MATLAB小論文--基于MATLAB關(guān)于交混回響的仿真研究

1、 Matlab小論文課題名稱：基于MATLAB關(guān)于交混回響的仿真研究系、 部：電氣與信息工程系學生姓名：陳榮靈指導教師：張松華 職稱 講師專 業(yè)：電子信息工程 班 級：電子0901班完成時間：2012年5月23日 摘要 MATLAB是進行科學研究和數(shù)值分析的首選軟件，本次對于交混回響的研究正是借助MATLAB的強大功能，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)了模擬語音信號的數(shù)字化處理，然后繪圖直觀的對混響現(xiàn)象進行仿真分析。關(guān)鍵詞：MATLAB；數(shù)字化；仿真 MATLAB is the software of choice for scientific research and numericalanalysis,

2、the reverberations is the use of the powerful features of MATLAB, the digital processing of analog voice signal through the preparation process, and then drawing intuitive simulation of the reverberation phenomenonanalysis.Keywords: MATLAB; digital; simulation1 引言MATLAB科學與工程計算的高級語言, 同時也是適用于科學和工程計算的數(shù)

3、學軟件系統(tǒng)。作為數(shù)值軟件的MATLAB , 對計算數(shù)學領(lǐng)域的特定問題類型, 如數(shù)值線性代數(shù)、微分方程數(shù)值解、數(shù)值逼近、最優(yōu)化方法、數(shù)值積分等進行求解, 可以得到問題的離散解或近似的解析表達式。針對每一類問題解,MATLAB 都能給出該類問題的各種高效算法。MATLAB 具有一個陣容強大、范圍廣泛的基本運算體系。同時，MATLAB基于數(shù)值運算的信號處理技術(shù)也使DSP的相關(guān)技術(shù)變得簡單易行。此外,MATLAB 極其簡潔的語言結(jié)構(gòu)支持結(jié)構(gòu)化程序設計, 且具有超過任一高級語言系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)。MATLAB 高度智能化的調(diào)試技術(shù)是用戶MATLAB 程序的有力工具。本次仿真研究利用MATLAB強大的繪圖功能

4、和聲音輸入輸出的功能對.WAV的音頻文件進行了數(shù)字化的采樣，然后對數(shù)值進行了相應處理，通過繪圖直觀的顯示了聲音傳播過程中的交混回響現(xiàn)象。2 MATLAB處理語音信號由于本次仿真是對語音信號的數(shù)字化處理。下面介紹MATLAB處理音頻信號的一些理論依據(jù)和相應函數(shù)功能。2.1 信號分類按信號特點的不同，信號可表示成一個或幾個獨立變量的函數(shù)。例如，圖像信號就是空間位置（二元變量）的亮度函數(shù)。一維變量可以是時間，也可以是其他參量，習慣上將其看成時間。信號有以下幾種：1連續(xù)時間信號：在連續(xù)時間范圍內(nèi)定義的信號，但信號的幅值可以是連續(xù)數(shù)值，也可以是離散數(shù)值。當幅值為連續(xù)這一特點情況下又常稱為模擬信號。實際上

5、連續(xù)時間信號與模擬信號常常通用，用以說明同一信號。2離散時間信號：時間為離散變量的信號，即獨立變量時間被量化了。而幅度仍是連續(xù)變化的。3數(shù)字信號：時間離散而幅度量化的信號。本次仿真正是通過把模擬音頻信號進行采樣得到數(shù)字信號，再在此基礎上借助MATLAB的一些工具完成的仿真。在數(shù)字化過程中，若是立體聲，則以某采樣頻率采樣產(chǎn)生n2的數(shù)字信號序列；若是單聲道，則采樣生成n1的數(shù)字信號序列。2.2 函數(shù)介紹MATLAB中對聲音的處理以及矩陣運算和繪圖提供了豐富的函數(shù)，下面介紹幾個本次仿真過程中要用到的函數(shù)：1. y,Fs=wavread(filename,N1 N2)； 該函數(shù)可以實現(xiàn).wav格式音頻

6、文件的直接讀取。其中y為返回的樣值序列(如果是單聲道，返回1n序列；是立體聲返回2n序列)，另外y的取值范圍要在-1,1內(nèi)；Fs為采樣率，需滿足取樣定理(Fs大于信號最高頻率的兩倍)；N1和N2用來限定取樣的起始和結(jié)束點。2. zeros(m,n)；用來產(chǎn)生m行n列的全零矩陣。仿真過程中處理信號的延時傳遞效果，便是在序列前面加上適當長度的全零矩陣。3. plot(x,y,string)，subplot(m,n,p)；為繪圖函數(shù)，其中x表示繪圖的橫坐標，y表示繪圖的縱坐標，string可以用來選擇繪圖的顏色，線條寬度等參數(shù)；subplot表示將界面分成m行n列，選中第p個選區(qū)為當前繪圖區(qū)域。4.

7、 *、+、；為算術(shù)運算符，依次為：乘號、加號、乘方號、對矩陣轉(zhuǎn)置運算符。3 MATLAB交混回響仿真3.1 關(guān)于交混回響建筑物里，由于距離較小，反射聲波（回聲）跟原來的聲音混合在一起分不開，感覺效果是原來的聲音加強并且延長了，這種現(xiàn)象稱為交混回響。聲源發(fā)出聲音后，聲強減弱到原來聲強的百萬分之一所需要的時間叫做建筑物的交混回響時間，是描述建筑物的聲學特性的重要參數(shù)。適當?shù)慕换旎仨憰r間可以使聲音變得渾厚、好聽，增加感染力，教堂和音樂廳建筑都注意這一點。當交混回響時間太長會使音樂的節(jié)奏和語言模糊不清。交混回響時間一般以1秒-2秒為宜交混回響時間與建筑物大小，墻壁、地面和天花板材料都由關(guān)系，還受到建筑

8、物內(nèi)人的多少以至服飾的影響。例如，首都劇場空座時的交響回響時間是3.3秒,滿座時的交混回響時間大約是1.36秒。人民大會堂滿座時的交混回響時間大約是1.8秒。3.2 交混回響仿真實驗為了簡化問題，假定墻面上有吸音材料，即忽略墻壁的反射。編程仿真的思想是：電信號在電線里傳輸?shù)臅r間可以忽略，但是當相距若干米的揚聲器發(fā)出的聲音到達聽者的位置時，不同揚聲器的聲音經(jīng)過了不同的路程，路程的差別產(chǎn)生相位差，所以帶有不同相位差的聲音疊加就產(chǎn)生了交混回響的效果。圖3-1所示是交混回響仿真實驗中的揚聲器布置圖，A、B、C是三個接到同一聲源的揚聲器，它距離聽者的水平距離和垂直距離標注在圖上。通過在MATLAB上編寫

9、程序，可以通過圖形象的展示出混響效果。程序中a.wav文件為一段下載的音頻文件；聽者聽到各揚聲器的聲音處理方式為：計算揚聲器到聽者距離然后除以聲速，得到傳播時間，再將該時間乘以每秒取樣點速率fs，可以得到離散點數(shù)目，再由zeros函數(shù)得到相應的1n零矩陣，加到原始聲音序列中合成即可。圖 3-1 交混回響仿真實驗中的揚聲器布置程序：x1=wavread(F:a.wav); % 對a.wav進行取樣，取樣率為默認值，返回值存x1y=x1(34100:44100); % 取34100到44100的采樣點，轉(zhuǎn)置后存yfs=8000; % 取樣速率N1=10100; v=330; % 聲音速度b1=(1

10、202+1802).5; % 計算聽者到揚聲器B的距離yb1=zeros(1,(fs*b1/v),y; % 聽者聽到揚聲器B的聲音yb=yb1(1:N1); % 取1到N1離散值，存yba1=(1202+302).5; %計算聽者到揚聲器A的距離ya1=zeros(1,(fs*a1/v),y; % 聽者聽到揚聲器A的聲音ya=ya1(1:N1); % 取1到N1離散值，存yac1=(2002+2002).5; % 計算聽者到揚聲器C的距離yc1=zeros(1,(fs*c1/v),y; % 聽者聽到揚聲器C的聲音yc=yc1(1:N1); % 取1到N1離散值，存ycye=1.6*ya+2*y

11、b+1.2*yc; % 聽者聽到三個揚聲器聲音疊加subplot(211);plot(y,r);grid % 作原聲音時域波形圖subplot(212);plot(ye);axis(0,12000,-1,1);grid % 作混疊聲音時域波形圖根據(jù)上述程序在MATLAB中運行后，可以得到如圖3-2的時域波形圖。由圖形可以看到，由于交混回響作用，聽者要在聲音發(fā)出一段時間后才能接受到信號；同時由于幾個揚聲器的混疊作用，使聲音的各部分有放大或是減弱的效果。若是合理利用交混回響，可以在現(xiàn)實中使聲音效果更豐富，更具空間感；同時由于交混回響作用，地震波在水層中的多次反射，也包括鳴震，造成有時在地震記錄上以不同振幅在多處出現(xiàn)。在海洋地震勘探中，它是一種極其嚴重的干擾。在陸地地震勘探中偶爾也可以遇到交混回響。圖 3-2 聲音信號的時域圖(上：原信號；下，聽到的交混回響的信號)4 結(jié)束語通過本次基于MATLAB關(guān)于交混回響的仿真研究，使我對MATLAB的基本操作有了很好的熟悉和掌握；在翻閱資料和學習課本知識的過程中，基本熟悉了通過MATALB軟件仿真現(xiàn)實問題的方式方法。再次，由仿真研究的各個流程，可以充分體現(xiàn)MATLAB在數(shù)值運算，數(shù)字信號處理，繪圖等方面的強大優(yōu)勢；其編程語言的通俗與簡潔，也使其當之無愧成為進行科學研究和數(shù)值