器后只剩下1000Hz的信号。图10-6中的下面两幅图,是表示带通滤波器传输特性的幅频图和相频图。,图10-6 滤波器的幅频特性和
11、相频特性(上,低通;下,带通),图10-7所示是信号的频谱特性。从上到下依次是三个音频信号;通过低通滤波器后,1000Hz的信号滤掉了,仅剩300Hz和500Hz的信号;通过中心频率为1000Hz带通滤波器后,仅剩1000Hz的信号。程序运行结束时,可以听到依次发出的三种信号的声音。,图10-7 信号的频谱特性 (上,原信号;中,通过低通;下,通过带通),程序10-3 t=1/10000:1/10000:3;%设置三个频率的正弦信号 %300Hz,500Hz,1000Hz s1=sin(2*pi*300*t); s2=sin(2*pi*500*t); s3=1.2*sin(2*pi*1000*
12、t); s=s1+s2+s3;%三个正弦波信号叠加 figure(1),subplot(3,1,1); ss=fft(s,4096);SS=abs(ss(1:1:2049);%求合成信号的频谱 k1=0:2048;w1=(1/.4096)*k1;%取0.Fs/2的部分 plot(w1,SS);grid%画频谱图 axis(0,2000,-100,2200) title(原信号频谱图) %通过低通滤波器 ws1=1000;%设计一个通带为600Hz、阻带为1000Hz的低通滤波器,wp1=600; wc=5000; wp=wp1/wc;ws=ws1/wc; n,Wn=cheb2ord(wp,ws
13、,1,30)%切比雪夫II型滤波器设计 b,a=cheby2(n,30,Wn); subplot(3,1,2) sb=3*filter(b,a,s);%合成信号通过低通滤波器 ssb=fft(sb,4096);SSb=abs(ssb(1:1:2049);%求频谱 k1=0:2048;w1=(1/.4096)*k1;%画频谱图 plot(w1,SSb);grid axis(0,2000,-100,6500) title(经过低通滤波器后的信号频谱图),%通过带通滤波器 ws1=6001400;%设计一个阻带为6001400Hz、 wp1=9801020;%通带为9801020Hz的带通滤波器 w
14、c=5000; wp=wp1/wc;ws=ws1/wc; n,Wn=cheb1ord(wp,ws,4,45,s)%切比雪夫I型滤波器 bd,ad=cheby1(n,4,Wn,bandpass); subplot(3,1,3) sd=3*filter(bd,ad,s);%合成信号通过低通滤波器,ssd=fft(sd,4096);SSd=abs(ssd(1:1:2049);%求频谱 k1=0:2048;w1=(1/.4096)*k1; plot(w1,SSd);grid%画频谱 axis(0,2000,-100,4000) title(经过带通滤波器后的信号频谱图) figure(2)%画低通滤波
15、器的幅频、相频图 freqz(b,a,4096,10000);axis(0,4000,-70,1),figure(3)%画带通滤波器的幅频、相频图 freqz(bd,ad,4096,10000);axis(0,4000,-70,1) %依次用扬声器播放合成音、通过低通后、通过带通后的声音 sound(s,10000);pause(5);sound(sb,10000); pause(5);sound(sd,10000),10.4 交混回响,10.4.1 交混回响的应用 在一间有若干个扬声器的礼堂里,处在某一个特定位置听到的声音是什么效果,可以用仿真的方法来实现。为了简化问题,假定墙面上有吸音的材
16、料,即忽略了墙壁的反射。编程仿真的思想是:电信号在电线里传输的时间可以忽略,但是当相距若干米的扬声器发出的声音到达听者的位置时,不同扬声器的声音经过了不同的路程,路程的差别产生相位差,所有带有不同相位的声音的叠加就产生了交混回响的效果。,10.4.2 交混回响的仿真试验 图10-8所示是交混回响仿真试验中的扬声器布置图,A、B、C是三个接到同一声源的扬声器,它距离听者的水平和垂直距离标注在图上。下面是用M文件编制的程序,它的运行绘出了原声和交混回响的声音时域波形。图10-9所示是声音信号的时域图,并且依次播放出原声和交混回响的声音效果。,图10-8 交混回响仿真试验中的扬声器布置,图10-9声
17、音信号的时域图 (上,原信号;下,听到的交混回响的信号),程序10-4 loadsoud11%读入声音数据文件soud11 y=soud11;fs=8000; N1=8600; v=330;%声音速度 b1=(202+452).5;%计算听者到扬声器B的距离 yb1=zeros(1,(fs*b1/v),y;%听者听到扬声器B的声音 yb=yb1(1:N1); a1=(202+152).5;%计算听者到扬声器A的距离 ya1=zeros(1,(fs*a1/v),y;%听者听到扬声器A的声音,ya=ya1(1:N1); c1=(352+652).5;%计算听者到扬声器C的距离 yc1=zeros(
18、1,(fs*c1/v),y;%听者听到扬声器C的声音 yc=yc1(1:N1); ye=1.6*ya+2*yb+1.2*yc;%听者听到三个扬声器的声音叠加 subplot(211);plot(y);grid subplot(212);plot(ye);grid sound(y,fs);pause(2);sound(1.2*ye,fs)%播放原声后播放合成的声音,10.5 短时傅立叶变换,10.5.1 短时傅立叶变换的基本原理 傅立叶变换将信号系统的时间域和频率域的特性联系起来,这一工具在处理平稳信号时,因为信号的统计特性(平均值、方差以及频率特性)都不是时间的函数,因此,在求其频谱特性时,应
19、用了从负无穷到正无穷的时间积分。,(10-2),当信号是一个非平稳信号时,它的频率特性是时间的函数,上面的方法就不能正确地反映出信号的特性,因为在不同的时段内有不同的频率特性。应用短时傅立叶变换: (10-3) 可以正确地反映出非平稳信号的频率特性,此时的频谱特性已经是时间和频率的二维函数。 公式中的W可以看成是一个窗函数,短时傅立叶变换的基本思路是把非平稳信号分割为若干小的时段,在每个小时段内把信号看成是平稳的。各个时段的频率特性的排列,就构成了信号的时频特性。时窗愈窄,它的时间分辨率愈高。,10.5.2 短时傅立叶变换的仿真试验 Simulink仿真模型是参考MATLAB中的Toolbox
20、dspblksdspdemosdspstfft构建的,并且设置了ToWaveDevice(扬声器)和WaterfallScope(瀑布图仪),如图10-10所示。,图10-10 显示声音信号(用于短时傅立叶变换)的仿真系统模型,下面程序说明:首先调出声音文件Soud11;然后运行mdl文件“dspstfftme3”,把“dspstfftme3”的声音信号的数据用ToWorkspace模块收集,变量名为sA,将数据序列sA作分段傅立叶变换,目的是将声音信号的时间频率特性用三维图形表示出来。 程序10-5 loadsoud11 sim(dspstfftme3) S,F,T=specgram(sA,128,1/8000,16);%求解短时傅立叶变换%将数据序列sA作N点傅立叶变换,Fs,Nbit的意
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