音频均衡器 EQ
概述
EQ（Equaliser）为音频均衡器，通过对声音某一个或多个频段进行增益或者衰减，其他频段保持不变从而达到调整音色的目的。音频均衡器在各个音乐 app 中，各个 RTC 厂商中都可以设置。以声网的 RTC 的 demo 为例，图中红色的部分就是音频均衡器。：
人声对各个频段的感受
首先我们来了解一下各个频段对人声的影响。人耳可分辨的声音频率大约是在 20Hz~20kHz，因此调音台中的四段均衡器把其分为的 4 个频段，根据德国柏林音乐研究所资料介绍，它们是：
• HF（高频）：6kHz-16kHz，影响音色的表现力、解析力。
• MID HF（中高频）：600Hz-6kHz，影响音色的明亮度、清晰度。
• MID LF（中低频）：200Hz-600Hz，影响音色和力茺和结实度。
• LF（低频）：20Hz-200Hz，影响音色的混厚度和丰满度。
下面是关于调音的一些知识（来源于EQ各频段的基本知识-调音必看），我也没有自己调过，拿出来让大家对各个频段有个感性的认识
[20－60Hz]影响音色的空间感
[60-100Hz]影响声音的混厚感，是低音的基音区。
[80－160Hz]主要表现音乐的厚实感，音响在这部分重放效果好的话，会感到音乐厚实、有底气。
[150－300Hz]影响声音的力度，尤其是男音的力度。这段频率是男声声音的低频基音频率，同时也是乐音中和弦的根音频率。
[300－500Hz]表现人声的（唱歌、朗诵），这个频段上可以表现人声的厚度和力度，好则人声明亮、清晰，否则单薄、混浊。
[800Hz]影响音色的力度。如果这个频率丰满，音色会显得强劲有力;如果不足，音色将会显得松弛
[1kHz]是音响器材测试的标准参考频率，通常在音响器材中给出的参数是在 1kHz 下测试。这是人耳最为敏感的频率。
[1.2kHz]可以适当多一点，不宜太多，可以提高声音的明亮度，过多会使声音发硬。
[2k-4kHz]穿透力很强。人耳耳腔的谐振频率是 1∽4KHz，所以人耳对这个频率也是非常敏感的。2-4kHz 对声音的亮度影响很大，这段声音一般不宜衰减。
[4k－8kHz]这段频率最影响语音的清晰度、明亮度、如果这频率成分缺少，音色则变得平平淡淡;如果这段频率成分过多，音色则变得尖锐，人声可能出现齿音。
[8k-12kHz]这段是音乐的高音区，对音响的高频表现感觉最为敏感。适当突出（一点即可）对音响的的层次和色彩有较大帮助，也会让人感到高音丰富。但是，太多的话会增加背景噪声，同时也会让人感到声音发尖、发毛。如果这段缺乏的话，声音将缺乏感染力和活力。
[12k－16kHz]能够影响整体的色彩感，这段过于黯淡会导致乐器失去个性，过多则会产生毛刺感。
[16k－20kHz]可能很多人都听不到，听不到并不意味着器材无法回放，只有很少人可以听到 20kHz。这段频率可以影响高频的亮度，以及整体的空间感，过少会让人觉得有点闷，太多则会产生飘忽感，容易产生听觉疲劳。电子合声、古筝钢琴等乐器的泛音多表现于此。
EQ 参数设置
EQ 的设计原理不复杂，但是如何调节各个波段的增益保持声音动听这是一大难点。EQ 通常使用滤波器来对各个频段滤波来实现。通常我们会把 EQ 设置为 10 个频段，每个频段有中间频率，截止频率，起始频率。在书籍《Audio Effects》有如下表，其中左边代表倍频，右边代表 1/3 倍频：
根据以上的介绍，我们知道 EQ 中最重要的参数包括：
1）进行增益的中心频率：f0
2) 当前频段要进行的增益：G Gain 增益可以为正为负
3）设定进行增益或衰减频段宽度的参数：Q Quantize，Q 越小，频段越宽；反之，频段越窄。
确定好 EQ 中需要的参数后，下一步就是设计对各个频段进行增益 or 衰减的滤波器，滤波器一般使用 IIR 滤波器，原始数据经过音频滤波后便可达到美声的效果。
滤波器
滤波器常见的有低通、高通、带通滤波器。这些滤波器都有一个共同的点，理想情况下，在滤波器截止频率范围以外，增益基本为 0。而 EQ 需要对声音某一个或多个频段进行增益或者衰减，其他频段保持不变从而达到调整音色的目的。因此，理想情况下，滤波器截止频率范围以外，增益基本为 1。因此，EQ 中使用的滤波器为 lowself，highself，peak 滤波器。下面详细介绍下这 3 种滤波器。
lowself 滤波器
lowself 滤波器是低通滤波器的一个变形版本，需设置截止频率外增益为 1。因此，lowshelf 滤波器可以认为是低通滤波器在截止频率外并联一个直通信号。
lowself 滤波器的增益曲线为：
一阶 lowself 滤波器的传输函数表示为：
其中 A(z)是一个一阶全通滤波器。
highself 滤波器
highself 滤波器与 lowself 的设计是一样的。只需要将 Z 变化为 1/Z 即可。
highself 滤波器的增益曲线为：
peak 滤波器
peak 滤波器是带通滤波器的变形。
滤波器的增益曲线为：
一阶 peak 滤波器设计为
其中 A2(z)为一个二阶全通滤波器
这里我对各个滤波器的传输函数介绍的比较简易：详细的可以看一阶shelf IIR数字滤波器的设计和实现和IIR peaking filter探秘。
对于 EQ 各个频段使用滤波器时，第一个频段需要使用 lowshelf filter，最后一个频段使用 highshelf filter，其余频段使用 peak filter
滤波器实现
滤波器使用二阶的 IIR 滤波器，可以表示为
频域行为:
b0 + b1*z^-1 + b2*z^-2
H(z) = ------------------------
a0 + a1*z^-1 + a2*z^-2
时域形式为：
y[n] = (b0/a0)*x[n] + (b1/a0)*x[n-1] + (b2/a0)*x[n-2]- (a1/a0)*y[n-1] - (a2/a0)*y[n-2]
求解滤波器可以使用 Audio_EQ_CookBook 中的方法，Audio_EQ_CookBook 使用双线性变换法将滤波器从 S 域转换到 Z 域，为方便示意，下列参数示意都在 S 域。关于双线性变换法可以参考：知乎-双线性变换法
首先设置中间参数 dBgain 增益 f0 截止频率
loweshelf filter 设计为
highshelf filter 设计为
peak filter 设计为
开源代码的实现
开源音频编辑软件 audacity 实现了 EQ，可参照其实现自己的 EQ。
小结
本文介绍了音频 EQ 及其原理，侧重点还是在 EQ 的滤波器的设计上。EQ 的滤波器一般使用 IIR 滤波器，这样节省了很多运算复杂度，但是实现 IIR 滤波器的时候，一定要考虑滤波器的稳定性。关于 EQ 的代码剖析，如果有时间，会补上。
参考
版权声明: 本文为 InfoQ 作者【floer rivor】的原创文章。
原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/7d89f0251237cc6b8ce740e77】。文章转载请联系作者。
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