基于Matlab的声音信号分析与处理

基于Matlab的声音信号分析与处理摘要:本文介绍了声音信号的采集与处理过程，利用MATLAB对男女混合声音信号进行时域和频域分析，并对语音进行处理，最后获得男音信号。关键词：声音信号处理；频谱分析；MatlabCollectingandProcessingofSoundSignalwithMatlabAbstract:Thispaperintroducestheprocessofsigmalcollectionandtransaction.ItanalysesmixedsoundsignalformenandwomenwithMatlabsofewareintimedomainandfrequencydomain,andprocessessoundsignalandobtainssignalofmen.Keywords:soundsignal;analyzingoffreqency;Matlab0引言声音信号的采集和分析处理是信息工程应用中最关键的部分，如何对声音信号进行实时采集，并对其进行分析处理，是现代信息科研工作者研究的重要课题之一，同时对我国现代信息科学的发展也具有重要意义。Matlab是一种功能强大、效率高、交互性好的数值计算和可视化计算机高级语言,它将数值分析、信号处理和图形显示有机地融合为一体,形成了一个极其方便、用户界面友好的操作环境。由于matlab拥有数据处理能力强，编程简单，操作容易等优点，因此在对各种信号的分析处理中广泛使用，在很大程度上简化了分析过程，提高了工作效率。在处理的处理过程中，通常使用matlab读入音频文件中的声音信号，然后通过滤波器去除不需要的信号，并绘出相关信号的时域图。然后通过傅里叶变换得到声音信号的频谱图，不对所得到的信号做进一步的分析。1语音信号的采集从网上下载了两段wav格式的声音信号，分别保存为nanyin.wav和nvyin.wav，然后在Matlab软件平台下利用wavread函数对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。本文的函数具体如下：[a,fs,bit]=wavread('E:\MTLAB\malab\数字信号\nanyin.wav');[b,Fs,Bit]=wavread('E:\MTLAB\malab\数字信号\nvyin.wav');其中：a，b—采集的信号；Fs,Fs—采样频率；Bit—采样点数；2语音信号的处理由于男性和女性生理结构的不同，男性和女性呈现出不同的听觉特征，男声的基音频率大约在100—200Hz之间，而女声的基音频率大都在200—350Hz之间，鉴于男女声的基音频存在明显的差异，所以基音频可以作为男女声识别的依据。因此，本文将上述采集到的男音和女音信号进行叠加，得到男女混合声音信号，然后通过设计滤波器对不需要的声音信号进行滤波。滤波器的种类很多，一般分为模拟滤波器和数字滤波器两大类，根据滤波器的功能，可将滤波器分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BSF）。滤波器通常利用分母系数向量和分子系数向量两个参数来控制MATLAB中的滤波函数，MATLAB软件中主要有Filertl、Fitler、Filter2等几种滤波函数。例如声音信号值G=filter(a,b,x),在滤波器进行声音过滤时,输人的声音信号为x,其分母系数向量和分子系数向量分别为a,b,MATLAB滤波器对声音信号处理的具体情况如下图所示。巴特沃斯（Butterworth）滤波器是一种具有最大平坦幅度响应的低通滤波器，它在通信领域内已有广泛的应用，本文根据信号特征选择巴特沃思低通滤波器对男女混叠信号中的女音信号进行滤波。在Matlab中提供了丰富的用于模拟滤波器设计的函数，通过编程可以很容易实现低通、高通、带通、带阻滤波器，并能画出滤波器的幅频特性曲线，大大简化了模拟滤波器的设计。本文利用Matlab实现巴特沃斯滤波器的设计，在Matlab中可以用[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs,’s’)求出给定通带截止频率Wp、阻带起始频率Ws、通带最大衰减Rp、阻带最大衰减Rs条件下，所需的最小巴特沃思模拟滤波器的阶数和3dB截止频率。滤波器的指标如下：低通滤波器性能指标:Wp=0.06Pi，Ws=0.3Pi，Rp=1，Rs=50dB滤波器的设计步骤：①给出所需要的滤波器的技术指标；②设计模拟低通滤波器G(s)；③按一定规则将G(s)转换成H(z);3语音信号的时域和频域分析图1原始语音信号时域图图2原始语音信号频谱图图3低通滤波器的频率响应图4滤波前后的频谱图图5滤波后的时域图通过对滤波后的语音信号进行回放，可以得出以下结论：由于采集的混合声音信号中叠加有频率相对较高的男声音信号和相对较低的女声音信号，当然还有一部分相互交叠的频率成分，通过滤波后，发现男声信号中成分较多的低频信号被保留下来，成分较少的高频信号被滤除，而女声信号中成分较多的高频信号被滤除，成分较少的低频信号保留。最终能清楚地听见男声信号，而女声信号基本被滤除。4结束语本文基于Matlab软件设计了巴特沃斯低通滤波器并对男女混叠原始声音信号进行滤波，通过对滤波前后的波形分析可知，总体可以恢复原始男声信号波形。滤波后的输出波形明显在对应时间幅度上比原混叠信号要小。另外，通过对滤波后的信号进行回放可以发现滤波后的信号已很接近原来的男音信号。参考文献[1]陈家焱,等.基于Matlab的声音信号采集与分析处理[J].计算机与现代化,2005(6):91-96.[2]徐靖涛,王金根.基于MATLAB的语言信号分析处理[J].重庆科技学院学报,2008,10(1):132-135.[3]李钟慎.基于MATLAB设计巴特沃斯低通滤波器[J].信息技术,2003,27(3):49-52.[4]蒋春玲,史林.基于MATLAB的模拟滤波器设计[J].山东交通学院学报,2004,12(3):63-65.[5]胡广书.数字信号处理导论（第二版）[M].北京：清华大学出版社,2013.