混响总结_混响效果
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混响总结
目录
1.引言.............................................................................................................................................2 2.音响系统中基本混响类型..........................................................................................................2 3.混响声场以及声场中的各变量....................................................................................................2 3.1混响声场中声音的组成.....................................................................................................2 3.2声场中各种变量特性与作用.............................................................................................3 3.2.1直达声......................................................................................................................3 3.2.2早期反射声的相对时间间隔（图中T2、T3、T4)................................................3 3.2.3早期反射声..............................................................................................................3 3.2.4混响延时..................................................................................................................3 3.2.5混响时间..................................................................................................................3 3.2.6混响声......................................................................................................................4 4.混响模型........................................................................................................................................4 4.1早期的简单混响模型.........................................................................................................4 4.1.1多级延时混响模型..................................................................................................4 4.1.2梳状滤波器的混响模型..........................................................................................4 4.1.3全通滤波器的混响模型..........................................................................................5 4.1.4Schroeder混响模型.................................................................................................5 4.1.5Moorer混响模型.....................................................................................................5 4.2改进的混响模型.................................................................................................................6 4.2.1嵌套全通滤波器混响模型......................................................................................6 4.2.2基于选抽一插值的FIR滤波器混响模型..............................................................6
【】4.2.3基于反馈延迟网络的人造混响算法模型3........................................................7 5.人工混响........................................................................................................................................8
【4】5.1人工混响系统的种类...................................................................................................8 5.2人工混响算法的实现方式.................................................................................................9 5.2.1物理逼近方式..........................................................................................................9 5.2.2听觉逼近方式..........................................................................................................9 6.人工混响算法研究........................................................................................................................9 6.1前期反射模型.....................................................................................................................9 6.2空气吸收模型.....................................................................................................................9 6.3后期混响模型.....................................................................................................................9 7.目前混响处理系统的实现方案种类............................................................................................9 7.1专用芯片...........................................................................................................................10 7.2通用DSP...........................................................................................................................10 7.3嵌入式RISC处理器.........................................................................................................10 7.4FPGA...................................................................................................................................10 1.引言
混响在人们生活中是一种常见的声学现象。无论是在大教室里听课，还是在音乐厅欣赏音乐，人们都会明显感觉到混响声音的存在。混响的形成很简单，在某一声学环境下，一个声源除了直接到达人耳外，还有一部分要通过人体周围的障碍物反射到人耳，直达声和反射声叠加在一起就形成了混响。只要在人体周围有障碍物（比如教室的墙壁，街道上建筑物的墙壁）存在就会发生混响。
混响的多少给人的心理感觉不同。室内适当的混响能使语音或者音乐的声音明朗响亮，节奏清楚，层次明显，声音丰富、温暖而亲切，音色优美动听，有烘托作用，可以明显的改善声音质量，改变音乐的音色和风格。混响时间太短时，在屋子里讲话就好像在旷野里讲话一样，听起来显得低弱无力，声音干涩、沉闷、枯燥、生硬，听不清楚。尤其是欣赏音乐时感到音乐的声音枯躁乏味，干涩，不丰满，失去了声音的色泽。但混响时间很长时，语音感觉混浊，音节之间产生掩蔽效应，这就是一般说的屋子里“发嗡”，影响人的理解能力。
2.音响系统中基本混响类型
(1)厅堂效果(HALL)：模拟各种大、中、小型音乐厅的空气吸声特性效果，具有相当低的初始回声密度，密度随时间增加逐渐建立，有心旷神怡的感觉。适用于古典音乐及其他需润色的音乐。
(2)房间效果(ROOM)：模拟各种大、中、小型房间，木房及教室等效果，相当于厅堂效果有较高的扩彭和流畅明快的感觉。适用于需附加上密度或声学空间感的声音。
(3)板式效果(PLATE)：模拟各种金属板及木栖的效果。具有较高的初始扩散和明亮度，有染色的金属声和明亮清脆的感觉。适用于人声、铜管乐器及流行名乐中的打击乐。
(4)密室效果(CHAMBER)：模拟各类密闭室的声场效果。有较高的扩散和舒适感，适用于各种弦乐。
3.混响声场以及声场中的各变量
3.1混响声场中声音的组成闭室声场中声波传播，室内任一点听到的声音都要包括两大部分：直达声和反射声。直达声是声波不经过任何障碍物直接到达人耳的那部分，其传播路径较短，所以能量损失少，幅度很强。反射声中，把与直达声间隔时间小于50ms的反射声称早期反射声，与直达声间隔时间大于50ms的反射声称混响声。早期反射声通常只经过一、二次反射，其能量较大，且相互之间的间隔也较大。混响声则经过多次反射，其能量较小，而且彼此间的间隔比较小。图1为实际声场中的声音。
图 1 3.2声场中各种变量特性与作用 3.2.1直达声
决定声音的清晰度，它传送了声源的方向、位置或移动状态等方向信息。3.2.2早期反射声的相对时间间隔（图中T2、T3、T4)
决定早期反射声的密度，也是室内声场房间大小的重要标志。3.2.3早期反射声
是塑造空间印象的主要变量之一。它与直达声到达人耳的时间差较小时，人只能感知为一个声音，这种瞬时融合效应，使人感到响度的增强并且声音清晰；它与直达声的时间差较大时，仍不影响直达声的定位，但能被人耳感知，表现为空间感的存在。3.2.4混响延时
是从早期反射声开始到建立起高密度的混响声所需的时间。标志着房间对混响声场的建立的活跃程度。3.2.5混响时间 3.2.5.1混响时间的定义
在室内声音达到稳定状态后，室内平均声压级从声源停止发声到衰减60dB所用的时间，用T60表示。T60=0.163V/αS，S为房间内总表面积，V为房间总容量，α为房间内表面的平均吸收系数。该变量描述了信号混响声场衰减的速度。它受房间大小、形状、反射面类型等因素的影响，且实际房间中的混响时间随着信号频率的变化而变化：频率越高，被墙壁、障碍物和家具吸收的声能就越大。3.2.5.2混响时间的影响
对于音乐和歌唱，混响时间很关键，短了声音枯燥发干，过长声音又混淆不清丢失大量细节，合适的混响时间不仅可以美化声音，掩盖乐器噪声，使乐音融合增加响度和音节的连贯性。混响时间对于语音的影响则表现为：混响时间短清晰度高，而当混响时间减至1 秒时清晰度即达到最高，再短则混响时间对提高语言清晰度无大影响。3.2.5.3混响时间的测量方法 1.基于ANN理论的混响时间快速预测
【1】
：在分析混响时间的各种影响因素的基础上，运用人工神经网络的BP算法，建立厅堂混响时间的预测模型。该方法具有速度快、使用方便、精度高、可考虑的因素多等特点。2.声源切断法混响时间测量
3.脉冲反向积分法混响时间测量：基于公式，S(t)是稳态噪声的声压衰减函数，尖括号表示群体平均，r(x)是被测房间的脉冲声响应，N为谱密度。该方法方便快捷，结果稳定性好，可以得到很多其他辅助声学参数。脉冲反向积分法与声源切断法测量结果接近，可以互相代替。3.2.6混响声
可以加强音量感觉，改善音质，使声音更具空间感和距离感。但若混响声比例太大或混响时间太长，将会干扰直达声的清晰度。
4.混响模型
4.1早期的简单混响模型
4.1.1多级延时混响模型
模型图：
严格按照自然混响的物理模型仿真出人工混响序列，设置一个零到数秒的音频采样缓冲区，再以某一衰减系数加权和求得混响信号。
优点：混响效果好。
缺点：在实现时所需要的计算代价太高，所用的缓存也很大。
4.1.2梳状滤波器的混响模型
模型图：
通过在反馈回路中插入延时单元实现。优点：避开了多级延时法所导致的大计算量和缓存问题。
缺点：其效果与真实的混响相比差别比较大，回声密度太低，缺乏后期混响的随机性，呈现声摆动现象；梳状滤波器的幅频特性曲线存在许多尖峰点，其对不同频率的响应存在差别，输入信号中峰值点附近的频率成分放大过于明显，从而给声音中加入了不必要的渲染成分，存在声染色现象。
4.1.3全通滤波器的混响模型
模型图：
全通滤波器是一个带有前向反馈支路的梳状滤波器。
优点：它的频率响应是一个常数，这样就不会产生声染色现象。
缺点：单个全通滤波器的混响回声密度不高，具有周期性，会产生明显的声摆效应。从可行性和音质等方面综合考虑，以上三种模型存在很大缺陷，所以未能得到实际中的应用。
4.1.4Schroeder混响模型
具有应用价值的混响算法由贝尔实验室的Schroeder提出。模型图：
使用4个并联的梳状滤波器和2个串联的全通滤波器来建立混响模型。梳状滤波器提供了混响效果中延迟较长的回声，而延时较短的全通滤波器则起到了增加反射声波密度的作用。
优点：通过设置六个滤波器的参数，可以模仿出前期反射和后期混响效果，全通滤波器可以在一定程度上减轻梳状滤波器引入的渲染成分。
缺点：1对短的冲击声的处理结果缺乏混响的平滑过渡，更像声波在平行墙面间来回反射的回声效果；2在回声时间较长的情况下会出现明显的金属音；3高频混响信号时间要长于低频混响信号。
4.1.5Moorer混响模型
Moorer对Schroeder的研究进行了扩展，在Schroeder模型的基础上做了一些改变，采用低通梳状滤波器来增加混响信号密度，同时加上一个N 抽头的FIR延迟滤波器生成早期反射声。Moorer模型图：
每个梳状滤波器回路中都包含一个一阶低通滤波器，A1为全通滤波器，kZ-d为一延迟单元。
优点：进一步考虑了高、低频信号成分的传播差异，同时增加了单独的无声染色的早期反射声模块，使得声音的自然度更好。
缺点：系统结构比较复杂。4.2改进的混响模型
4.2.1嵌套全通滤波器混响模型
在Schroeder提出了其算法模型后，Vercoe提出了嵌套全通滤波器的概念，并且被MIT
【】媒体实验室的Bill Gardner成功地运用在自己的混响算法中。模型图：
图中G（Z）是一个全通滤波器。
采用嵌套滤波器的一个显著优点表现在它的时域响应上。由于嵌套滤波器中内部全通滤波器生成的回声可以通过外部滤波器的反馈环路重新作为输入信号，因此对于冲击响应来说其生成的回声数目远多于标准全通滤波器的，并且回声之间的间隔不像全通滤波器那样是固定的。
4.2.2基于选抽一插值的FIR滤波器混响模型
根据厅堂的冲激响应频谱能量绝大部分集中在低频这一特点，提出了基于多速率抽取与插值信号处理技术的FIR数字混响算法。模型图：
对低频冲激响应h1(n)先进行D倍抽取，得到低通FIR滤波器系数。高频部分由于能量小，可以根据实际需要进行截断处理，得到高通FIR滤波器。输入模拟音频信号经过AD采样变换为数字信号后分高、低频两路处理。低频路经过抗混叠滤波器后进行D倍抽取，然后与低通FIR滤波器卷积，经过D倍插值恢复原来的数据率；高频路直接将输入信号与高通FIR滤波器卷积；将高低频两路信号相加，即产生逼近某一特定厅堂自然混响特性的人工混响效果。
这种算法能在实时处理、存储量和延迟较小的条件下逼真地模拟所需的各种厅堂的混响特性，具有较高的实用性。
4.2.3基于反馈延迟网络的人造混响算法模型4.2.3.1标准反馈延迟网络模型
通过反馈矩阵和延迟矩阵，构建的标准反馈延迟网络人造混响算法模型：
【3】
当b和c具有恰当的矩阵形式时, 标准反馈延迟网络人造混响算法模型还可以扩展到多通道的形式。
4.2.3.2基于酉矩阵的多通道反馈延迟网络模型
酉矩阵的条件数较小, 所以对于数值计算, 具有很好的稳定性。工程上一般都尽可能利 用酉矩阵解决有关数值计算的问题。
下图是一个基于酉矩阵的4通道反馈延迟网络模型, 由4条延迟线和1个反馈矩阵组成。
基于酉矩阵的多通道反馈延迟网络模型具有以下特点：1.系统的多个输出端之间相互不受影响, 因此可以被用在多声道系统中来渲染漫射声场；2.可以在每条延迟线上串联一个低通滤波器来模拟实际房间中的吸收损失；3.通过将输入信号恰当地插入到延迟线的内部, 可以同时实现对早反射的模拟。4.2.3.3非指数衰变的集合反馈延迟网络混响算法模型
以上两种人造混响算法模型的单位冲激响应都具有指数衰变包络的尾部特性, 这类算法模型比较适合模拟非藕合型房间中的自然声混响衰变。将n个相似的反馈延迟网络模型如下图所示集合起来，可有效地增加回声密度，并且通过对混响时间Ti、系统增益gi和延迟长度mi的调节, 能够获得具有非指数形状衰变包络的混响效果。
5.人工混响
5.1人工混响系统的种类1.立体混响系统
优点：能在室内产生身临其境的混响感。
缺点：有声染色和颤动声，设备复杂，投资大，混响特性难调整。2.磁混响器
优点：设备体积小，可携带。
缺点：有声染色和颤动声，音色不自然。3.钢板混响器
优点：音质较好，混响时间可在一定范围调整。
缺点：有声染色现象，设备笨重不能任意移动，对环境噪声要求高。4.金箔混响器
优点：音质较好，体积小，便于携带，混响时间易调。
缺点：有声染色现象，声道间隔离小，价格贵。5.弹簧混响器
优点：音质尚好，体积小巧，携带方便；混响时间易调；声道间隔离大；价格较低
缺点：有声染色现象，高频混响时间下降，混响时频响一般不能调。6.混响室系统
优点：音质较自然，混响时间可做小量调整。
缺点：受混响室容积限制低频简正频率不够密，可能出现声染色现象，有罐子声；设备复杂，不能任意改换地点。7.数字混响器
【4】
这是目前普遍采用的混响系统，相对来说，音质较好，体积小，重量轻便于携带；对环境噪声没任何要求；价格适中。5.2人工混响算法的实现方式
5.2.1物理逼近方式
通过人工重建一个真实房间的精确混响来实现。为此，这种方式需要通过虚拟房间的几何模型来计算它的冲击响应。尽管这种方式可以逼真的产生混响效果，但它需要的计算量太大了，对于实时生成算法来说不够灵活有效。
5.2.2听觉逼近方式
通过算法产生与自然混响没有听觉差异的人工混晌。这种算法只是重建自然混响的重点部分，因此比物理逼近的方式更有效。目前大部分混响算法采用的都是听觉逼近的方式。
6.人工混响算法研究
6.1前期反射模型
前期反射主要是生成一些离散回声，这部分的模型主要与声源、听者及各反射面的方位有关，通过对被模拟房间的几何模型进行推导得到。推导的方法为源—镜像法。
源—镜像法将一个房问看作多个声学反射镜，被反射的声源就相当于两个声源，其中原始声源在墙的前面，而镜像声源在墙的后面。采用源一镜像法需要找出在指定的最远距离内的所有虚拟镜像源，从这些镜像源到听者的所有传播路径就决定了这个房间的前期回声响应。
建模后，为了生成离散回声，每个虚拟镜像源到听者的路径需要对应一个FIR滤波器。每个FIR抽头的延时长度与相应的虚拟镜像源到听者之间的声音传播距离一致，而其系数大小通常与距离成反比。由于墙壁材料有一个反射系数，因此所有的反射都将让虚拟镜像源的幅度衰减。6.2空气吸收模型
通过对与空气吸收相关的频率特性进行建模可以使前期反射模型的效果得到进一步改善。这样虽然提高了滤波器的复杂度，但是能让整个前期反射模型更合理。
低通滤波器可以很好的模拟空气对声音中高频成分的吸收特性。为了降低改滤波器的复杂度，减少模型实现时的计算量，使用简单的单极点低通滤波器。6.3后期混响模型
后期混响主要是生成以指数形式衰减的高密度回声。要设计出满足实时性要求的后期混响算法，应该从IIR滤波器着手，如梳状滤波器、全通滤波器等。
把全通滤波器、嵌套全通滤波器、延时线模块有机的结合起来，再将空气对声音的吸收（主要是高频）、混响时间等因素考虑进去就可以得到比较自然的混响算法。MIT 的Gardner 博士针对混响时间的不同，得到了三种后期混响的模型：小厅模型（混响时间0.38-0.57s）、中厅模型（混响时间0.58-1.29s）和大厅模型（混响时间1.3s以上）。
7.目前混响处理系统的实现方案种类 7.1专用芯片
专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。
优点：芯片设计针对专门的算法进行高度的优化，具有很高的性能和能源效率。
缺点：专用芯片的开发周期长，开发费用高，而且大量的专用模块在算法修改时，无法适应新的算法，只能重新设计，无法灵活升级和应用修改，对特殊环境缺乏应变能力。7.2通用DSP
即通用数字信号处理器(Digital Signal Proceor,DSP）
优点：其可编程的灵活性和强大的开发工具。
缺点：兼顾灵活性牺牲了性能和能源效率。同一时期的通用DSP和专用芯片相比，针对特定的算法，通用DSP的处理能力要低一些。
典型DSP与典型嵌入式RISC处理器的重要区别是对操作系统的支持。DSP内部一般没有存储器管理单元(Memory Management Unit，MMU)，一般支持少量实时操作系统。7.3嵌入式RISC处理器
嵌入式精简指令集(Reduced Instruction Set Computer,RISC)处理器是通用处理器，拥有很少的专用特点。
优点：主频逐渐提高，正使嵌入式RISC处理器能够胜任媒体任务，它比前面两种处理器更容易编程。
缺点：在处理多媒体任务时通常效率较低。7.4FPGA
现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）具有用户可编程的特性。
优点：具有静态可重复编程或在线动态重构特性，使硬件的功能像软件一样通过编程来修改，极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。
缺点：灵活性是以牺牲能源效率和成本效率为代价的，FPGA的能源效率通常低于专用芯片，而且价格较高，开发难度较大。
【1】凌代俭 基于ANN理论的混响时间快速预测方法【南京理工大学学报】2001年8月第4期 【2】W.G.Gardner.Reverberation Algorithms.M.Kahrs,K.Brandenburg,KluwerAcademic Publishers,1998 【3】卢波 人造混响算法设计【适用技术市场创新指南】2000年第12期 【4】王燕 Lexicon PCM90数字混响器模拟自然混响声场的原理和应用 【期刊】有线电技术 2003年3期
混响总结目录1.引言 ...................................................................................................................................................
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