低音增强方法及装置、声音控制设备与流程

本发明涉及音频处理技术领域，尤其涉及一种低音增强方法及装置和声音控制设备。

背景技术：
目前消费电子设备日趋小型化，尤其是轻薄化的趋势越来越明显，要求扬声器越来越小以适应电子设备的外观越来越小的需求，然而扬声器的体积越小，其低频截止频率就越高，就越难产生出足够多的低音信号，从而导致人耳对低音感知的缺失，从而降低声音质量。目前针对这一问题现有技术的解决方法是利用心理声学现象“消失的基频”来增强低音感知。它的原理是：即使基频不存在，基频也可以通过它的谐波来被感知，因此这种方法也叫做“虚拟低音”或者“残留音调”。现有技术公开了一种“虚拟低音”的谐波产生方法，通过利用整形积分或者反馈乘法环路来产生低音信号的所有谐波信号，该方法的好处是实现结构简单，其不足之处是谐波信号的幅度不容易控制，同时会产生高次谐波信号，因五次谐波信号以后的高次谐波信号会改变用户听觉上的音色，从而引起声音失真。现有技术还公开了一种基于多项式的谐波产生方法。这种方法虽然可以任意控制所生成谐波信号的次数和幅度，但是由于乘法运算必然产生与输入信号频率成分分布有关的交调失真。同时乘法运算量较前面的方法有所增多，需要消耗更多的CPU资源和能量来完成运算，这对于电池容量有限的消费电子设备来说是致命的缺点。

技术实现要素：
本发明的主要目的是提供一种谐波信号幅度容易控制且不会产生交调失真的低音增强方法及装置和声音控制设备。为了达到上述目的，本发明提出一种低音增强方法，包括以下步骤：提取音频信号中的低音信号；将所述低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，生成N个所述低音信号的M次谐波信号；根据所述M次谐波信号对应的增益系数将所述M次谐波信号调整到预设幅度；将调整幅度后的N个所述M次谐波信号相加，得到总谐波信号；其中，N和M为整数，且N大于1。优选地，所述将低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成所述低音信号的M次谐波信号的步骤具体包括：将低音信号进行N次时间压缩处理，以生成N个M次谐波信号；将N个所述M次谐波信号分别在时域上延拓为M个周期，得到与压缩前的所述低音信号长度相同的M次谐波信号。优选地，所述将低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成所述低音信号的M次谐波信号的步骤具体包括：将所述低音信号进行时域延拓处理；将延拓后的所述低音信号进行N次时间压缩处理，得到N个与延拓前的所述低音信号长度相同的M次谐波信号。优选地，所述M次谐波信号对应的增益系数gM通过以下公式得出：，其中，g0=1，HM为各次谐波幅度。本发明进一步提出一种低音增强装置，包括：低通滤波器，用于提取音频信号中的低音信号；谐波生成模块，用于将所述低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成N个所述低音信号的M次谐波信号；幅度调整模块，用于根据所述M次谐波信号对应的增益系数将所述M次谐波信号调整到预设幅度；加法器，用于将调整幅度后的N个所述M次谐波信号相加，得到总谐波信号；其中，N和M为正整数，且N大于1。优选地，所述谐波生成模块具体用于将低音信号进行N次时间压缩处理，以生成N个M次谐波信号，然后将N个所述M次谐波信号分别在时域上延拓为M个周期，得到与压缩前的所述低音信号长度相同的M次谐波信号。优选地，所述谐波生成模块具体用于将所述低音信号进行时域延拓处理；然后将延拓后的所述低音信号进行N次时间压缩处理，得到N个与延拓前的所述低音信号长度相同的M次谐波信号。本发明进一步还提出一种声音控制设备，包括低音增强装置，还包括与所述低音增强装置依次连接的滤波参数计算器、人机交互接口和低音控制器；其中，所述低音增强装置，包括：低通滤波器，用于提取音频信号中的低音信号；谐波生成模块，用于将所述低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，生成N个所述低音信号的M次谐波信号；幅度调整模块，用于根据所述M次谐波信号对应的增益系数将所述M次谐波信号调整到预设幅度；加法器，用于将调整幅度后的N个所述M次谐波信号相加，得到总谐波信号；所述低音控制器，用于供用户输入相关的低音控制参数；所述人机交互接口，用于接收所述低音控制参数并发送至所述滤波参数计算器；所述滤波参数计算器，用于根据接收到的所述低音控制参数计算出M次谐波信号对应的增益系数。优选地，所述低音控制参数包括扬声器的低频截止频率fc和高次谐波衰减系数n，当M次谐波信号对应的增益系数为gM，音频信号采样率为fs，其中，fc、n和gM满足以下关系式：;。优选地，所述低音控制参数包括各次谐波幅度HM，HM和所述M次谐波信号对应的增益系数gM满足以下关系式：，其中，g0=1。本发明提出的低音增强方法，通过将音频信号中的低音信号提取出来，然后将低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成N个低音信号的M次谐波信号，然后将M次谐波信号调整到预设幅度并将调整幅度后的N个M次谐波信号相加，得到总谐波信号。本发明提出的低音增强方法因为是对M次谐波信号单独进行调节幅度，克服了现有技术中因将所有的谐波信号一起调节幅度从而不容易控制的缺点，使各谐波信号幅度更容易控制，同时本发明提出的生成谐波的方法运算量小，只用时间压缩处理和时域延拓处理即可生成低音信号的M次谐波信号，因运算量小，故相应的低音增强装置耗电量也较小。另外，将各个谐波信号单独处理，避免了现有技术中因乘法运算而产生的交调失真现象。应用本发明提出的低音增强方法，可满足体积越来越轻薄化的扬声器的扩音需求，特别适用于轻薄化的电子设备。附图说明图1为本发明低音增强方法的优选实施例的流程示意图；图2为本发明低音增强方法的优选实施例中生成低音信号的M次谐波信号的一种流程示意图；图3为本发明低音增强方法的优选实施例中生成低音信号的M次谐波信号的另一种流程示意图；图4为50Hz单频音调频谱的典型图样；图5为采用本发明低音增强方法50Hz单频音调的生成谐波频谱的典型图样；图6为50Hz和70Hz复合音调频谱的典型图样；图7为采用本发明低音增强方法50Hz和70Hz复合音调的生成谐波频谱的典型图样；图8为本发明低音增强装置的优选实施例的结构示意图；图9为本发明声音控制设备的优选实施例的结构示意图。本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面结合附图及具体实施例就本发明的技术方案做进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明通过将音频信号中的低音信号提取出来，然后将低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成N个低音信号的M次谐波信号，然后将M次谐波信号调整到预设幅度并将调整幅度后的N个M次谐波信号相加，得到总谐波信号。本发明提出的方法因为是对M次谐波信号单独进行调节幅度，克服了现有技术中因将所有的谐波信号一起调节幅度从而不容易控制的缺点，使各谐波信号幅度更容易控制，同时本发明提出的生成谐波的方法运算量小，只用时间压缩处理和时域延拓处理即可生成低音信号的M次谐波信号。另外，将各个谐波信号单独处理，从而避免了现有技术中因乘法运算而产生的交调失真现象。参照图1，图1为本发明低音增强方法一实施例的流程示意图。本实施例中，一种低音增强方法，包括：步骤S10，提取音频信号中的低音信号；具体地，可通过低通滤波器以提取扬声器的音频信号中的低音信号，采用高通滤波器提取音频信号中的高音信号。低音信号按帧输入，一帧的长度L在5ms-100ms之间，具体根据系统延时要求来确定。步骤S20，将低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成N个低音信号的M次谐波信号；其中，N和M为正整数，且N大于1。具体地，时间压缩处理和时域延拓处理的次数根据需要产生的谐波信号的个数而定。如需产生三次谐波信号、四次谐波信号和五次谐波信号共3个谐波信号时，需对低音信号进行3次时间压缩处理和时域延拓处理。值得一提的是，如需产生的谐波信号中包括一次谐波信号，则对低音信号进行时间压缩处理和时域延拓处理所得到的一次谐波信号与低音信号相同。本发明在此具体提出两种产生谐波信号的方案。具体地，参照图2，第一种方案为：步骤S20包括以下步骤：步骤S21，将低音信号进行N次时间压缩处理，以生成N个M次谐波信号；本实施例中，M=1，2，3，4或5。即生成5个谐波信号，分别为一次谐波信号至五次谐波信号。步骤S22，将N个M次谐波信号分别在时域上延拓为M个周期，得到与压缩前的低音信号长度相同的M次谐波信号。延拓后的周期数与M次谐波信号的M对应，如二次谐波信号需在时域上延拓为2个周期，三次谐波信号需在时域上延拓为3个周期。-具体地，参照图3，第二种方案为：步骤S20包括以下步骤：步骤S23，将低音信号进行时域延拓处理；步骤S24，将延拓后的低音信号进行N次时间压缩处理，得到N个与延拓前的低音信号长度相同的M次谐波信号。将低音信号在时域上延拓后的周期数与需要得到的M次谐波信号的最高次谐波信号相同。即如要产生多个谐波信号，而最高次的谐波信号为五次谐波信号时，则首先将低音信号在时域上延拓为5个周期。第二种方案将延拓处理放在时间压缩之前，避免了当L/M不为整数时，还需要作进一步的处理才能保证在延拓处理时，其中表示取整操作。步骤S30，根据M次谐波信号对应的增益系数将该M次谐波信号调整到预设幅度；本发明提出两种根据低音控制参数计以得出增益系数gM的计算方法。第一种M次谐波信号的增益系数的计算方法具体参照如下。低音控制参数具体包括：扬声器的低频截止频率fc与高次谐波衰减系数n，具体地，低音控制参数fc和n可由用户手动输入。当M次谐波信号对应的增益系数为gM，音频信号采样率为fs时，fc、n和gM满足以下关系式：;，此时，M=2，3，4或5。首先将M=2，g1=1代入公式可计算出二次谐波信号对应的增益系数g2，此时g1=1代表一次谐波信号相对于低音信号的幅度保持不变。然后，因n和g2已知，将M=3代入公式中得到三次谐波信号对应的增益系数g3，依次类推得到四次谐波信号对应的增益系数g4和五次谐波信号对应的增益系数g5。本实施例中，可根据扬声器的低频截止频率fc采用巴特沃斯滤波器以设计高通滤波器和低通滤波器的具体参数，高通滤波器和低通滤波器类型采用IIR（InfiniteImpulseResponse，数字滤波器）。第二种M次谐波信号的增益系数的计算方法具体参照如下。低音控制参数包括各次谐波幅度HM，HM可由用户手动输入设定。此时，HM与M次谐波信号对应的增益系数gM满足以下关系式：，g0=1。g0=1代表低音信号的幅度。以上公式中，M=1，2，3，4或5，将M=1，2，3，4或5代入从而分别得到M次谐波信号对应的增益系数g1，g2，g3，g4和g5。第二种增益系数的计算方法相对于第一种计算方法具有更灵活的谐波幅度调整功能。步骤S40，将调整幅度后的N个M次谐波信号相加，得到总谐波信号。具体地，以M为1到5为例来说明，即将一次谐波信号至五次谐波信号相加后，得到总谐波信号，通过将五个谐波信号相加以得到总谐波信号，然后，用户根据总谐波信号来感知低音信号。具体地，参照图4和图5，当采用本发明低音增强方法在输入50Hz单频低音信号输入时，参照图5生成的谐波信号的典型图样看出生成整数次谐波信号的频率分别为100Hz，150Hz，200Hz，250Hz，此时对应的增益系数g1，g2，g3，g4和g5分别为1，1/32，1/256，1/1024，1/2048。具体地，参照图6和图7，当采用本发明低音增强方法在输入50Hz和70Hz复合低音信号输入时，参照图7，此时生成整数次谐波信号的频率为100Hz，150Hz，200Hz，250Hz以及140Hz，210Hz，280Hz，350Hz。此时对应的增益系数g1，g2，g3，g4和g5分别为1，1/32，1/256，1/1024，1/2048。且从谐波信号的典型图样可以看出采用本发明的低音增强方法产生的谐波信号没有产生交调失真的现象。本实施例主要说明了扬声器中的低音信号的增强方法。需要说明的是，在具体实施时，可通过设置高通滤波器和低通滤波器分别将扬声器的左、右声道的音频信号提取高音信号和低音信号，然后，根据本发明提出的低音增强方法对低音信号进行处理，以产生低音信号的M次谐波信号，最后，再将左、右声道的高音信号与M次谐波信号相加，作为最终的左、右声道输出信号。另外，本发明优选产生前五次谐波信号，因五次谐波信号后面的高次谐波信号会改变用户听觉上的音色，从而引起声音失真。本发明提出的低音增强方法，通过将音频信号中的低音信号提取出来，然后将低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成N个低音信号的M次谐波信号，然后将M次谐波信号调整到预设幅度并将调整幅度后的N个M次谐波信号相加，得到总谐波信号。本发明提出的低音增强方法因为是对每个谐波信号单独进行调节幅度，克服了现有技术中因将所有的谐波信号一起调节幅度从而不容易控制的缺点，使各谐波信号幅度更容易控制，同时本发明提出的生成谐波的方法运算量小，只用时间压缩处理和时域延拓处理即可生成低音信号的M次谐波信号，因运算量小，故相应的低音增强装置耗电量也较小。另外，将各个谐波信号单独处理，避免了现有技术中因乘法运算而产生的交调失真现象。如应用本发明提出的低音增强方法，可满足体积越来越轻薄化的扬声器的扩音需求，特别适用于轻薄化的电子设备。本发明进一步提出一种低音增强装置。参照图8，图8为本发明低音增强装置的优选实施例的结构示意图。本优选实施例中，低音增强装置包括：低通滤波器10，用于提取音频信号中的低音信号；低音信号按帧输入，一帧的长度L在5ms-100ms之间，具体根据系统延时要求来确定。谐波生成模块20，用于将低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成N个低音信号的M次谐波信号；其中，N和M为正整数，且N大于1，M代表低音信号产生的为正整数次谐波信号。谐波生成模块20可采用以下两种方案来具体实现。第一种方案为：谐波生成模块20具体用于将低音信号先进行N次时间压缩，以生成N个M次谐波信号，然后将N个M次谐波信号在时域上分别延拓为M个周期，得到与压缩前的低音信号长度相同的M次谐波信号。第二种方案为：谐波生成模块20具体用于将低音信号在时域上进行延拓处理；然后将延拓后的低音信号进行N次时间压缩，得到N个与延拓前的低音信号长度相同的M次谐波信号。第二种方案将延拓处理放在时间压缩之前，避免了当L/M不为整数时，还需要作进一步的处理才能保证在延拓时，其中表示取整操作。幅度调整模块30，用于根据M次谐波信号对应的增益系数将该M次谐波信号调整到预设幅度；每一个谐波信号均对应一个增益系数，通过根据对应的增益系数分别将所有的M次谐波信号调整到预设幅度。加法器40，用于将调整幅度后的所有的M次谐波信号相加，得到总谐波信号。具体地，以M为1至5为例来说明，即将一次谐波信号至五次谐波信号相加后，得到总谐波信号，通过将五个谐波信号相加以得到总谐波信号，然后，用户根据总谐波信号来感知低音信号。本发明提出的低音增强装置，通过低通滤波器10将音频信号中的低音信号提取出来，然后谐波生成模块20对低音信号进行N次时间压缩处理和时域延拓处理，以生成N个低音信号的M次谐波信号，通过幅度调整模块30将M次谐波信号调整到预设幅度并使用加法器40调整幅度后的N个M次谐波信号相加，得到总谐波信号。本发明提出的低音增强装置因为是对M次谐波信号单独进行调节幅度，克服了现有技术中因将所有的谐波信号一起调节幅度从而不容易控制的缺点，使各谐波信号幅度更容易控制，同时因只用时间压缩处理和时域延拓处理即可生成低音信号的M次谐波信号，因运算量小，故低音增强装置耗电量也较小。另外，将各个谐波信号单独处理，避免了现有技术中因乘法运算而产生的交调失真现象。如应用本发明提出的低音增强装置，可满足体积越来越轻薄化的扬声器的扩音需求，特别适用于安装在轻薄化的电子设备上。本发明进一步还提出一种声音控制设备。参照图9，图9为本发明声音控制设备的优选实施例的结构示意图。本实施例中，声音控制设备包括低音增强装置50，还包括与低音增强装置50依次连接的滤波参数计算器60、人机交互接口70和低音控制器80；其中，低音增强装置的具体结构参照上述实施例，在此不再赘述。低音控制器80，用于供用户输入相关的低音控制参数；人机交互接口70，用于接收低音控制参数并发送至滤波参数计算器；滤波参数计算器60，用于根据接收到的低音控制参数计算出增益系数。具体地，用户可通过低音控制器80以输入相关的低音控制参数，然后，通过人机交互接口70将低音控制参数发送至滤波参数计算器60，滤波参数计算器60里设置有计算增益系数的程序，可根据低音控制参数计算出M次谐波信号对应的增益系数。具体地，本发明提出滤波参数计算器60的两种计算方法。第一种计算方法为：低音控制参数包括扬声器的低频截止频率fc和高次谐波衰减系数n，当M次谐波信号对应的增益系数为gM，音频信号采样率为fs，其中，fc、n和gM满足以下关系式：;，此时，M=2，3，4或5。首先将M=2，g1=1代入公式可计算出二次谐波信号的增益系数g2，此时g1=1代表一次谐波信号相对于低音信号的幅度保持不变。然后，因n和g2已知，将M=3代入公式中得到三次谐波信号对应的增益系数g3，依次类推得到四次谐波信号对应的增益系数g4和五次谐波信号对应的增益系数g5。本发明可根据扬声器的低频截止频率fc采用巴特沃斯滤波器以设计高通滤波器和低通滤波器的具体参数，高通滤波器和低通滤波器类型可采用IIR（InfiniteImpulseResponse，数字滤波器）。第二种计算方法为：低音控制参数包括扬声器的低频截止频率fc和各次谐波幅度HM，当M次谐波信号对应的增益系数为gM时，其中，HM和gM满足以下关系式：，g0=1g0=1代表低音信号的幅度。以上公式中，M=1，2，3，4或5，将M=1，2，3，4或5代入从而分别得到M次谐波信号对应的增益系数g1，g2，g3，g4和g5。滤波参数计算器采用第二种计算方法相对于第一种计算方法具有更灵活的谐波幅度调整功能。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。