声音信号的频谱分析（一）

大家无论是学习“信号与系统”还是“数字信号处理”，“频谱”都是一个常常提到的词。频谱到底是什么？

下面就借助matlab，给出一些声音信号的频谱，大家结合对应的时域波形图的模样，再听一听声音，就可以更直观地理解频谱的概念。

1、常用函数介绍

本节通过分析.wav格式的声音文件来进一步讨论数字信号处理中的信号分析方法。首先介绍几个常用函数：

[x,fs,bits]=waveread(‘filename’)

函数功能：读取wav文件的数据；

输入参数：filename——文件名；

输出参数：x——声音数据，一般是两列（立体声）；

          fs——该wav文件在采集时用的采样频率；

bits——进行A/D量化时的位数（一般是8bits或16bits）

 

sound(x,fs,bits)

函数功能：将序列x中存放的数据通过声卡转换为声音文件。

输入参数：同上。

2、wav文件的频域分析

选择每个Matlab都有的wav文件ding.wav（在C:\MATLAB701\toolbox\vr\vrealm\program\sounds目录下）作为分析对象，这是一个比较单纯的声音“叮……”。首先用wavread函数读出文件中的数据，并用sound函数播放。然后对声音数据做FFT，显示幅度谱，并判断波峰所在位置。程序如下：

示例程序：

close all;clearall;clc;figure;

[w,fs,bits]=wavread('C:\MATLAB701\toolbox\vr\vrealm\program\sounds\ding.wav');

sound(w,fs,bits);               %听一下原始声音

y=w(:,1);                     %取其中一列

display('声音文件的大小为：');size(w)

subplot(211);plot(y);title('时域波形');

 N=pow2(nextpow2(length(y)));%fft点数：最接近文件大小的2的整数幂

Y=fft(y,N);

subplot(212);plot(fs*[1:N]/N,abs(Y));title('幅度谱');grid;

    运行结果如下图。显然，幅度谱是以fs/2为中心对称的，这是所有实信号的幅度谱的共性。有一个比较明显的主峰，频率分布非常集中。若把频谱图放大显示局部可以看到，频率集中在1040~1050Hz范围内，并且呈现非常尖锐的特点。这与声音听起来音调比较单调的特点是相吻合的。

图1 ding.wav文件的时域波形和频谱图及频谱的局部放大图

 

大家可以自行替换文件名，得到其他声音文件的时域波形和频谱图。如下图2-6所示。

图2   chimes.wav文件的时域波形和频谱图

图3   bird.wav文件的时域波形和频谱图

图4   explo.wav文件的时域波形和频谱图

图5   splwater.wav文件的时域波形和频谱图