[发明专利]人工混响设备和方法

说明书

本申请要求2007年6月30日提交的题为“人工混响设备和方法”的美国临时专利申请#60/937,817的优先权。 

技术领域

本发明总的来说涉及用于模拟声音混响的音频信号的处理，尤其涉及该处理在乐器和声乐作品中的应用。本发明特别适用于对音频信号进行电子处理，以添加用户期望的混响效果。人工混响(artificial reverberation)模拟大的房间或音乐厅等的封闭空间内的声音环境。 

背景技术

通常向音频信号添加混响，以增强听众对环境和空间的感知。当声音在封闭空间内传播时，发生自然混响；声音从房间内的各种墙壁和物体反射，随后及时返回至听众。由于在将声音向外发送至三维空间中时该声音的能量损失，因而反射的声音或混响随时间呈指数衰减。典型地，由于空气和墙表面对高频的吸收，因此声音在高频处衰减得更快。 

人工混响的音质(sonic quality)远比自然混响的音质更容易控制；并且由于该原因，在创建、记录和再现声音时，通常使用人工混响。人工混响通过采用延迟、频率响应滤波和反馈的组合来模拟自然混响。已经通过包括机电、模拟电子和数字电子的各种部件实现了这些机构。机电部件包括弹簧和板式混响。模拟电子部件包括戽斗链延迟(bucket-brigade delay，BBD)的使用。数字电子部件包括利用数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)等的嵌入式数字硬件的实现以及在个人计算机等的通 用处理平台内的软件实现。 

这些部件的实现均具有与声音质量、成本、大小和制造简易性等有关的优点和缺点。典型地，成本是在选择要嵌入消费级音频产品或入门级专业产品内的混响装置时首先要考虑的。由于现有技术的(即，机械的)弹簧混响器是最低成本的选择，因此在吉他放大器等的装置中通常仍能发现这些弹簧混响器。然而，数字电子混响器由于近来的成本降低、小型化和通常优良的声音质量而日益流行。高质量自然发音的人工混响的创建或生成几乎无例外地采用了由延迟线(delay line)用的存储器和乘法求和用的运算逻辑这两者组成的数字电路。使用DSP(数字信号处理器)或者能够进行高速运算处理的类似微处理器来实现众多人工混响处理器。设计前述DSP以进行各种处理算法，但对于简单地生成混响而言，前述DSP在成本上不是最优的。成本最优的数字方案需要ASIC；然而，该方案需要极大的前期工程投入和成本。同样地，简单混响处理器的实现比所需的更昂贵。 

数字混响器算法采用典型地被配置为早期反射滤波器、梳状滤波器和全通滤波器的组合的一个或多个延迟线。早期反射滤波器是意图模拟混响的脉冲响应中最初的约100ms的非均匀间除的非递归滤波器。这里的梳状滤波器是延迟后的输出被反馈、加权并与输入进行求和的递归滤波器。梳状滤波器的延迟的长度一般在50ms和100ms之间，并且经常在输出侧嵌入低通滤波器以模拟空气中声音的高频吸收。这里的全通滤波器是无论何处延迟长度均在几毫秒至100多毫秒之间的一阶滤波器。通常将前述滤波器与反馈串联和/或并联组合，以创建混响器算法。通常，采用多个滤波器类型，以克服各滤波器的固有缺陷，并为各种输入信号提供充分的声音质量。不利地，这导致需要 极大的延迟存储器和运算资源，从而进一步制约了数字混响器的成本降低。 

Stautnef和Puckette在参考文献“Designing Multi-ChannelReverberators”(Computer Music Journal，vol.6.no.1，pp.52-65，Spring 1982)中介绍了反馈延迟网络(feedback delay network，FDN)，在该反馈延迟网络中，多个延迟线的输出在与延迟线的输入相加之前，通过反馈矩阵被反馈。在现有技术的并行梳状滤波混响器中，各延迟的输出仅反馈至其自身的输入，通过以下系统方程式来描述： 

y＝z^-τ(x+gy) 

其中，x是输入，y是输出，τ是采样延迟，g是反馈系数，并且在傅立叶空间(Fourier space)中z＝e^jw。FDN混响器使用输出可以反馈至多个延迟线输入的多个并行延迟；然而，必须满足一定条件以确保网络的稳定性。即，不能使网络满足单位回路增益和2π回路相移的倍数的Barkhausen标准。使用矩阵，作者概括梳状滤波器，并由此利用以下系统方程式来描述多个并行梳状滤波器：