实验二啸叫检测与抑制系统汇总

1、实验二啸叫检测与控制系统汇总实验二啸叫检测与控制系统汇总18/18实验二啸叫检测与控制系统汇总实验二啸叫检测与控制系统一、实验目的1、认识扩音系统中的啸叫现象；2、认识啸叫产生的条件；3、分析啸叫信号的频谱；4、掌握啸叫信号检测的方法；5、掌握啸叫控制的原理；6、实现啸叫控制。二、实验设施、音频功率放大系统；、录音机；、计算机；、matlab软件三、实验内容1、认识啸叫及其危害声反应现象在平时生活中非经常有。在多动能报告厅，KTV等同时出现扬声器和麦克风的场合，因为扬声器和麦克风之间存在电声耦合，必然会致使声反应现象的产生。声反应会在反应回路中产生重生混响，使发言、唱歌的声音严重失真，音质遇到

2、损坏，清楚度大大降低。严重时甚至会产生自激啸叫，限制扩声系统传声增益的提高，使整个系统的正常工作遇到影响。还可能会烧毁系统放大器、扬声器中的高音单元，甚至会对人的听力造成损害。所以，在应用到扩声系统的场合，啸叫的检测和控制特别重要。2、啸叫信号产生的原理声音信号第一从麦克风拾入，经过扩声系统的功率放大器放大后由扬声器送出，经过各样阻拦物的多次反射后，又被麦克风拾入，进而形成一个闭合环路。假如传声器对某些频点的拾音敏捷度过高，致使声音在这些频点的增益是正当，就形成了一个正反应过程，声音信号经过多次频频循环放大后，在某些频点的声音强度超出必然的增益上限，就会发生自激振荡，进而产生啸叫。图1声反应原

3、理图啸叫的产生必然同时具备以下三个条件：（1）扬声器和拾音设施（麦克风）要处于同一声场中，进而保证扬声器输出的信号能被拾音设施再度收集，形成正反应；（2）拾音设施的拾音敏捷度高，系统的传声增益大；（3）声场存在缺点共振，即扩声系统的频谱特点不平展，在某些频点上简单出现共振。3、啸叫信号的特点为了检测和控制啸叫信号，需要对啸叫信号的基本特点做必然的分析，对啸叫信号在时域和频域进步行分析，最后得出以下结论：啸叫信号的时域波形是一个频次恒定的正弦波，其幅值跟着时间的增添快速增大，直到超出了功放放大区，进入饱和区和截止区时，产生削波现象，如图2所示。啸叫信号的频谱图中存在单调的，并且固定不变的啸叫频次

4、点，并且啸叫频率点对应的幅值远远大于语音信号中其余频次点的幅值，如图2所示。图2啸叫不时域波形图3啸叫时频域波形该实验要做的主要工作就是在声反应成立的早期，在尽可能少的时间内检测出啸叫对应的的频次点，并设计相应的陷波器将其控制掉，保证系统工作在正常的线性放大区，预防谐波信号的产生。4、啸叫控制的方法及原理对啸叫的控制方法大概上分为被动型预防和主动型控制两大类。被动型预防是依据声场特点，从扩声系统的系统设计、设施选型、声场布局以及声场调整等环节着手做好预防啸叫的工作；主动型控制力争在控制啸叫的同时提高扩声系统的传声增益。主要有以下几种方法：鉴于建筑声学特点在音响界，最先解决回声啸叫的方法是经过降

5、低扩声系统的增益来保证系统的坚固工作，但是，这样就没法完满知足扩声音量的需要。所以，工程技术人员开始在室内建筑声学、构造声学以及室内装饰装饰方面下功夫，来解决声反应问题和啸叫现象。但是，这类方法但是被动地控制啸叫，造价及施工难度太大，不拥有广泛推行意义。（2）平衡法图4平衡器平衡法的原理就是经过衰减或切除声音信号中某些过强的频次来控制住声反应。平衡器第一将声音频次进行分段，此后经过调理各频次段增益来填补声场合扬声器的缺点，达到控制某一频点啸叫的目的。但是，这个方法需专业音响师手动调理，要求音响师正确判断啸叫频点并快速做出反应；其次，在实质操作中，因为平衡器对啸叫频点的定位不够精准，会严重损害音

6、质。移频法移频就是挪动频次，移频器的工作原理是对声音信号的频点向上或向下移几个或几十个频点，损坏组成声反应的条件，最后达到防备啸叫的目的。但是，移频法致使了整个声音频次范围内的频次失真，对音质损害较大；并且，移频器的工作状态与现场有无啸叫点没相关系，这样就会造成新的失真。所以，应当尽量少用这类方法。压限器它的工作原理是依据输入声音信号的大小自动改变输出信号的增益。当声音信号强度超出设定的电平值时，压缩器就将压缩比调到：1，语音信号强度就不会再连续增大，啸叫也就自但是然地被除去去了。但是，这类控制方法会对声音带来动向损失，不合适要求较高的场合。（5）窄带陷波器利用频谱分析和判断条件找出声音信号的

7、啸叫频次点，设计参数可调的数字陷波器对声反应频点进行控制。因为窄带陷波器在某个很窄的频带内有很大的衰减，所以对啸叫频点定位精度高，陷波器带宽窄，能够较为正确地控制啸叫频点，并且对音质的损害比较低，合适于对音质要求较高的场合。啸叫控制系统基天性能指标设计的啸叫控制系统要具备以下条件：第一，陷波器的阻带带宽要越窄越好，这样能够减少声音的动向失真。第二，对啸叫频点进行控制时，衰减量的陷波深度越深越好，保证对啸叫的完满控制；第三，啸叫频次出此刻任何频点，系统都能够自动检测到该频点，并对其进行控制；该实验的性能指标以下：办理字长：16bit二阶IIR数字陷波器陷波滤波器频次范围：100Hz-5KHz陷波

8、滤波器带宽：1/10倍频程频次定位精度：1Hz响应时间：1s6、系统算法及其实现6.1啸叫的检测和判断算法6.1.1简单的检判算法传统的啸叫检测是利用FFT算法实现的，用FFT算法对每帧信号xn,n0,1,.,N1进行频谱分析，求得对应的功率谱Xk,k0,1,.,N/21，然后计算出裁决值R,计算公式以下：R10log10(ppeak/pav)（1）在1式中，ppeak是信号功率谱中的最大幅值，所对应得频次点是Fpeak，pav为每帧信号中全部功率幅值的均匀值。假如在连续的一段时间，裁决值都比预设门限值T高,且最大幅值对应的频点Fpeak都为同一个值，则判断Fpeak为啸叫频点。6.1.2细化

9、频谱分析算法用上边的算法对声音信号的频谱进行分析时，分辨率为：DfftFs/N48KHz/102446.875Hz（2）不言而喻，该算法的频次分辨率过低，我们能够采纳CZT算法来细化频谱分析。下边简单的介绍一下CZT算法:CZT（ChirpZ-transform）算法的实质就是对z变换采纳螺线抽样。z变换的定义式为：N1xnZnXzn0（3）此中，xnn0,1,.,N1是有限长序列。若令抽样点zkAWk,k0,1.,M1，沿z平面上的一段螺线作均分角抽样，就能够获得抽样点处的z变换：N1xnAnWnk,k0,1,.M（4）Xzk1n0此中，AA0ej20,WW0ej20,A0为初步抽样点Z0的

10、矢量半径长度，0为初步抽样点的相角，W0为螺线的伸展率（当W01，为螺线内缩；当W01，为螺线外伸），0为相邻抽样点的角度差（当00，为逆时针；当00，为顺时针），M为要分析的复频谱点数。令0Fl/Fs,0(FhFl)/Fs，就能够获得FlFh范围的频谱，CZT算法的频次分辨率为(FhFl)/Fs。可见，CZT算法能够随意采纳FlFh的频次范围进行分析，能够依据所需的频次分辨率来确立频次取样点数M。CZT算法的原理表示图如图5所示：图5CZT算法原理图CZT算法细化频谱见效如图6所示，第一幅图是直接利用FFT变换后的频谱图，第二幅图是利用CZT变换后的细化频谱图。图6CZT细化频谱见效图在对啸

11、叫信号进行频域分析时，假如使用CZT对整个频域进行频谱分析，那么需要N*M次复乘，（N-1）M次复加，运算量特别大。依据CZT算法频次分辨率的公式Dczt(FhFl)/M，此中FhFl为整个频带范围，要想提高分辨率，只能经过增添频次采样点数M来实现，而啸叫检测系统要求的频次分辨率又很高，需要的M值就会很大，使运算量大大增添。6.1.3频谱分析方案设计综上所述，FFT算法频次分辨率太低，达不到系统设计的要求，同时CZT算法运算量又太大。综合考虑FFT算法和CZT算法的优缺点，我们采纳一个折中的方法：先利用FFT算法对整个频域进行粗分析，一旦检测到疑似声反应频次点Fc存在，就利用Fc设定CZT算法

12、的Fl和Fh，此中FlFc512，FhFc512，此后对FlFh频带范围进行频谱细化分析，如图7所示。这类算法在保证较高频率分辨率的同时减小了CZT算法的运算量,综合性能较好。图7FFT+CZT算法表示图7、声反应控制算法实现7.1方案简述本实验采纳参数可调的IIR陷波器来除去声反应频点的自激啸叫。陷波器实质是一种带阻滤波器，它的阻带很窄，近似于一个特定的频点，所以又称为点阻滤波器。当声反应检判算法检测到一个声反应频点，就设计一此中心频次为该频点的陷波器对其进行控制。图8陷波器频次特点图7.2陷波器设计数字陷波滤波器的设计要从滤波器的种类、模拟滤波器的设计准则以及模拟滤波器到数字滤波器的照耀方

13、法三个方面来考虑。陷波器的设计能够采纳有限冲击响应FIR（FiniteImpulseResponse）滤波器或许无量冲击响应IIR（InfiniteImpulseResponse）滤波器。先比较一下二者的优缺点：FIR滤波器有严格线性相位，坚固，合适定点DSP实现等长处，但同时它运算量太大且频次选择性不高；比较之下，IIR滤波器有优秀的频次选择性，在同样的技术指标下，可用比FTR滤波器少得多的阶数实现要求，计算量小，有益于陷波器设计的及时性。综合考虑两类滤波器的优缺点，我们最后采纳采纳IIR滤波器设计陷波器。IIR滤波器设计的基本步骤：第一，将数字滤波器技术指标，比方通带截止频次，阻带截止频次

14、等，变换成对应的模拟滤波器技术指标；第二，设计模拟滤波器Ha(s)使其知足上述技术指标；第三，将设计出的模拟滤波器系统函数Ha(s)按某种方法变换成数字滤波器的系统函数H(z)。在整个设计过程中存在着两种不同样的变换：一是频带变换，马上低通滤波器变换成高通、带通、带阻滤波器：ha(t)二是变换域变换，马上模拟滤波器变换成数字滤波器。依据这两种变换的先后次序，引出以模拟滤波器为基础的两种设计方法7，如图9和10所示。图9IIR数字滤波器设计方法1图10IIR数字滤波器设计方法2模拟低通滤波器几种常有的种类有贝塞尔滤波器、巴特沃思滤波器、切比雪夫I型、II型和椭圆滤波器。它们的性能比较如表1所示。

15、表1五类模拟低通滤波器性能比较图从模拟滤波器到数字滤波器，有两种常用的照耀方法：脉冲响应不变法和双线性变换法。脉冲响应不变法是从滤波器的脉冲响应出发，使数字滤波器的单位脉冲响应h(n)模拟模拟滤波器的冲击响应。只有当模拟滤波器的频次响应是带限的，且带限于折叠频次之内，才能使数字滤波器的频次响应在折叠频次之内重现模拟滤波器的频次响应，保证不产生频次失真。脉冲响应不变法最大的缺点是有频次响应的混叠现象，所以只合用于限带的模拟滤波器，比方衰减特点很好的带通和带阻滤波器，而不合用于高通和带阻滤波器，所以本文采纳双线性变换法。双线性变换法的基本源理：它是使数字滤波器的频次响应模拟模拟滤波器频率响应的一种

16、滤波器设计方法。双线性变换法把整个s平面照耀到整个z平面，s平面的左半平面照耀到z平面的单位圆内，s平面的右半平面照耀到z平面的单位圆外，s平面的虚轴照耀到z平面的单位圆上。这样就使s平面与z平面是一一对应的关系，它战胜了多值照耀频谱混叠的缺点，同时也知足了因果坚固的模拟滤波器能够变换成因果坚固的数字滤波器的要求。用双线性变换法设计IIR数字滤波器的设计步骤是：（1）确立参数T。双线性变换法中的参数T的选择和最后设计出的数字滤波器没关，所以能够取实质关系中的值，也能够为设计简单起见，取T=2。因为参数T的取值会影响计算精度，所以一般地说，使cT1左右比较合适，不宜取太大或太小的数值。（2）将数

17、字滤波器的界限频次p、s变换为模拟滤波器的界限频次p、2tan(psp)s2tan()s，变换公式为T2，T2。（3）依据模拟滤波器技术指标p,p,s,s，设计模拟滤波器Ha(s)。（4）用双线性变换法将模拟滤波器a(s)变换成数字滤波器H(z)，即H21z1H(z)Ha(s)|sT1z1本课题中采纳双线性变换设计二阶IIR数字陷波器的步骤，假定二阶模拟陷波器的传输函数为22H(s)s0（5）22sBs0此中B为3dB带宽。用双线性变换，能够获得二阶数字滤波器的传输函数为：H(z)H(s)|1Zs1Z12B令：011(102)2(102)Z1(102)Z2(6)(102B)2(102)Z1(1

18、02B)Z221012B0102则上式可改为：0.5(1)2(1)Z1(1)Z2H(z)(1)Z1Z2（7）1tan()依据双线性变换法中数字频次与模拟频次的对应关系2有：11120tan(B2Btan()0222B20B01tan()tan()2211则求得IIR陷波器差分方程系数以下：20cos0（8）2000.5*(1)1(1)20.5*(1)（9）b1(1)b2（10）二阶IIR数字陷波器经过失散时间系统来实现，用差分方程描绘以下：22（11）y(n)aix(ni)byi(ni)i0i1四、实验过程及结果分析该实验在matlab下达成，对IIR滤波器设计全过程中的各个步骤，Matlab

19、都供给了相应的工具箱函数，使IIR数字滤波器设计变得特别简单。IIR数字滤波器的设计步骤和所用的工具箱函数如图11所示。图11IIR数字滤波器设计步骤流程图1、运转算法程序，给出以下结果：啸叫时语音信号的时域波形图啸叫时语音信号的频谱图啸叫控制后的时域波形图啸叫控制后的频谱图2、对上述结果进行分析，说明滤波后的结果。附录：fs=10000;%设置采样频次N=fs*58;%设置信息长度%读入音频x,fs=wavread(yuyin1.wav,N);%将音频输入到程序中%显示语音信号时域波形figure(1);subplot(2,1,1);plot(x);xlabel(n);ylabel(幅度/V

20、);title(带啸叫的语音信号时域波形);%显示语音信号x的频谱；n=0:1:N-1;f=n*fs/N;%频谱图中的频次轴temp=fft(x,N);%对语音信号x作fft变换mag=abs(temp);%求功率谱figure(2);subplot(2,1,1);plot(f(1:N/2),mag(1:N/2);%画语音信号x的频次谱title(带啸叫的语音信号频谱);xlabel(频次/Hz);ylabel(幅度);axis(0,6000,0,10000);gridon;%对啸叫点进行检测maxsindex=max(mag(1:N/2);%找出全部频点中幅值最大的点A=f(index);%

21、利用CZT做细化频谱分析f1=A-512;f2=A+512;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);%细化频次范围fz=(0:length(z)-1)*(f2-f1)/length(z)+f1;figure(4);plot(fz,abs(z);axis(f1f2010000);xlabel(Hz);ylabel(Magnitude);title(CZT细化频谱图);maxsindex=max(abs(z);B=fz(index)%从声卡播放x数组，听到带有啸叫的语音sound(x,fs);%设计陷波器%模拟指标阻带下截止频次fs1=A-200,阻带上截止频次fs1=A+200,阻带最小衰减as=50db%通带下截止频次fp1=A-300,通带上截止频次fp2=A+300,阻带最小衰减ap=0.1db