道听“Tu”说 | 奇妙的声音信号处理 (下)
导读:在数字式助听器中,麦克风采集声音信号,经过采样和量化,通过模数(A/D)转换将其转换为数字信号,数字信号处理器负责进行一系列的数字化处理,完成各种相应的算法,随后,处理后的数字信号通过数模(D/A)转换将其转化为模拟电信号,最后通过授话器将电信号还原为声信号。那么,数字式助听器又是如何确保输出高保真音质的呢?
(助听器工作原理图)
具体而言,当进行声音模拟记录时,声波的压力通过麦克风转换成电压。助听器中的模数转换器将电压转换成对应的数字码,这些数字以二进制数字代码的形式存储为1和0的序列。单个1或0,称为一个“位”(bit),是计算机中较小的存储单位。以光盘为例,如果采样率是44100 Hz,则模数转换器将会把声波以每秒44,100次转换为电压;在它的16位记录中,每个数字都以数字码的形式存储,该代码由16个1和0(“16位代码”)组成。采用了高采样率(32 kHz)和高比特率(32 bits),从而确保输出高保真音质,提高言语的可懂度及音乐的优美感。将声音信息存储在数字域中,声音就只是一组数字了。数字处理有无限的可能性,响度补偿、噪声抑制、声反馈消除等都可以通过数字信号处理来完成。
(信号的采样及存储)
早年的助听器采用线性放大,即对进入助听器的所有声音都给予同等量的放大,这样可能带来的问题就是小声听不到,大声又太吵,存在损伤听力的风险。当今的数字助听器均采用非线性压缩系统,使得听觉动态范围更宽,聆听更舒适。然而,压缩信号会产生一定量的失真。非线性系统的一个典型的失真源是“削峰”,它发生在电子放大器过载时;当输入电位过高时,声波的峰值会被削掉,削峰后的声音会变得复杂且混乱。采用了更高的大声输入限制(高达113 dB SPL),有效避免了削峰带来的声音失真。此外,采用以慢压缩为主的双变速压缩处理系统,当采用较慢压缩时,振幅控制不会随信号振幅的变化而立即改变,而是随着时间的推移而缓慢变化,在这种情况下,高分贝的声音会被逐渐调低,几乎不会产生失真,声音的精细结构几乎不受影响,从而能够增强可听度并保留言语的时域包络信息。
(声波削峰示意图)
通过这期文章的介绍,相信大家已经了解了科学家们是如何对声音信号进行数字化处理的,接下来就让我们一起来体验清晰明媚、自然舒畅的高保真音质吧!
参考文献:Christopher J. Plack, The sense of hearing, 3rd Edition, 13 June 2018, London. 译文