Java音频滤波实战教程（从零开始掌握Java音频信号处理与数字滤波器实现）

什么是音频滤波？

音频滤波 是指通过特定算法去除或增强音频信号中某些频率成分的过程。常见的滤波器类型包括：

• 低通滤波器（Low-pass Filter）：保留低频，去除高频噪声
• 高通滤波器（High-pass Filter）：保留高频，去除低频嗡嗡声
• 带通/带阻滤波器：只允许或阻止特定频率范围

在本教程中，我们将重点实现一个简单的 一阶低通滤波器。

准备工作

你需要以下工具：

• JDK 8 或更高版本
• 任意 Java IDE（如 IntelliJ IDEA、Eclipse 或 VS Code）
• 基本的 Java 编程知识（变量、循环、方法等）

我们不会使用复杂的音频库（如 TarsosDSP），而是用纯 Java 操作原始音频数据，帮助你理解底层原理。

步骤一：读取WAV音频文件

WAV 是一种未压缩的音频格式，结构简单，适合初学者处理。我们先写一个方法读取 WAV 文件的原始 PCM 数据。

import java.io.*;public class AudioFilter {    public static byte[] readWavFile(String filePath) throws IOException {        File file = new File(filePath);        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);        // 跳过 WAV 文件头（前44字节）        fis.skip(44);        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();        byte[] buffer = new byte[1024];        int bytesRead;        while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {            baos.write(buffer, 0, bytesRead);        }        fis.close();        return baos.toByteArray();    }}

注意：此方法假设 WAV 文件是 16 位、单声道、PCM 编码。实际项目中建议解析完整文件头以确保兼容性。

步骤二：将字节数组转换为短整型数组（16位音频）

WAV 音频通常以 16 位（即 short 类型）存储采样点。我们需要将 byte[] 转换为 short[] 才能进行数学运算。

public static short[] bytesToShorts(byte[] audioBytes) {    short[] shorts = new short[audioBytes.length / 2];    for (int i = 0; i < shorts.length; i++) {        // 小端序（Little-endian）        shorts[i] = (short) ((audioBytes[2 * i + 1] << 8) | (audioBytes[2 * i] & 0xFF));    }    return shorts;}

步骤三：实现一阶低通滤波器

一阶低通滤波器的公式如下：

y[n] = α · x[n] + (1 - α) · y[n-1]

其中：

• x[n] 是当前输入样本
• y[n] 是当前输出样本
• α 是滤波系数（0 < α < 1），值越小，滤波效果越强

下面是我们用 Java 实现的滤波方法：

public static short[] lowPassFilter(short[] input, double alpha) {    short[] output = new short[input.length];    double previousOutput = 0.0;    for (int i = 0; i < input.length; i++) {        double currentInput = input[i];        double currentOutput = alpha * currentInput + (1 - alpha) * previousOutput;        output[i] = (short) Math.max(-32768, Math.min(32767, currentOutput)); // 防止溢出        previousOutput = currentOutput;    }    return output;}

步骤四：将处理后的音频写回文件

滤波完成后，我们需要把 short[] 转回 byte[] 并写入新的 WAV 文件。这里我们复用原始文件头以简化操作。

public static void writeWavFile(String inputPath, String outputPath, short[] filteredAudio) throws IOException {    // 读取原始文件头    RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(inputPath, "r");    byte[] header = new byte[44];    raf.readFully(header);    raf.close();    // 写入新文件    FileOutputStream fos = new FileOutputStream(outputPath);    fos.write(header); // 先写入原始头    // 将 short[] 转为 byte[]    byte[] audioBytes = new byte[filteredAudio.length * 2];    for (int i = 0; i < filteredAudio.length; i++) {        audioBytes[2 * i] = (byte) (filteredAudio[i] & 0xFF);        audioBytes[2 * i + 1] = (byte) ((filteredAudio[i] >> 8) & 0xFF);    }    fos.write(audioBytes);    fos.close();}

完整主程序示例

public class Main {    public static void main(String[] args) {        try {            String inputFile = "input.wav";            String outputFile = "output_filtered.wav";            // 1. 读取原始音频            byte[] rawAudio = AudioFilter.readWavFile(inputFile);            // 2. 转换为 short 数组            short[] audioSamples = AudioFilter.bytesToShorts(rawAudio);            // 3. 应用低通滤波（α=0.2 表示较强滤波）            short[] filteredSamples = AudioFilter.lowPassFilter(audioSamples, 0.2);            // 4. 写入新文件            AudioFilter.writeWavFile(inputFile, outputFile, filteredSamples);            System.out.println("滤波完成！输出文件：" + outputFile);        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }}

总结

通过本教程，你已经掌握了使用 Java 进行基础 Java声音处理 的核心技能，并成功实现了一个 数字滤波器实现 的案例。虽然我们只做了低通滤波，但同样的思路可以扩展到高通、带通等更复杂的滤波器。

下一步建议：

• 尝试调整 α 值，观察不同滤波强度的效果
• 学习使用 FFT（快速傅里叶变换）进行频域滤波
• 探索开源库如 TarsosDSP 以处理更复杂的音频任务

希望这篇 Java音频滤波 教程对你有所帮助！动手实践是掌握 音频信号处理 的最佳方式，快去试试吧！