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1、(10)申请公布号 CN 102915741 A (43)申请公布日 2013.02.06 C N 1 0 2 9 1 5 7 4 1 A *CN102915741A* (21)申请号 201210418043.2 (22)申请日 2012.10.29 G10L 21/003(2013.01) H03G 7/00(2006.01) (71)申请人上海大学 地址 200444 上海市宝山区上大路99号 (72)发明人石复霖 (74)专利代理机构上海上大专利事务所(普通 合伙) 31205 代理人何文欣 (54) 发明名称 基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音 信号音色的方法 (57) 摘要 本。
2、发明涉及一种基于等响曲线的根据调整自 动还原声音信号音色的方法。本方法通过对等响 曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益 系数S，自动地对信号做出补偿，达到还原音质 的目的。从而使得音量控制更加符合人耳的主观 感受，为听者提供更加优质的听感。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 1/2页 2 1.基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于通过对等 响曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益变化量S，自动地对信号做出补偿，达 到还原音。
3、质的目的；具体操作步骤如下： (1) 在控制音量时，产生的增益变化量S作用在声音文件的时域信号S上，得到了增 益后的时域信号S；将这个时域信号S进行傅里叶变换，得到频域信号S f ； (2) 用数字滤波器对该频域信号S f 进行滤波，将它分为若干段频域信号； (3) 对等响曲线进行量化分析，得出在不同增益变化量S的情况下，各个频率段的 补偿系数； (4) 结合补偿系数，得到各段频域信号的补偿信号； (5) 最后通过补偿信号对时域信号S完成补偿，得到最终的输出信号S c 。 2.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其 特征在于所述增益变化量S是一个与原有信号相乘。
4、，放大或缩小原有信号的系数。 3.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其 特征在于所述数字滤波器选用的是FIR带通滤波器。 4.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其 特征在于所述补偿信号是各段频域信号与各自的补偿系数的乘积。 5.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其 特征在于所述补偿的实现最终是通过将补偿信号的时域信号与时域信号S相加完成。 6.如权利要求1所述基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其 特征在于所述补偿的量是通过对等响曲线的量化分析得出的；其分析步骤如下： 。
5、(1) 一条等响曲线上的每一个点h，都是由频率f和声压级S决定的，可以得到：h = G ( f，S )这样的关系，h代表等响曲线上的某一个点，f代表频率，S代表声压级，G是他们 之间的对应关系； (2) 每一条等响曲线都是以1000Hz纯音的声压级作为标准，即当确定了1000Hz纯音 的声压级时，即确定了一条等响曲线h 0 ，并且在这条曲线上得到一个由频率f n 和声压级S n 一一对应的集合H 0 ： H 0 = (f 0 ，S 0 )，(f 1 ，S 1 )，(f 2 ，S 2 )，(f 3 ，S 3 ) ( ，S ) (3) 当调整音量的时候，即作为标准的1000Hz纯音的声压级产生了变。
6、化，由S变成了 ；此时得到新的等响曲线， =G ( ，)；在这条新的曲线上，同时得到一组新的 对应关系f n 与，以及一个新的集合： = (f 0 ，)，(f 1 ，)，(f 2 ，)，(f 3 ，) (， ) 权 利 要 求 书CN 102915741 A 2/2页 3 并且在这条确定的曲线上，可以找到频率f n 所对应的声压级；因此得到：= 所以，集合可以表示为： =f 0 ，f 1 ，f 2 ，(，) (4) 普通的增益调整会产生一个S，这个S使得频率f与声压级S的对应关系变 为：(f n ，S n S)；所以，集合H 0 就变成了： = (f 0 ，S 0 S)，(f 1 ，S 1 S。
7、)，(f 2 ，S 2 S)，(f 3 ，S 3 S) (5) 在理想状态下，音量调整增益后，与频率f n 对应的声压级S n 应该由S n 变为 ，而在实际情况中，它变成了(S n S)，它们的偏差t即为： t n = (S n S) 并且，只要频带足够窄，那么在这个频段中，各频率偏差之间的误差是可以忽略不计 的；因此， i 就是各频率段的偏差； (6) 假设a为补偿系数，即：a = -1。 权 利 要 求 书CN 102915741 A 1/6页 4 基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方 法 技术领域 0001 本发明属于数字信号处理领域，涉及一种对声音信号进行频率补偿的方法。
8、，特别 是一种基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法。 背景技术 0002 音量控制的实质是缩放音频信号波形的幅度以改变它的声压。音量是指人耳对所 听到的声音大小强弱的主观感受，它和声压是不同的。声波传播时，空气媒质各部分产生压 缩与膨胀的周期性变化，这变化部分的压强与静态压强的差值称为声压。声压是一个客观 的量。而现在的电子设备中，所有的音量大小的调整，其实质都是调整电流的大小，电流大 小的改变也就意味着音频信号的幅度被缩放了。 0003 而根据等响曲线的特性对音频信号进行补偿这项技术在等响曲线诞生后不久就 被提出。在1959年，M.H.Estkowski就发表了一篇名为“To。
9、ne compensated loudness control”的论文。在这篇论文中，他根据等响曲线的特性，设计了响度控制电路，用来补偿 当音量有所调整时低频段与高频的失真。在这之后，就在功放上出现了loudness的功能。 loudness功能其实就是在功放中内置了一个等响度控制电路。但是，这一技术是对模拟信 号进行处理，而模拟信号处理是难以做到高精度的，它受环境的影响大，可靠性较差，而且 不灵活。 0004 在2000年，一位新加坡南洋理工大学的学者Woon S. Gan提出了使用计算机对声 音信号进行处理，抛弃了响度控制电路这一模拟处理方式。但是，他的研究对象是有源噪声 控制（Activ。
10、e noise control）技术，他提到如果以等响曲线为参考，有源噪声控制技术会 更加符合人的主观感受。 0005 2007年，国内的学者也提出了类似的观点，姜顺明和陈南在他们的基于响度控制 的封闭腔有源噪声控制这篇论文中也提到，如果引入等响曲线为参考，有源噪声控制技术 将更加合理。 0006 在国内外的研究中，自适应噪声控制、自适应噪声均衡这些概念已经被提出，也是 利用等响曲线作为参考，从而获得更加符合人耳主观感受的效果。但是，他们的研究对象是 有源噪声，这和音乐播放是不同的。总而言之，目前的音量控制技术不适应人耳的主观感 受，它会带来音质变差，音色改变等问题。 发明内容 0007 本发。
11、明的目的是提供一种基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色 的方法，解决了现有技术中存在的问题。 0008 目前的音量调整忽略了人耳的主观感受。目前的调整实际上是缩放了音频信号的 幅度，每个频率上的声压级的变化都是相等的。这不符合人耳的主观感受。所以这就是造 成音量与音质成为矛盾的重要原因之一。 说 明 书CN 102915741 A 2/6页 5 0009 因此，当对声音信号调节增益时，如果根据等响曲线的特性对失真的频率做一些 补偿，那么可以使得音质与原始信号的音质一致。 0010 本发明采用的技术方案是： 1一种基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特征在于通 过对。
12、等响曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益变化量S，自动地对信号做出补 偿，达到还原音质的目的；具体操作步骤如下： (1) 在控制音量时，产生的增益变化量S作用在声音文件的时域信号S上，得到了增 益后的时域信号S；将这个时域信号S进行傅里叶变换，得到频域信号S f ； (2) 用数字滤波器对该频域信号S f 进行滤波，将它分为若干段频域信号； (3) 对等响曲线进行量化分析，得出在不同增益变化量S的情况下，各个频率段的 补偿系数； (4) 结合补偿系数，得到各段频域信号的补偿信号； (5) 最后通过补偿信号对时域信号S完成补偿，得到最终的输出信号S c 。 0011 上述增益变化量S是一个。
13、与原有信号相乘，放大或缩小原有信号的系数。 0012 上述数字滤波器选用的是FIR带通滤波器。 0013 上述补偿信号是各段频域信号与各自的补偿系数的乘积。 0014 上述补偿的实现最终是通过将补偿信号的时域信号与时域信号S相加完成。 0015 上述补偿的量是通过对等响曲线的量化分析得出的。其分析步骤如下： (1) 一条等响曲线上的每一个点h，都是由频率f和声压级S决定的，可以得到：h = G ( f，S )这样的关系，h代表等响曲线上的某一个点，f代表频率，S代表声压级，G是他们 之间的对应关系； (2) 每一条等响曲线都是以1000Hz纯音的声压级作为标准，即当确定了1000Hz纯音 的声。
14、压级时，即确定了一条等响曲线h 0 ，并且在这条曲线上得到一个由频率f n 和声压级S n 一一对应的集合H 0 ： H 0 = (f 0 ，S 0 )，(f 1 ，S 1 )，(f 2 ，S 2 )，(f 3 ，S 3 ) ( ，S ) (3) 当调整音量的时候，即作为标准的1000Hz纯音的声压级产生了变化，由S变成了 ；此时得到新的等响曲线， =G ( ，)；在这条新的曲线上，同时得到一组新的 对应关系f n 与，以及一个新的集合： = (f 0 ，)，(f 1 ，)，(f 2 ，)，(f 3 ，) (， ) 并且在这条确定的曲线上，可以找到频率f n 所对应的声压级；因此得到：= 说 。
15、明 书CN 102915741 A 3/6页 6 所以，集合可以表示为： =f 0 ，f 1 ，f 2 ，(，) (4) 普通的增益调整会产生一个S，这个S使得频率f与声压级S的对应关系变 为：(f n ，S n S)；所以，集合H 0 就变成了： = (f 0 ，S 0 S)，(f 1 ，S 1 S)，(f 2 ，S 2 S)，(f 3 ，S 3 S) (5) 在理想状态下，音量调整增益后，与频率f n 对应的声压级S n 应该由S n 变为 ，而在实际情况中，它变成了(S n S)，它们的偏差t即为： t n = (S n S) 并且，只要频带足够窄，那么在这个频段中，各频率偏差之间的误差。
16、是可以忽略不计 的；因此， i 就是各频率段的偏差； (6) 假设a为补偿系数，即：a = -1。 附图说明 0016 图1是基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法的原理框图。 0017 图2是一段未经处理的粉红噪声的原始信号的时域信号与频域信号图。 0018 图3是普通音量控制调整后的时域信号与频域信号图。 0019 图4是进行了音色还原的时域信号与频域信号图。 具体实施方式 0020 实施例一： 参见图1，本实施例基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方法，其特 征在于通过对等响曲线的量化分析，结合在调整音量时产生的增益变化量S，自动地对信 号做出补偿，达到还原音质。
17、的目的；具体操作步骤如下： (1) 在控制音量时，产生的增益变化量S作用在声音文件的时域信号S上，得到了增 说 明 书CN 102915741 A 4/6页 7 益后的时域信号S；将这个时域信号S进行傅里叶变换，得到频域信号S f ； (2) 用数字滤波器对该频域信号S f 进行滤波，将它分为若干段频域信号； (3) 对等响曲线进行量化分析，得出在不同增益变化量S的情况下，各个频率段的 补偿系数； (4) 结合补偿系数，得到各段频域信号的补偿信号； (5) 最后通过补偿信号对时域信号S完成补偿，得到最终的输出信号S c 。 0021 实施例二： 本实施例与实施例一基本相同特别之处如下： 所述增。
18、益变化量S是一个与原有信号相乘，放大或缩小原有信号的系数。 0022 所述数字滤波器选用的是FIR带通滤波器。 0023 所述补偿信号是各段频域信号与各自的补偿系数的乘积。 0024 所述补偿的实现最终是通过将补偿信号的时域信号与时域信号S相加完成。 0025 所述补偿的量是通过对等响曲线的量化分析得出的。其分析步骤如下： （1）一条等响曲线上的每一个点h，都是由频率f和声压级S决定的，可以得到：h = G ( f，S )这样的关系，h代表等响曲线上的某一个点，f代表频率，S代表声压级，G是他们 之间的对应关系； （2）每一条等响曲线都是以1000Hz纯音的声压级作为标准，即当确定了1000H。
19、z纯音 的声压级时，即确定了一条等响曲线h 0 ，并且在这条曲线上得到一个由频率f n 和声压级S n 一一对应的集合H 0 ： H 0 = (f 0 ，S 0 )，(f 1 ，S 1 )，(f 2 ，S 2 )，(f 3 ，S 3 ) (，S ) （3）当调整音量的时候，即作为标准的1000Hz纯音的声压级产生了变化，由S变成了 ；此时得到新的等响曲线， =G ( ，)；在这条新的曲线上，同时得到一组新的对 应关系f n 与，以及一个新的集合： = (f 0 ，)，(f 1 ，)，(f 2 ，)，(f 3 ，) (， ) 并且在这条确定的曲线上，可以找到频率f n 所对应的声压级；因此得到：。
20、= 说 明 书CN 102915741 A 5/6页 8 所以，集合可以表示为： =f 0 ，f 1 ，f 2 ，(，) （4）普通的增益调整会产生一个S，这个S使得频率f与声压级S的对应关系变为： (f n ，S n S)；所以，集合H 0 就变成了： = (f 0 ，S 0 S)，(f 1 ，S 1 S)，(f 2 ，S 2 S)，(f 3 ，S 3 S) （5）在理想状态下，音量调整增益后，与频率f n 对应的声压级S n 应该由S n 变为 ，而在实际情况中，它变成了(S n S)，它们的偏差t即为： t n = (S n S) 并且，只要频带足够窄，那么在这个频段中，各频率偏差之间的。
21、误差是可以忽略不计 的；因此， i 就是各频率段的偏差； （6）假设a为补偿系数，即：a = -1。 0026 实施例三 参见图1图4，本实施例基于等响曲线的根据音量调整自动还原声音信号音色的方 法，具体操作如下： 本发明的优选实施例结合附图详述如下： 假设声音的响度从80方调整至60方，那么增益变化量S就是-20dB，并且得到增益 后的时域信号S。 0027 为了简化处理，以31.5Hz500 Hz为例，将其分为4段进行补偿 。分别为： 31.5Hz62.5 Hz；62.5Hz125 Hz；125Hz250 Hz；250Hz500 Hz。通过fir数字滤波器对 时域信号S进行滤波，得到这四段。
22、频率的频域信号。 0028 接下来对ISO226中的等响曲线进行取点。将横坐标划分为100格。在原图中，等 响曲线的横坐标的范围是由16赫兹至16000赫兹，按对数分布。设新的横轴为X，则原横轴 F与X的关系为：f = 1000。 0029 以80方这条等响曲线中的125Hz至250Hz为例，取点的结果为： 表1 80方等响曲线上的125Hz至250Hz频率与声压级对应关系 说 明 书CN 102915741 A 6/6页 9 声压级(dB) 90 89 88 88 87 87 86 85 85 84 84 X 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 F(Hz) 12。
23、5.0 134.0 143.6 153.9 164.9 176.8 189.5 203.1 217.6 233.3 250.0 再以同样的方法取60方这条等响曲线中的125Hz至250Hz，结果为： 表2 60方等响曲线上的125Hz至250Hz频率与声压级对应关系 声压级(dB) 75 74 74 73 72 71 70 70 69 68 67 X 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 F(Hz) 125.0 134.0 143.6 153.9 164.9 176.8 189.5 203.1 217.6 233.3 250.0 如果音量是从80方衰减至60方，对比。
24、两组数据可以得到： 表3 80方与60方的偏差t F(Hz) 125.0 134.0 143.6 153.9 164.9 176.8 189.5 203.1 217.6 233.3 250.0 S n 90 89 88 88 87 87 86 85 85 84 84 S 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 S n S 70 69 68 68 67 67 66 65 65 64 64 75 74 74 73 72 71 70 70 69 68 67 t n 5 5 6 5 5 4 4 5 4 4 3 S n 即为80方这条曲线上与F相对应的各个频率点上的声压级。S为。
25、调整的增益变 化量，它的值为20dB。（S n S）即是实际中，音量调整增益后各频率所对应的声压级。 是理想的调整后的声压级，t n 即是他们之间的偏差。 0030 通过分析得到，31.5Hz62.5 Hz频率段需要补偿8dB，62.5Hz125 Hz 频率段需要 补偿7dB，125Hz250 Hz频率段需要补偿 5dB，250Hz500 Hz 频率段需要补偿2dB。 0031 最后将补偿系数乘上对应频率段的时域信号并且与S相叠加，完成补偿，得到输 出信号S c 。 说 明 书CN 102915741 A 1/2页 10 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102915741 A 10 2/2页 11 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102915741 A 11 。