1、實(shí)驗(yàn)二 嘯叫檢測(cè)與抑制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 認(rèn)識(shí)擴(kuò)音系統(tǒng)中的嘯叫現(xiàn)象；2、 了解嘯叫產(chǎn)生的條件；3、 分析嘯叫信號(hào)的頻譜；4、 掌握嘯叫信號(hào)檢測(cè)的方法；5、 掌握嘯叫抑制的原理；6、 實(shí)現(xiàn)嘯叫抑制。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、音頻功率放大系統(tǒng)；、錄音機(jī)；、計(jì)算機(jī)；、matlab軟件三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、認(rèn)識(shí)嘯叫及其危害聲反饋現(xiàn)象在日常生活中非常常見(jiàn)。在多動(dòng)能報(bào)告廳，KTV等同時(shí)出現(xiàn)揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的場(chǎng)合，由于揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間存在電聲耦合，必然會(huì)導(dǎo)致聲反饋現(xiàn)象的產(chǎn)生。聲反饋會(huì)在反饋回路中產(chǎn)生再生混響，使講話、唱歌的聲音嚴(yán)重失真，音質(zhì)受到破壞 ，清晰度大大降低。嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生自激嘯叫，限制擴(kuò)聲系統(tǒng)傳聲增益的提升，使

2、整個(gè)系統(tǒng)的正常工作受到影響。還可能會(huì)燒毀系統(tǒng)放大器、揚(yáng)聲器中的高音單元，甚至?xí)?duì)人的聽(tīng)力造成損傷。所以，在應(yīng)用到擴(kuò)聲系統(tǒng)的場(chǎng)合，嘯叫的檢測(cè)和抑制非常重要。2、嘯叫信號(hào)產(chǎn)生的原理聲音信號(hào)首先從麥克風(fēng)拾入，經(jīng)過(guò)擴(kuò)聲系統(tǒng)的功率放大器放大后由揚(yáng)聲器送出，經(jīng)過(guò)各種障礙物的多次反射后，又被麥克風(fēng)拾入，從而形成一個(gè)閉合環(huán)路。如果傳聲器對(duì)某些頻點(diǎn)的拾音靈敏度過(guò)高，導(dǎo)致聲音在這些頻點(diǎn)的增益是正值，就形成了一個(gè)正反饋過(guò)程，聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)多次反復(fù)循環(huán)放大后，在某些頻點(diǎn)的聲音強(qiáng)度超過(guò)一定的增益上限，就會(huì)發(fā)生自激振蕩，從而產(chǎn)生嘯叫。 圖1聲反饋原理圖嘯叫的產(chǎn)生必須同時(shí)具備以下三個(gè)條件：（1）揚(yáng)聲器和拾音設(shè)備（麥克風(fēng)）要處

3、于同一聲場(chǎng)中，從而保證揚(yáng)聲器輸出的信號(hào)能被拾音設(shè)備再度采集，形成正反饋；（2）拾音設(shè)備的拾音靈敏度高，系統(tǒng)的傳聲增益大；（3）聲場(chǎng)存在缺陷共振，即擴(kuò)聲系統(tǒng)的頻譜特性不平坦，在某些頻點(diǎn)上容易出現(xiàn)共振。3、嘯叫信號(hào)的特征為了檢測(cè)和抑制嘯叫信號(hào)，需要對(duì)嘯叫信號(hào)的基本特性做一定的分析，對(duì)嘯叫信號(hào)在時(shí)域和頻域上進(jìn)行分析，最終得出以下結(jié)論：嘯叫信號(hào)的時(shí)域波形是一個(gè)頻率恒定的正弦波，其幅值隨著時(shí)間的增加迅速增大，直到超出了功放放大區(qū)，進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)時(shí)，產(chǎn)生削波現(xiàn)象，如圖2所示。嘯叫信號(hào)的頻譜圖中存在單一的，并且固定不變的嘯叫頻率點(diǎn)，并且嘯叫頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于語(yǔ)音信號(hào)中其他頻率點(diǎn)的幅值，如圖2所示。

4、圖2 嘯叫時(shí)時(shí)域波形圖3 嘯叫時(shí)頻域波形該實(shí)驗(yàn)要做的主要工作就是在聲反饋建立的初期，在盡可能少的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出嘯叫對(duì)應(yīng)的的頻率點(diǎn)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的陷波器將其抑制掉，保證系統(tǒng)工作在正常的線性放大區(qū)，預(yù)防諧波信號(hào)的產(chǎn)生。4、嘯叫抑制的方法及原理對(duì)嘯叫的抑制方法大體上分為被動(dòng)型預(yù)防和主動(dòng)型控制兩大類。被動(dòng)型預(yù)防是根據(jù)聲場(chǎng)特性，從擴(kuò)聲系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、聲場(chǎng)布局以及聲場(chǎng)調(diào)整等環(huán)節(jié)著手做好預(yù)防嘯叫的工作；主動(dòng)型控制力求在控制嘯叫的同時(shí)提高擴(kuò)聲系統(tǒng)的傳聲增益。主要有以下幾種方法：基于建筑聲學(xué)特性在音響界，最初解決回聲嘯叫的辦法是通過(guò)降低擴(kuò)聲系統(tǒng)的增益來(lái)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，但是，這樣就無(wú)法完全滿足擴(kuò)聲音量的

5、需要。所以，工程技術(shù)人員開(kāi)始在室內(nèi)建筑聲學(xué)、結(jié)構(gòu)聲學(xué)以及室內(nèi)裝飾裝修方面下功夫，來(lái)解決聲反饋問(wèn)題和嘯叫現(xiàn)象。但是，這種方法只是被動(dòng)地抑制嘯叫，造價(jià)及施工難度太大，不具有普遍推廣意義。（2）均衡法圖4 均衡器均衡法的原理就是通過(guò)衰減或切除聲音信號(hào)中某些過(guò)強(qiáng)的頻率來(lái)抑制住聲反饋。均衡器首先將聲音頻率進(jìn)行分段，然后通過(guò)調(diào)節(jié)各頻率段增益來(lái)彌補(bǔ)聲場(chǎng)合揚(yáng)聲器的缺陷，達(dá)到抑制某一頻點(diǎn)嘯叫的目的。但是，這個(gè)方法需專業(yè)音響師手動(dòng)調(diào)節(jié)，要求音響師準(zhǔn)確判斷嘯叫頻點(diǎn)并迅速做出反應(yīng)；其次，在實(shí)際操作中，由于均衡器對(duì)嘯叫頻點(diǎn)的定位不夠精確，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷音質(zhì)。移頻法 移頻就是移動(dòng)頻率，移頻器的工作原理是對(duì)聲音信號(hào)的頻點(diǎn)向上或

6、向下移幾個(gè)或幾十個(gè)頻點(diǎn)，破壞構(gòu)成聲反饋的條件，最終達(dá)到防止嘯叫的目的。但是，移頻法導(dǎo)致了整個(gè)聲音頻率范圍內(nèi)的頻率失真，對(duì)音質(zhì)損傷較大；而且，移頻器的工作狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)有無(wú)嘯叫點(diǎn)沒(méi)有關(guān)系，這樣就會(huì)造成新的失真。因此，應(yīng)該盡量少用這種方法。壓限器 它的工作原理是根據(jù)輸入聲音信號(hào)的大小自動(dòng)改變輸出信號(hào)的增益。當(dāng)聲音信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定的電平值時(shí)，壓縮器就將壓縮比調(diào)到：1，語(yǔ)音信號(hào)強(qiáng)度就不會(huì)再繼續(xù)增大，嘯叫也就自然而然地被消除掉了。但是，這種抑制方法會(huì)對(duì)聲音帶來(lái)動(dòng)態(tài)損失，不適宜要求較高的場(chǎng)合。（5）窄帶陷波器利用頻譜分析和判定條件找出聲音信號(hào)的嘯叫頻率點(diǎn)，設(shè)計(jì)參數(shù)可調(diào)的數(shù)字陷波器對(duì)聲反饋頻點(diǎn)進(jìn)行抑制。由于窄帶

7、陷波器在某個(gè)很窄的頻帶內(nèi)有很大的衰減，因此對(duì)嘯叫頻點(diǎn)定位精度高，陷波器帶寬窄，可以較為準(zhǔn)確地抑制嘯叫頻點(diǎn)，而且對(duì)音質(zhì)的損傷比較低，適合于對(duì)音質(zhì)要求較高的場(chǎng)合。5 嘯叫抑制系統(tǒng)基本性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的嘯叫抑制系統(tǒng)要具備以下條件：第一，陷波器的阻帶帶寬要越窄越好，這樣可以減少聲音的動(dòng)態(tài)失真。第二，對(duì)嘯叫頻點(diǎn)進(jìn)行抑制時(shí)，衰減量的陷波深度越深越好，保證對(duì)嘯叫的完全抑制；第三，嘯叫頻率出現(xiàn)在任何頻點(diǎn)，系統(tǒng)都可以自動(dòng)檢測(cè)到該頻點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行抑制；該實(shí)驗(yàn)的性能指標(biāo)如下：處理字長(zhǎng)：16bit二階IIR數(shù)字陷波器陷波濾波器頻率范圍：100Hz-5KHz陷波濾波器帶寬：1/10倍頻程頻率定位精度：1Hz響應(yīng)時(shí)間：1s6

8、、系統(tǒng)算法及其實(shí)現(xiàn)6.1 嘯叫的檢測(cè)和判定算法6.1.1 簡(jiǎn)單的檢判算法傳統(tǒng)的嘯叫檢測(cè)是利用FFT算法實(shí)現(xiàn)的，用FFT算法對(duì)每幀信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，求得對(duì)應(yīng)的功率譜，然后計(jì)算出判決值R,計(jì)算公式如下： （1）在1式中，是信號(hào)功率譜中的最大幅值，所對(duì)應(yīng)得頻率點(diǎn)是，為每幀信號(hào)中所有功率幅值的平均值。如果在連續(xù)的一段時(shí)間，判決值都比預(yù)設(shè)門限值T高,且最大幅值對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)都為同一個(gè)值，則判定為嘯叫頻點(diǎn)。6.1.2 細(xì)化頻譜分析算法用上面的算法對(duì)聲音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析時(shí)，分辨率為： （2）顯而易見(jiàn)，該算法的頻率分辨率過(guò)低，我們可以采用CZT算法來(lái)細(xì)化頻譜分析。下面簡(jiǎn)單的介紹一下CZT算法:CZT（Chirp

9、 Z-transform）算法的實(shí)質(zhì)就是對(duì)z變換采用螺線抽樣。z變換的定義式為： （3）其中，是有限長(zhǎng)序列。若令抽樣點(diǎn)，沿z平面上的一段螺線作等分角抽樣，就可以得到抽樣點(diǎn)處的z變換： （4）其中，為起始抽樣點(diǎn)的矢量半徑長(zhǎng)度，為起始抽樣點(diǎn)的相角，為螺線的伸展率（當(dāng)，為螺線內(nèi)縮；當(dāng)，為螺線外伸），為相鄰抽樣點(diǎn)的角度差（當(dāng)，為逆時(shí)針；當(dāng)，為順時(shí)針），M為要分析的復(fù)頻譜點(diǎn)數(shù)。令，就可以得到范圍的頻譜，CZT算法的頻率分辨率為。可見(jiàn)，CZT算法可以任意選取的頻率范圍進(jìn)行分析，可以根據(jù)所需的頻率分辨率來(lái)確定頻率取樣點(diǎn)數(shù)M。CZT算法的原理示意圖如圖5所示：圖5 CZT算法原理圖CZT算法細(xì)化頻譜效果如圖6

10、所示，第一幅圖是直接利用FFT變換后的頻譜圖，第二幅圖是利用CZT變換后的細(xì)化頻譜圖。圖6 CZT細(xì)化頻譜效果圖在對(duì)嘯叫信號(hào)進(jìn)行頻域分析時(shí)，如果使用CZT對(duì)整個(gè)頻域進(jìn)行頻譜分析，那么需要N*M次復(fù)乘，（N-1）M次復(fù)加，運(yùn)算量非常大。按照CZT算法頻率分辨率的公式，其中為整個(gè)頻帶范圍，要想提高分辨率，只能通過(guò)增加頻率采樣點(diǎn)數(shù)M來(lái)實(shí)現(xiàn)，而嘯叫檢測(cè)系統(tǒng)要求的頻率分辨率又很高，需要的M值就會(huì)很大，使運(yùn)算量大大增加。6.1.3 頻譜分析方案設(shè)計(jì)綜上所述，F(xiàn)FT算法頻率分辨率太低，達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)CZT算法運(yùn)算量又太大。綜合考慮FFT算法和CZT算法的優(yōu)缺點(diǎn)，我們采用一個(gè)折中的辦法：先利用FF

11、T算法對(duì)整個(gè)頻域進(jìn)行粗分析，一旦檢測(cè)到疑似聲反饋頻率點(diǎn)存在，就利用設(shè)定CZT算法的和，其中，然后對(duì)頻帶范圍進(jìn)行頻譜細(xì)化分析，如圖7所示。這種算法在保證較高頻率分辨率的同時(shí)減小了CZT算法的運(yùn)算量,綜合性能較好。圖7 FFT+CZT算法示意圖7、 聲反饋抑制算法實(shí)現(xiàn)7.1 方案簡(jiǎn)述本實(shí)驗(yàn)采用參數(shù)可調(diào)的IIR陷波器來(lái)消除聲反饋頻點(diǎn)的自激嘯叫。陷波器實(shí)質(zhì)是一種帶阻濾波器，它的阻帶很窄，近似于一個(gè)特定的頻點(diǎn)，因此又稱為點(diǎn)阻濾波器。當(dāng)聲反饋檢判算法檢測(cè)到一個(gè)聲反饋頻點(diǎn)，就設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為該頻點(diǎn)的陷波器對(duì)其進(jìn)行抑制。 圖8 陷波器頻率特性圖7.2 陷波器設(shè)計(jì)數(shù)字陷波濾波器的設(shè)計(jì)要從濾波器的類型、模擬濾波

12、器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及模擬濾波器到數(shù)字濾波器的映射方法三個(gè)方面來(lái)考慮。陷波器的設(shè)計(jì)可以選用有限沖擊響應(yīng)FIR（Finite Impulse Response）濾波器或者無(wú)限沖擊響應(yīng)IIR（Infinite Impulse Response）濾波器。先比較一下兩者的優(yōu)缺點(diǎn)：FIR濾波器有嚴(yán)格線性相位，穩(wěn)定，適合定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它運(yùn)算量太大且頻率選擇性不高；相比之下，IIR濾波器有良好的頻率選擇性，在相同的技術(shù)指標(biāo)下，可用比FTR濾波器少得多的階數(shù)實(shí)現(xiàn)要求，計(jì)算量小，有利于陷波器設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性。綜合考慮兩類濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，我們最終選用采用IIR濾波器設(shè)計(jì)陷波器。IIR濾波器設(shè)計(jì)的基本步驟：第一

13、，將數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)，比如通帶截止頻率，阻帶截止頻率等，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)；第二，設(shè)計(jì)模擬濾波器使其滿足上述技術(shù)指標(biāo)；第三，將設(shè)計(jì)出的模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù) 按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著兩種不同的變換：一是頻帶變換，即將低通濾波器變換成高通、帶通、帶阻濾波器：二是變換域變換，即將模擬濾波器變換成數(shù)字濾波器。根據(jù)這兩種變換的先后順序，引出以模擬濾波器為基礎(chǔ)的兩種設(shè)計(jì)方法7，如圖9和10所示。圖9 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法1圖10 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法2模擬低通濾波器幾種常見(jiàn)的類型有貝塞爾濾波器、巴特沃思濾波器、切比雪夫I型、II型和橢圓濾波器。它們的

14、性能比較如表1所示。表1 五類模擬低通濾波器性能對(duì)比圖從模擬濾波器到數(shù)字濾波器，有兩種常用的映射方法：脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。脈沖響應(yīng)不變法是從濾波器的脈沖響應(yīng)出發(fā)，使數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)模仿模擬濾波器的沖擊響應(yīng)。只有當(dāng)模擬濾波器的頻率響應(yīng)是帶限的，且?guī)抻谡郫B頻率以內(nèi)，才能使數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)在折疊頻率以內(nèi)重現(xiàn)模擬濾波器的頻率響應(yīng)，保證不產(chǎn)生頻率失真。脈沖響應(yīng)不變法最大的缺點(diǎn)是有頻率響應(yīng)的混疊現(xiàn)象，因此只適用于限帶的模擬濾波器，比如衰減特性很好的帶通和帶阻濾波器，而不適用于高通和帶阻濾波器，所以本文采用雙線性變換法。雙線性變換法的基本原理：它是使數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)模仿模

15、擬濾波器頻率響應(yīng)的一種濾波器設(shè)計(jì)方法。雙線性變換法把整個(gè)s平面映射到整個(gè)z平面，s平面的左半平面映射到z平面的單位圓內(nèi)，s平面的右半平面映射到z平面的單位圓外，s平面的虛軸映射到z平面的單位圓上。這樣就使s平面與z平面是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，它克服了多值映射頻譜混疊的缺點(diǎn)，同時(shí)也滿足了因果穩(wěn)定的模擬濾波器能夠變換成因果穩(wěn)定的數(shù)字濾波器的要求。用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟是：（1）確定參數(shù)T。雙線性變換法中的參數(shù)T的選擇和最終設(shè)計(jì)出的數(shù)字濾波器無(wú)關(guān)，因此可以取實(shí)際關(guān)系中的值，也可以為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單起見(jiàn)，取T=2。由于參數(shù)T的取值會(huì)影響計(jì)算精度，所以一般地說(shuō)，使左右比較適當(dāng)，不宜取太大或太小的

16、數(shù)值。（2）將數(shù)字濾波器的邊界頻率、轉(zhuǎn)換為模擬濾波器的邊界頻率、，轉(zhuǎn)換公式為，。（3） 按照模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)模擬濾波器。（4）用雙線性變換法將模擬濾波器變換成數(shù)字濾波器，即本課題中采用雙線性變換設(shè)計(jì)二階IIR數(shù)字陷波器的步驟，假設(shè)二階模擬陷波器的傳輸函數(shù)為 （5）其中B為3dB帶寬。用雙線性變換，可以得到二階數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)為： (6)令： 則上式可改為： （7）根據(jù)雙線性變換法中數(shù)字頻率與模擬頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系有： （8）則求得IIR陷波器差分方程系數(shù)如下： （9） （10）二階 IIR 數(shù)字陷波器通過(guò)離散時(shí)間系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，用差分方程描述如下： （11）四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析該實(shí)驗(yàn)在m

17、atlab下完成，對(duì)IIR濾波器設(shè)計(jì)全過(guò)程中的各個(gè)步驟，Matlab都提供了相應(yīng)的工具箱函數(shù)，使IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)單。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟和所用的工具箱函數(shù)如圖11所示。圖11 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)步驟流程圖1、運(yùn)行算法程序，給出如下結(jié)果：嘯叫時(shí)語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形圖嘯叫時(shí)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖嘯叫抑制后的時(shí)域波形圖嘯叫抑制后的頻譜圖2、對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，說(shuō)明濾波后的結(jié)果。附錄：fs = 10000; %設(shè)置采樣頻率N = fs * 58; %設(shè)置信息長(zhǎng)度% 讀入音頻 x,fs= wavread(yuyin1.wav,N); %將音頻輸入到程序中%顯示語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形figure(

18、1);subplot(2,1,1);plot(x);xlabel(n);ylabel(幅度/ V);title(帶嘯叫的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形);%顯示語(yǔ)音信號(hào)x的頻譜；n=0:1:N-1;f=n*fs/N; %頻譜圖中的頻率軸temp=fft(x,N); %對(duì)語(yǔ)音信號(hào)x作fft 變換mag=abs(temp); %求功率譜figure(2);subplot(2,1,1); plot(f(1:N/2),mag(1:N/2); %畫(huà)語(yǔ)音信號(hào) x的頻率譜title(帶嘯叫的語(yǔ)音信號(hào)頻譜);xlabel(頻率/Hz);ylabel(幅度); axis(0,6000,0,10000); grid on;%對(duì)

19、嘯叫點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)maxs index=max(mag(1:N/2); %找出所有頻點(diǎn)中幅值最大的點(diǎn)A=f(index);%利用CZT做細(xì)化頻譜分析f1 =A-512; f2 =A+512; %細(xì)化頻率范圍Fs=1000;m=1024;w=exp(-j*2*pi*(f2-f1)/(m*Fs);a = exp(j*2*pi*f1/Fs);z = czt(x,m,w,a);fz = (0:length(z)-1)*(f2-f1)/length(z) + f1;figure(4);plot(fz,abs(z); axis(f1 f2 0 10000);xlabel(Hz); ylabel(Magnitude);title(CZT 細(xì)化頻譜圖);maxs index=max(abs(z);B=fz(index) %從聲卡播放x數(shù)組，聽(tīng)到帶有嘯叫的語(yǔ)音sound(x,fs); %設(shè)計(jì)陷波器%模擬指標(biāo) 阻帶下截止頻率fs1=A-200, 阻帶上截止頻率fs1=A+200,阻帶最小衰減as=50db% 通帶下截止頻率fp1=A-300, 通帶上截止頻率fp2=A+300,阻帶最小衰減ap=0.1dbrp=0.1; %通帶衰減dBrs=50; %阻帶衰減dBwp1=B-1500;wp2=B+1500;ws1=B-1600;ws2=B+1600