基于matlab的声音信号简单分析与处理
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现代科技为声音的处理提供了更加简单，快 捷方法。在将来，随着人们对于声音的研究 和利用的深入，定会为社会带来巨大便利。
参考文献 [1]刘小群，周云波.基于Matlab的DFT及FFT频谱 分析.山西电子技术，2010 [2]朱哲民，龚秀芬，杜功焕.声学基础.南京大 学出版社，2001 [3]李益华.MATLAB辅助现代工程数字信号处 理.西安电子科技大学出版社，2010
3 几个常见声音信号频谱图比较 3.1 纯音及复音频谱比较 前面已经说过声音是由机械振动形成
的，但不是任何机械运动的声音都是可以听 见的，一般认为20Hz-20000Hz的声音是人 耳可以听见的。低于20Hz 的“声音”叫做 次声，高于20k Hz 的“声音”叫做超声。 而由频率单一声源振动形成的声音称为“纯 音”，而由不止一个频率的振动所形成的声
增大总体趋势来是逐渐减小的，能量主要集 中在相对低率处。由此图可以推断笛声单一 音阶的声音即为纯音，该笛声的频谱图即为 三个音阶合成的效果。倘若截取适当的时间 端，使声音信号中仅有一个音阶存在，应该 可以得到纯音的频谱图，即图中声波只集中 在一个频率处。而木框碎裂的声音则为常见 的复音，声波连续分布在各个频率处。
3.2 不同音调的声音的频谱比较
图1 图2
-49-
基础及前沿研究
Fundamental and frontier research
中国科技信息2013年第08期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2013
上接第48页
产生的电磁脉冲对精密仪器产生较大的影
4 滤波器处理声音 当声音信号中混有我们不想要的杂音，
或其他干扰，操作者可以根据具体需要，使 用matlab构造合适的滤波器，去除信号中 的干扰成分。在matlab环境下一般可以使 用butter函数构造滤波器，然后使用fftfilt调 用对声音信号进行滤波，代码如下：
…… [b,a]=butter(N,Wn); X=fft(x,n); y=filter(b,a,x); subplot(211);plot(y);title('滤波后信号 的波形'); subplot(212);plot(Y);title('滤波后信
由此可见，随着与避雷针、引下线间距 离的增大，跨步电压迅速减小。因此，在室 外时，为减小跨步电压和接触电压的危害， 在雷雨天应远离避雷针及引下线，至少离开 55m。室内地面采用水泥等高电阻率硬化设 施，不存在跨步电压的危害。 5 结语
综上所述，厂房区域内复杂的雷电活动 对生产活动及人员安全将产生巨大的危害， 合理有效的防护措施可减少其危害。本次闪 电定位资料的分析仅针对该航空雷达生产厂 房，但对相类似的高精度仪器生产也具有一 定的借鉴意义。
参考文献 [1]GB50057-2010，建筑物防雷设计规范 [2]林维勇.建筑物防雷安全距离计算方法研究 [A] [3]金磊：最新现代建筑防雷与电器安全设计资 料选集[C].北京：电杂志社，1996.45-50 作者简介 李海雷.大学本科工程师。
-50-
表1 跨步电压值
图4
不同声音不单有强弱的差别，而且在音 调上也有区别。例如女性声音一般比男性要 高，小提琴的声音音调比大提琴要高。研究 证明，决定声音音调是它的基频，即一个复 音中最强的频率。
如图3为一简单男性声音样本和一简单 女性声音样本通过matlab处理后输出的频 谱图，从图中可以明显看出女性声音基频高 于男性，即女性声音音调比男性高，验证了 前面基频决定声调的理论。
Baidu Nhomakorabea
式中：ΔU-跨步电压（kV）； ρ-土壤电阻率（Ω·m）； i-雷电流幅值（kA）； s-跨步步距（m）； d-雷击点与靠近雷击点的脚的距离 （m）。 经现场勘查，该区域土壤电阻率 ρ=36.6Ω·m。如图3所示，厂房所在区 域雷电流强度主要集中在0～25kA，约占 地闪总数的97.32%，故选取雷电流幅值 i=25kA，两脚之间的距离s=0.8m。产生的 跨步电压值见表1。
DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2013.08.012
基于matlab的声音信号简单分析与处理
李嘉亮 东南大学机械工程学院，南京 211189
摘要 声音信号分析技术主要是从时域与频域方面 的分析。在基于声学一些基础知识下，使用 了matlab对于几个生活中常见的声音进行了 分析和比较。同时还在matlab环境下制作了 一个滤波器，对声音进行了简单的处理。 关键词 声音信号；matlab；滤波器
音则称为“复音”。 图2中上半张幅频图为笛声的频谱图，
而下半张则为一木框打碎时所发出的声音 的频谱图。虽然两者都是复音，但有明 显的区别。笛声声波主要集中在750Hz， 1400Hz，2300Hz这三处，都在人耳可闻的 频率范围内。而木框被打碎时所发出声音声 则分布在0～5500Hz，含有次声0～20Hz， 和人耳可闻的声音两个部分。其幅值随频率
响，且应该在上述时间段内停止工作人员的
户外活动，以保证工作人员的生命安全。
4.2 防护措施的建议
4.2.1 直击雷防护
雷云的移动规律主要与当地的地理位置
及地面建筑有关。由第3.4节可看出，雷云
的移动来向主要集中在西及西南方向，因此
建议该航空雷达厂房的直击雷防护措施优先
采用避雷网格进行防护，同时也可采用接闪
杆进行防护，接闪杆应优先安装在建筑物的
西侧
4.2.2 跨步电压防护
当雷电流通过避雷针泄入大地时，由于
大地存在一定的电阻（大小取决于土壤电阻
率），在雷电流入地点附近的区域将形成电
压降的分布。在这个电压分布的影响下，地
面上任何两点之间都将出现电压，如果一个
人的两只脚分别踩在两个分开的点上，两只
图3
脚之间的电压称为跨步电压，工程上一般以 0.8m作为步距。计算跨步电压公式为：
2 通过matlab得到信号的时域图、频谱图 在matlab中我们可以使用wavread()函
数从音频文件中读取所需的的信息，即可将 将对应时域图绘出。在得到了声音的时域信 号之后，可以使用matlab提供fft函数对时 域信号数据进行傅里叶变换，再使用abs， angle计算幅值和相角，函数取得从而得到 其频域图，绘制频谱图代码如下
…… [x,fs,bits]=wavread('ex.wav',[1024 5120]); y=fft(x,N); magy=abs(y); angely=angel(y) f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y); Subplot(311);plot(x);title('时域图') subplot(312);plot(f(1:N/2),magy(1 :N/2)); title('幅频图');grid subplot(322);plot(f(1:N/2),angely(1 :N/2)); title('相频图');grid …… 如图1即为对一泼水声的声音信号所做 处理后所得的时域图，频谱图。而在之后几 次声音分析中主要用到的是幅频图。
1 概述 声音是物体的机械振动而形成的，以波
的形式在介质中传播。因此声波拥有频率， 波长等波共有的特征。不同声音信号中含有 不同的频率成分，其强度也不同，所以每个 声音都有自己的频谱，称为声谱，一个声音 之所以不同于另一个声音，归根到底也是因 为他们频谱的不同。而matlab拥有强大的 数据处理能力，且编程简单，操作容易，可 以很有效的帮助人们处理声音信号。在处理 信的一般过程使用matlab读入音频文件中 的声音信号，绘出其时域图。然后通过傅里 叶变得到声音信号的频谱图，做进一步进行 分析。
号的频谱'); …… N为滤波器阶数，Wn为截止频率。
使用matlab构造N=5，Wn=100Hz的滤波 器，对开始处的泼水声音信号进行滤波，效 果见图4。可以看到信号由于原来分布较稠 密，而经过滤波之后信号分布变得较为稀 疏，可以方便的观察所需频段声波特点。
5 结语 声音在人类生活中扮演了重要的角色。
参考文献 [1]刘小群，周云波.基于Matlab的DFT及FFT频谱 分析.山西电子技术，2010 [2]朱哲民，龚秀芬，杜功焕.声学基础.南京大 学出版社，2001 [3]李益华.MATLAB辅助现代工程数字信号处 理.西安电子科技大学出版社，2010
3 几个常见声音信号频谱图比较 3.1 纯音及复音频谱比较 前面已经说过声音是由机械振动形成
的，但不是任何机械运动的声音都是可以听 见的，一般认为20Hz-20000Hz的声音是人 耳可以听见的。低于20Hz 的“声音”叫做 次声，高于20k Hz 的“声音”叫做超声。 而由频率单一声源振动形成的声音称为“纯 音”，而由不止一个频率的振动所形成的声
增大总体趋势来是逐渐减小的，能量主要集 中在相对低率处。由此图可以推断笛声单一 音阶的声音即为纯音，该笛声的频谱图即为 三个音阶合成的效果。倘若截取适当的时间 端，使声音信号中仅有一个音阶存在，应该 可以得到纯音的频谱图，即图中声波只集中 在一个频率处。而木框碎裂的声音则为常见 的复音，声波连续分布在各个频率处。
3.2 不同音调的声音的频谱比较
图1 图2
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基础及前沿研究
Fundamental and frontier research
中国科技信息2013年第08期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2013
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产生的电磁脉冲对精密仪器产生较大的影
4 滤波器处理声音 当声音信号中混有我们不想要的杂音，
或其他干扰，操作者可以根据具体需要，使 用matlab构造合适的滤波器，去除信号中 的干扰成分。在matlab环境下一般可以使 用butter函数构造滤波器，然后使用fftfilt调 用对声音信号进行滤波，代码如下：
…… [b,a]=butter(N,Wn); X=fft(x,n); y=filter(b,a,x); subplot(211);plot(y);title('滤波后信号 的波形'); subplot(212);plot(Y);title('滤波后信
由此可见，随着与避雷针、引下线间距 离的增大，跨步电压迅速减小。因此，在室 外时，为减小跨步电压和接触电压的危害， 在雷雨天应远离避雷针及引下线，至少离开 55m。室内地面采用水泥等高电阻率硬化设 施，不存在跨步电压的危害。 5 结语
综上所述，厂房区域内复杂的雷电活动 对生产活动及人员安全将产生巨大的危害， 合理有效的防护措施可减少其危害。本次闪 电定位资料的分析仅针对该航空雷达生产厂 房，但对相类似的高精度仪器生产也具有一 定的借鉴意义。
参考文献 [1]GB50057-2010，建筑物防雷设计规范 [2]林维勇.建筑物防雷安全距离计算方法研究 [A] [3]金磊：最新现代建筑防雷与电器安全设计资 料选集[C].北京：电杂志社，1996.45-50 作者简介 李海雷.大学本科工程师。
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表1 跨步电压值
图4
不同声音不单有强弱的差别，而且在音 调上也有区别。例如女性声音一般比男性要 高，小提琴的声音音调比大提琴要高。研究 证明，决定声音音调是它的基频，即一个复 音中最强的频率。
如图3为一简单男性声音样本和一简单 女性声音样本通过matlab处理后输出的频 谱图，从图中可以明显看出女性声音基频高 于男性，即女性声音音调比男性高，验证了 前面基频决定声调的理论。
Baidu Nhomakorabea
式中：ΔU-跨步电压（kV）； ρ-土壤电阻率（Ω·m）； i-雷电流幅值（kA）； s-跨步步距（m）； d-雷击点与靠近雷击点的脚的距离 （m）。 经现场勘查，该区域土壤电阻率 ρ=36.6Ω·m。如图3所示，厂房所在区 域雷电流强度主要集中在0～25kA，约占 地闪总数的97.32%，故选取雷电流幅值 i=25kA，两脚之间的距离s=0.8m。产生的 跨步电压值见表1。
DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2013.08.012
基于matlab的声音信号简单分析与处理
李嘉亮 东南大学机械工程学院，南京 211189
摘要 声音信号分析技术主要是从时域与频域方面 的分析。在基于声学一些基础知识下，使用 了matlab对于几个生活中常见的声音进行了 分析和比较。同时还在matlab环境下制作了 一个滤波器，对声音进行了简单的处理。 关键词 声音信号；matlab；滤波器
音则称为“复音”。 图2中上半张幅频图为笛声的频谱图，
而下半张则为一木框打碎时所发出的声音 的频谱图。虽然两者都是复音，但有明 显的区别。笛声声波主要集中在750Hz， 1400Hz，2300Hz这三处，都在人耳可闻的 频率范围内。而木框被打碎时所发出声音声 则分布在0～5500Hz，含有次声0～20Hz， 和人耳可闻的声音两个部分。其幅值随频率
响，且应该在上述时间段内停止工作人员的
户外活动，以保证工作人员的生命安全。
4.2 防护措施的建议
4.2.1 直击雷防护
雷云的移动规律主要与当地的地理位置
及地面建筑有关。由第3.4节可看出，雷云
的移动来向主要集中在西及西南方向，因此
建议该航空雷达厂房的直击雷防护措施优先
采用避雷网格进行防护，同时也可采用接闪
杆进行防护，接闪杆应优先安装在建筑物的
西侧
4.2.2 跨步电压防护
当雷电流通过避雷针泄入大地时，由于
大地存在一定的电阻（大小取决于土壤电阻
率），在雷电流入地点附近的区域将形成电
压降的分布。在这个电压分布的影响下，地
面上任何两点之间都将出现电压，如果一个
人的两只脚分别踩在两个分开的点上，两只
图3
脚之间的电压称为跨步电压，工程上一般以 0.8m作为步距。计算跨步电压公式为：
2 通过matlab得到信号的时域图、频谱图 在matlab中我们可以使用wavread()函
数从音频文件中读取所需的的信息，即可将 将对应时域图绘出。在得到了声音的时域信 号之后，可以使用matlab提供fft函数对时 域信号数据进行傅里叶变换，再使用abs， angle计算幅值和相角，函数取得从而得到 其频域图，绘制频谱图代码如下
…… [x,fs,bits]=wavread('ex.wav',[1024 5120]); y=fft(x,N); magy=abs(y); angely=angel(y) f=(0:length(y)-1)'*fs/length(y); Subplot(311);plot(x);title('时域图') subplot(312);plot(f(1:N/2),magy(1 :N/2)); title('幅频图');grid subplot(322);plot(f(1:N/2),angely(1 :N/2)); title('相频图');grid …… 如图1即为对一泼水声的声音信号所做 处理后所得的时域图，频谱图。而在之后几 次声音分析中主要用到的是幅频图。
1 概述 声音是物体的机械振动而形成的，以波
的形式在介质中传播。因此声波拥有频率， 波长等波共有的特征。不同声音信号中含有 不同的频率成分，其强度也不同，所以每个 声音都有自己的频谱，称为声谱，一个声音 之所以不同于另一个声音，归根到底也是因 为他们频谱的不同。而matlab拥有强大的 数据处理能力，且编程简单，操作容易，可 以很有效的帮助人们处理声音信号。在处理 信的一般过程使用matlab读入音频文件中 的声音信号，绘出其时域图。然后通过傅里 叶变得到声音信号的频谱图，做进一步进行 分析。
号的频谱'); …… N为滤波器阶数，Wn为截止频率。
使用matlab构造N=5，Wn=100Hz的滤波 器，对开始处的泼水声音信号进行滤波，效 果见图4。可以看到信号由于原来分布较稠 密，而经过滤波之后信号分布变得较为稀 疏，可以方便的观察所需频段声波特点。
5 结语 声音在人类生活中扮演了重要的角色。