Python 简单的扩音，音频去噪，静音剪切

数字信号是通过对连续的模拟信号采样得到的离散的函数。它可以简单看作一个以时间为下标的数组。比如，x[n]，n为整数。比如下图是一个正弦信号(n=0,1, , 9)：

对于任何的音频文件，实际上都是用这种存储方式，比如，下面是对应英文单词“skip”的一段信号(只不过由于点太多，笔者把点用直线连接了起来）：

衡量数字信号的 能量（强度） ，只要简单的求振幅平方和即可：

我们知道，声音可以看作是不同频率的正弦信号叠加。那么给定一个声音信号（如上图），怎么能够知道这个信号在不同频率区段上的强度呢？答案是使用离散傅里叶变换。对信号x[n], n=0, , N-1，通常记它的离散傅里叶变换为X[n]，它是一个复值函数。

比如，对上述英文单词“skip”对应的信号做离散傅里叶变换，得到它在频域中的图像是：

可以看到能量主要集中在中低音部分（约16000Hz以下）。

在频域上，也可以计算信号的强度，因为根据Plancherel定理，有：

对于一般的语音信号，长度都至少在1秒以上，有时候我们需要把其中比如25毫秒的一小部分单独拿出来研究。将一个信号依次取小段的 *** 作，就称作分帧。技术上，音频分帧是通过给信号加一系列的 窗 函数 实现的。

我们把一种特殊的函数w[n]，称作窗函数，如果对所有的n，有0<=w[n]<=1，且只有有限个n使得w[n]>0。比如去噪要用到的汉宁窗，三角窗。

汉宁窗

三角窗

我们将平移的窗函数与原始信号相乘，便得到信号的“一帧”：

w[n+d]x[n]

比如用长226毫秒的汉宁窗加到“skip”信号大约中间部位上，得到一帧的信号：

可见除一有限区间之外，加窗后的信号其他部分都是0。

对一帧信号可以施加离散傅里叶变换（也叫短时离散傅里叶变换），来获取信号在这一帧内（通常是很短时间内），有关频率-能量的分布信息。

如果我们把信号按照上述方法分成一帧一帧，又将每一帧用离散傅里叶变换转换到频域中去，最后将各帧在频域的图像拼接起来，用横坐标代表时间，纵坐标代表频率，颜色代表能量强度（比如红色代表高能，蓝色代表低能），那么我们就构造出所谓 频谱图 。比如上述“skip”发音对应的信号的频谱图是：

（使用58毫秒的汉宁窗）

从若干帧信号中，我们又可以恢复出原始信号。只要我们适当选取窗口大小，以及窗口之间的平移距离L，得到 , w[n+2L], w[n+L], w[n], w[n-L], w[n-2L], ，使得对k求和有：

从而简单的叠加各帧信号便可以恢复出原始信号：

最后，注意窗函数也可以在频域作用到信号上，从而可以起到取出信号的某一频段的作用。

下面简单介绍一下3种音效。

1 扩音

要扩大信号的强度，只要简单的增大信号的“振幅”。比如给定一个信号x[n]，用a>1去乘，便得到声音更大的增强信号：

同理，用系数0<a<1去乘，便得到声音变小的减弱信号。

2 去噪（降噪）

对于白噪音，我们可以简单的用“移动平均滤波器”来去除，虽然这也会一定程度降低声音的强度，但效果的确不错。但是，对于成分较为复杂，特别是频段能量分布不均匀的噪声，则需要使用下面的 噪声门 技术，它可以看作是一种“多带通滤波器”。

这个特效的基本思路是：对一段噪声样本建模，然后降低待降噪信号中噪声的分贝。

更加细节的说，是在信号的若干频段f[1], , f[M]上，分别设置噪声门g[1], , g[M]，每个门都有一个对应的阈值，分别是t[1], , t[M]。这些阈值时根据噪声样本确定的。比如当通过门g[m]的信号强度超过阈值t[m]时，门就会关闭，反之，则会重新打开。最后通过的信号便会只保留下来比噪声强度更大的声音，通常也就是我们想要的声音。

为了避免噪声门的开合造成信号的剧烈变动，笔者使用了sigmoid函数做平滑处理，即噪声门在开-关2个状态之间是连续变化的，信号通过的比率也是在10-00之间均匀变化的。

实现中，我们用汉宁窗对信号进行分帧。然后对每一帧，又用三角窗将信号分成若干频段。对噪声样本做这样的处理后，可以求出信号每一频段对应的阈值。然后，又对原始信号做这样的处理（分帧+分频），根据每一帧每一频段的信号强度和对应阈值的差（diff = energy-threshold），来计算对应噪声门的开合程度，即通过信号的强度。最后，简单的将各频段，各帧的通过信号叠加起来，便得到了降噪信号。

比如原先的“skip”语音信号频谱图如下：

可以看到有较多杂音（在高频，低频段，蓝色部分）。采集025秒之前的声音作为噪声样本，对信号作降噪处理，得到降噪后信号的频谱图如下：

可以明显的看到大部分噪音都被清除了，而语音部分仍完好无损，强度也没有减弱，这是“移动平均滤波器”所做不到的。

3 静音剪切

在对音频进行上述降噪处理后，我们还可以进一步把多余的静音去除掉。

剪切的原理十分简单。首先用汉宁窗对信号做分帧。如果该帧信号强度过小，则舍去该帧。最后将保留的帧叠加起来，便得到了剪切掉静音部分的信号。

比如，对降噪处理后的“skip”语音信号做静音剪切，得到的新信号的频谱图为：

Python作为一门胶水语言，第三方库众多，下面我简单介绍几个好用的Python库：

tensorflow

这是谷歌非常著名的一个开源机器学习框架，在业界非常受欢迎，可以灵活、快速的构建大规模机器学习应用（如神经网络等），性能和可移植性都非常不错，支持GPU并行计算，如果你对机器学习比较感兴趣，也想深入了解一下的话，可以学习一下这个框架，非常不错：

pandas

如果你对数据分析比较感兴趣，那么pandas就是一个非常不错的选择，专门为数据分析而建，内置的函数和方法可以快速处理Excel，CSV等文件，而且提供了实时分析功能，代码量更少，使用起来也更方便，对于数据处理来说，是一个非常不错的分析工具：

matplotlib

这是Python的一个数据可视化库，可以快速制作我们常见的图表，如柱状图、饼状图、散点图等，当然，也不仅仅限于这些，还有很多，如果你想画出更多美丽的图表，可以考虑学习一下这个库，非常值得学习，当然，seaborn，pyecharts等这些可视化库也非常不错：

tushare

如果你对金融财经比较感兴趣，想快速获取股票等行情数据，也不想编写复杂的处理代码，那么tushare就是一个非常不错的选择，自动整合了国内大部分金融财经数据，完成了数据从采集、清洗和存储的全过程，只需简单的几行代码就可以实时快速获取到你所想要的数据，免费且开源：

PyQt

这是Python的一个GUI开发库，如果你想快速创建一个桌面GUI程序，想直接拖拽控件布局界面的话，那么PyQt就是一个非常不错的选择，基于Qt的QtDesigner设计工具，你可以直接拖拽Qt大量的控件快速构建出你自己的桌面应用，简单而又快捷：

Kivy

如果你想利用Python开发一个安卓应用，那么kivy就是一个非常不错的选择，这是Python的一个开源、跨平台的GUI库，只需要编写一套代码，即可运行在大部分桌面及移动平台上，包括winsows，linux，ios，android等，非常不错：

scrapy

这是Python的一个爬虫框架，在也就非常受欢迎，如果你想快速的定制自己的爬虫程序，又不想重复的造轮子的话，可以学习一下这个库，只需要添加少量的代码，就可启动属于自己的一个爬虫应用，非常方便：

django

这是一个流行的PythonWeb框架，如果你想快速构建一个自己的web应用，那么这个框架就非常值得学习，成熟稳重，基于MVC模式，使用起来非常方便，当然，也有轻量级的web框架，如flask，tornado等，也都非常不错：

pygame

如果你想快速开发一个小型游戏，又不想低级语言的束缚，可以考虑学习一下这个库，非常简单，只需要少量的代码便可构建一个游戏应用，当然，它也是一个非常不错的GUI库，对于桌面开发来说，也是一个不错的选择：

you-get

这是Python的一个视频、音频下载库，如果你想免费快速下载优酷、B站、腾讯等网站的视频，安装这个库后，只需要简单的一行命令就可直接下载，非常方便，而且还可以在线观看，查看视频文件格式及清晰度等，当然，也可直接下载：

就介绍这10个不错的Python库吧，对于日常学习开发来说，非常不错，当然，还有许多其他好用的Python库，这个可以到网上搜索一下，非常多，也欢迎大家留言补充。

这是个库的bug，上面报错是库里面报出来的，

它调用系统api打开音频出错，然后想打印出错误信息，但没想到错误信息解码失败

我在官方库提了个issue：网页链接

Python可以使用Twilio API来拨打电话，并提供一些自动回应的功能，例如语音转文字的自动回复服务。Twilio API还可以让Python应用程序直接拨打、接听和管理电话通话，以及播放语音信息、验证叫号码的来电、自动回复等功能。

是的，Python 37可以用于音频编程。Python有许多第三方库和工具可用于音频处理和生成，例如PyAudio、SoundDevice、SciPy等。这些库提供了易于使用的API，使得在Python中进行音频录制、播放、编辑和分析变得更加容易。

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