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【摘要】：心理声学主要研究人耳对声音信号的处理过程,建立声音的物理性质与其在听觉产生的主观感觉之间的联系,从而得到相应的心理声学模型,最终在科学研究和工程实践中加以应用。本文主要研究心理声学的掩蔽效应、频带划分以及参量模型,并给出了一种新的计算心理声学波动强度的参量模型。在此基础上,本文将心理声学掩蔽效应以及频带划分应用到了单通道语音增强上,给出了两种基于心理声学的单通道语音增强改进算法:基于心理声学掩蔽的单通道语音增强改进算法以及基于心理声学等矩形带宽(ERB)尺度划分的多子带谱减改进算法。心理声学波动强度与粗糙度一样,是一种基本的心理声学听觉感知。一个重要的区别在于波动强度反映了声音信号更慢的振幅波动。本文给出了一种新的基于ERB的波动强度计算模型。通过在ERB尺度上划分75个滤波通道,并且将每个通道的广义调制度(GMD)加权、滤波以及求和得到最终的波动强度值。新算法给出了一种新的将每个ERB中的GMD转变成特性波动强度的方式。另外,新算法给出了用ERB尺度替代Bark尺度。比较基于ERB尺度划分的新算法和基于Bark尺度划分的新算法可以发现,基于ERB尺度划分的新算法降低RMSE值到73%并且提高相关系数值到17%。另外,本文还给出了关于为何在最终计算特性波动强度时需要加权的原因。实验仿真结果表明,与已有的Zwicker波动强度模型[1]相比较,本文的波动强度模型能够降低RMSE值超过90%并且提高相关系数值高达23%。因此,本文的波动强度模型所计算得到的结果与主观测试结果更加吻合。在心理声学理论研究的基础上,本文给出了基于听觉掩蔽效应和频带划分的两种单通道语音增强改进算法。本文首先实现了 Virag提出的基于心理声学掩蔽的单通道语音增强算法[2],然后通过改进Virag算法中的频域掩蔽模型并引入时域掩蔽模型,得到改进后的算法。在改进的算法中,根据频域掩蔽模型和时域掩蔽模型计算得到噪声掩蔽阈,进而调节谱减参数以得到噪声降低、语音失真和残留音乐噪声这三者在人耳听觉上的最好折中。另外,本文还给出了一个基于心理声学ERB尺度划分多子带谱减改进算法,即根据ERB尺度先将带噪信号的频谱划分成多个子带,然后在不同的子带中分别进行单通道语音增强算法处理。仿真结果表明,改进的算法在客观评价指标和主观听音测试方面均优于用于比较的单通道语音增强算法。

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1、声学发展简史丄声学就是研究媒质中机械波得产生.传播.接收与效应得物理学分支学科。媒质包括幹种状态得物质，可以 就是弹性媒质也可以就是非弹性媒质;机械波就是抬质点运动变化得传播现彖。A声学发展简史声音就是人类最早研究得物理现彖之一，声学就是经典物理学中历史垠悠久，并且十前仍处在前沿地位得唯 一得物理学分支学科从上古起直到19世纪，人们都就是把声音理解为可听声得同义语中国先秦时就说悄发于声.声成文谓之 音音与乃成乐”。声、音、乐三者不同，但都指可以听到得现象。同时又说凡响F1声；声引起得感觉（声 觉）就是响，但也称为声，这与现代对声得定义相同西方国家也就是如此，英文得得词源來源于希腊文总思 就就是

2、听觉-鼻世界上最早得声学研究工作主要在音乐方而。吕氏春秋记载.黄帝令伶伦取竹作律. 増损长短成十二律：伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就就是把管（笛.箫）加长三分之一或减短 三分之一，这样听起來都很与谐，这就是最早得声学定律。传说在古希腊时代.毕达哥拉斯也提出了相似 得自然律.只不过就是用弦作基础。亠195 7年在中国河南信阳出上蟠螭文編钟，它就是为纪念甘国 于公元前5 25年与楚作战而铸得。其音阶完全符合自然律，音色淸纯,可以用來演奏现代音乐。15 8 4年, 明朝朱载垢提出了平均律占片代乐器制造中使用得乐律完全相同，但比西方早提出30 0年。占代除了对声传播方式得认识外.对声木质得认

3、识也与今天得完全相同。在东西方.都认为声音就是由物 体运动产生得.在空气中以某种方式传到人耳月I起人得听觉这种认识现在瞧起來很简单，旦就是从古代人 们得知识水平來瞧，却很了不起。-例如,很长时期内.占代人们对日常遇到得光与热就没有正确得认识. 一宜到牛顿得时代人们对光得认识还有粒子说与波动说得争执，且粒子说占有优势。至于热学. 热质说 得影响时间则更长.直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判。对声学得系统研究就是从17世纪初伽利略研尤贰摆周期与物体振动开始得。从那时起直到19世纪，几 乎所有杰出得物理学家与数学家都对研尤物体得振动与声得产生原理作过贡献，而声得传播问題则更早就 受到J注总，几

4、乎2 0 00年前，中国与西方就都有人把声得传播与水面波纹相类比。 1635上年有人用远 地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1 738年巴黎科学院利用炮声进行测址，测得结果折合为0C时 声速为332米/秒.与目前最准确得数值331.45米/秒只差0、15%,这在嗎时声学仪湍只有停表与 人耳与情况下，得确就是了不起得成绩。牛顿在1 6 87年出版得自然哲学得数学原理中推理：振动物体要推动邻近媒质,后者又推动它得邻近 媒质等等，经过复朵而难悽得推导，求得声速应等于大气压与密度之比得二次方根。欧拉在1759年根据这 个概念提出更淸楚得分析方法，求得牛顿得结果。但就是抵此算出得声速只有288米/秒与

5、实验值相差 很大。达朗贝尔于1747年首次导出弦得波动方程,并预言可用于声波。直到1 816年，拉普拉斯抬出 只有在空气温度不变时.牛顿对声波传导得推导才正确.而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能 就是等温过程，而应该就是绝热过程。因此,声速得二次方应就是大气压乘以比热容比（定压比热容与定容 比热容得比）与密度之比,据此算出声速得理论值与实验值就完全一致了。直到19世纪末，接收声波得仪器还貝有人耳。人耳能听到得最低声强大约就是10T2瓦/米2,在10 00Hz时,相应得空气质点振动位移大约就是10pm（10-ll 只有空气分子直径得十分之一.可见人 耳对声得接收确实惊人19世纪中就有不

6、少人耳解剖得1：作与对人耳功能得探讨，但至今还未能形成完整得 听觉理论。目前对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层得过程有所了解，但这过程以后大脑皮层 如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究.音调与频率得关系明确后.对人耳听觉得频率范圉与灵墩度也都有不少得研究。发现着名得电路定律得欧 姆于1843年提出，人耳可把复朵得声音分解为谐波分址，并按分音大小判断音品得理论。在欧姆声学理论 得启发下，人们开展门斤觉得声学研究（以后称为生理声学与心理声学）并取得了重要得成果，其中最有 名得就是亥姆霍兹得音得感知在封闭空间（如房间.教室、礼堂、剧院等）里面听语言、音乐，效果有得很好.有得很不好，这引起

7、今天 所谓建筑声学或室内音质得研尤但直到1 90 0年赛宾得到她得混响公式,才使建筑声学成为真正得科 学。19世纪及以前两三百年得大量声学研尤成果得最后总结者就是瑞利，她在18 7 7年出版得两卷声学原理 中集经典声学得大成，开创J现代声学得先河。至今，持别就是在理论分析匸作中，还常引用这两卷巨着。 她开始讨论得电话埋论，目前已发展为电声学。 20a世纪由于电子学得发展.使用电声换能湍与电子 仪器设备.可以产生接收与利用任何频率、任何波形、几乎任何强度得声波，已使声学研尤得范圉远非昔日 可比。现代声学中最初发展得分支就就是建筑声学与电声学以及相应得电声测:以后，随着频率范囤得 扩展，又发展J超

8、声学与次声学：由于于段得改善.进一步研尤听觉，发展了生理声学与心理声学：由于对 语言与通信广播得研究，发展了语言声学。在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促使水声学得到很大得发展。20世纪初以來，特别 就是20世纪50年代以來.全世界由于工业、交通等爭业得巨大发展出现了噪声环境污染问题，而促进了 噪声、噪声控制、机械振动与冲击研尤得发展岗速大功率机械应用日益广泛非线性声学受到普遍重视。此 外还有音乐声学.生物声学。这样,逐渐形成了完整得现代声学体系。现代声学得内容 鼻现代声学研究主要涉及声子得运动、声子与物质得相互作用，以及一些准粒子与电子 等微观粒子得特性。所以声学既有经典性质

9、，也有虽:子性质。声学得中心就是基础物理声学.它就是声 学备分支得基础声可以说就是在物质媒质中得机械辐射，机械辐射得总思就是机械扰动在物质中得传播。人类得活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐.从地球到人得大脑,从机械匸程到医学.从微观到宏 观,都就是声学家活动得场所。声学得边缘科学性质十分明显，边缘科学就是科学得生长点，因此有人主张声学就是物理学得一个昴好得发 展方向声波在气体与液体中只有纵波。在固体中除r纵波以外,还可能有横波（质点振动得方向与声波传播得方向 垂直，有时还有纵横波。声波场中质点每秒振动得周数称为频率，矗位为赫（Hz）。现代声学研究得频率范囤为万分之一赫兹到十 亿赫兹，在空

10、气中可听到声音得声波长为1 7奄米到17米，在固体中，声波波长得范闌更大比电磁波得波 长范碉至少大一千倍c声学频率得范碉大致为:可听声得频率为2020000赫.小于20赫为次声，大于 2 0 0 0 0赫为超声。声波得传播与媒质得弹性模址，密度.内耗以及形状大小（产生折射、反射、衍射等）有关。测虽声波传播 得特性可以研尤媒质得力学性质与几何性质，声学之所以发展成拥有众多分支并且与许多科学、技术与文化 艺术有密切关系得学科，原因就在干此。声行波强度用尬位面枳内传播得功率（以瓦/米2为单位）表 示,但就是在声学测虽中功率不易直接测址得，所以常用易于测虽得声压表示。在声学中常见得声强范困或 声斥范圉