新工科背景下語音信號處理虛擬仿真實驗平臺設計

劉霞 王秀芳 李艷輝 霍鳳財 梁紅衛

摘要：針對“新工科”對學生的工程應用能力和綜合素質提出更高要求的背景下，開發了基于Matlab GUI的語音信號處理虛擬仿真實驗平臺。該平臺可實時錄制本人語音信號，并可根據男女聲分別進行時域處理、頻域處理，聲音特殊效果的處理等，通過對比男女聲的時頻特征，及濾波處理和變聲處理的前后變化，加深學生對語音信號處理的體驗，提升工程意識和思維能力。

Abstract： In the context of "new engineering" putting forward higher requirements on students' engineering application ability and comprehensive quality， a virtual simulation experiment platform for speech signal processing based on Matlab GUI was developed. The platform can record the voice signal of the person in real time， and can perform time domain processing， frequency domain processing， sound special effect processing， etc. according to the male and female voices respectively， and deepen students' experience in speech signal processing and enhance engineering awareness and thinking ability by comparing the time-frequency characteristics of the male and female voices and the changes before and after filter processing and sound processing.

關鍵詞：MATLAB;語音信號處理;新工科;實驗平臺

Key words： MATLAB;voice processing;new engineering;experiment platform

中圖分類號：TP75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）29-0263-02

0? 引言

新工科建設是基于國家戰略發展的新需求、國際競爭的新形勢提出的高等教育改革的新方向[1-2]。隨著科技的發展，除了人與人的溝通，人機對話和智能領域也開始使用語言進行交互。因此，語音信號處理是目前發展迅速的熱門研究領域。本文以語音為研究對象，采用Matlab GUI設計和開發了語音信號虛擬仿真實驗平臺。本實驗平臺學生可錄制本人語音信號，并可根據自己是男生和女生，對自己的聲音進行時域處理、頻域處理，聲音特殊效果的處理等，可對比男女聲的時頻特征，及濾波處理和變聲處理的前后變化等。學生參與實驗中，可激發學生的學習興趣，加深學生對語音信號處理的體驗，提升工程意識和綜合應用能力[3]。

1? 實驗仿真平臺的總體設計

該語音信號處理仿真實驗平臺采用Matlab的圖形用戶界面設計可視化的主界面，在主界面中，將每個功能設計成“按鈕”控件來完成，單擊按鈕，調用相應的回調函數，彈出新的圖形窗口，在該窗口中實現具體的語音處理功能。總體框架如圖1所示。實驗平臺主界面如圖2所示。

2? 仿真實驗

2.1 錄音及播放

實驗平臺使用電腦的聲卡設備采集聲音信號并保存為*.wav格式[4];單擊主界面的“錄音與播放”按鈕，在彈出界面中可實現錄制及播放，可通過文本框控制錄制的時間，并繪制時域波形和頻譜圖，如圖3所示。

2.2 男女聲語音處理實驗

單擊主界面中的“調幅”、“回聲”按鈕，可對男女聲分別進行調整振幅、和設置回聲效果，并繪制波形圖和頻譜圖，便于對比男女聲的特征。界面如圖4、圖5所示。

2.3 語音特效處理實驗

單擊主界面中的“變聲”、“調速”、“倒放”等按鈕，可實現對聲音信號的處理。如變聲實驗可實現對導入的音頻信號進行“大叔”“蘿莉”“搞怪”三種變聲處理，如圖6所示。

倒放實驗可對原始聲音信號進行倒放并且自動繪制倒放后信號的波形圖和頻譜圖，同時播放倒放后的聲音信號，如圖7所示。

2.4 語音濾波處理實驗

語音濾波處理實驗可對含噪語音信號進行低通高通濾波處理，截止頻率可調，并可通過輸入“音量級數”補償濾波后語音信號能量的損失。濾波界面如圖8所示。

3? 結語

本實驗平臺基于Matlab的GUI技術實現了人機交互界面設計，通過窗口、按鈕，菜單等控件實現了對語音信號的實時采集及播放、處理、保存等功能，界面操作簡單、便于學習。實驗內容精心設計，通過男女聲的對比處理，結合自身體驗完成實驗內容，激發學生的學習興趣，提升工程應用能力，符合新工科培養的要求。

參考文獻：

[1]朱君，宋樹祥，秦柳麗，等.“新工科”創新理念的電子信息類專業基礎實踐教學改革[J].實驗技術與管理，2017，34（11）：171-173.

[2]韓建，牟海維，等.新工科背景下數字信號處理課程教學方法探討[J].教育教學壇，2019（11）：185-186.

[3]孟若蘭，劉艷，等.基于MATLAB GUI 的變聲器設計與實現[J].電子測試，2018（17）：19-20.

[4]杜海龍，黃池軍.基于MATLAB 的語音信號仿真與分析[J].河南科技，2014（10）：10-11.