淺析樂器校音軟件設(shè)計(jì)

宋光輝

摘 要：隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于精神文化生活水平的要求也在不斷提升，特別是對(duì)音樂的追求，已經(jīng)越來越發(fā)強(qiáng)烈。樂器使人們精神文化生活的重要組成部分，特別是鋼琴，它具有寬廣的音域和動(dòng)聽的旋律，而且具有較高的普及率。本文以鋼琴為例，重點(diǎn)分析如何借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行校音。

關(guān)鍵詞：樂器；鋼琴；校音

1 樂理基礎(chǔ)知識(shí)

樂理基礎(chǔ)知識(shí)使我們研究和識(shí)別樂音的基礎(chǔ)，是我們對(duì)樂器進(jìn)行準(zhǔn)確校音的前提。我們?cè)趯?duì)任何一個(gè)樂器進(jìn)行校音之前，都要先明白以下這些最基本的樂理常識(shí)：

樂音：所謂樂音就是指樂器中的發(fā)聲部件，經(jīng)過規(guī)律性振動(dòng)所發(fā)出的具有一定音高的音。這個(gè)音高有一個(gè)固定值，而且樂音具有強(qiáng)度、音調(diào)和音色這三個(gè)基本特性。

音符：實(shí)質(zhì)上音符就是對(duì)音這一概念的一種符號(hào)表示，不同長短的音可以通過音符進(jìn)行不同記錄，以方便音樂演奏者來區(qū)分不同樂音。一個(gè)四分音符的長度就是一個(gè)基本音符，它是組成樂音的最基本組成元件。

音量和音高：音量是用來表示聲音強(qiáng)弱的概念，也就是我們通過按鈕進(jìn)行“聲大”、“聲小”調(diào)節(jié)；而音高是樂音的高度，它是通過發(fā)聲部件不同振動(dòng)頻率來控制的，通俗的講就是我們所說的“調(diào)高了”、“調(diào)低了”，音高與頻率呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

泛音：所謂泛音，我們可以將其理解為諧振頻率，即諧頻。它主要是指根據(jù)不同振動(dòng)方式而發(fā)出不同音色，音色的不同就會(huì)給人以不同的音樂感受，我們可以不去考慮發(fā)音物體產(chǎn)生的基音，而直接從音色角度出發(fā)去分析樂器的振動(dòng)方式。這里所說的音色就是指人聽覺的不同感受，泛音的不同就會(huì)產(chǎn)生不同音色。

時(shí)值：顧名思義就是指時(shí)間長度，也就是說一個(gè)音發(fā)出之后能夠共鳴多長時(shí)間。假設(shè)我們已經(jīng)知道一個(gè)全音的時(shí)值信息量，那么我們就可以根據(jù)十二平均律規(guī)則來直接分析出其余音符。不同發(fā)音物體具有不同時(shí)值，進(jìn)而方便用來區(qū)分不同單樂音音符。

2 鋼琴樂音信號(hào)的采集

校音的前提就是能夠?qū)芬粜盘?hào)進(jìn)行可靠采集，也就是說我們能夠?qū)⒃间撉贅芬羧哭D(zhuǎn)換為數(shù)字離散化的樂音數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而能夠利用相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)鋼琴校音的目的。樂音信號(hào)的采集過程可以簡單地理解為模擬信號(hào)的數(shù)字離散化過程。

離散化數(shù)字信號(hào)可以用下式來表示：

其中，T表示信號(hào)的采樣周期。校音對(duì)于采樣速度有較高的要求，也就是說需要從離散化的采樣樣本數(shù)據(jù)s[n]中快速的將原始模擬信號(hào)sa[t]進(jìn)行復(fù)原，以便能夠進(jìn)行下一步音樂信號(hào)處理。這里我們給出采樣速度的計(jì)算公式：

該式中非常明確地表示出采樣速度與信號(hào)采樣周期成反比例關(guān)系，也就是說采用周期越小，說明采樣頻率越大，也就是采樣速度越快。對(duì)于樂音進(jìn)行采樣有一個(gè)最低采樣速率要求，只有在滿足這個(gè)最低數(shù)值的前提下，我們才能夠?qū)λ蓸訕菲鬟M(jìn)行準(zhǔn)確校音。也就是說我們?cè)趯?duì)原始樂音信號(hào)采樣時(shí)，一定要有足夠高的頻率采樣分辨率，進(jìn)而保證后期分析處理結(jié)果中有較高的頻率分析精度。

3 鋼琴校音軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鋼琴校音軟件的最根本意義就在于對(duì)鋼琴每個(gè)音符的實(shí)際基音進(jìn)行校對(duì)，是在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)之上對(duì)單音符信號(hào)的實(shí)時(shí)分析。這里面涉及識(shí)別與比對(duì)過程，根據(jù)識(shí)別比對(duì)結(jié)果，我們可以直接看出目前鋼琴所存在的基音誤差值，進(jìn)而對(duì)鋼琴琴弦進(jìn)行調(diào)整。評(píng)判校對(duì)效果是根據(jù)所校對(duì)音符與標(biāo)準(zhǔn)基音音高的誤差值，看這個(gè)數(shù)值是否在合理誤差范圍之內(nèi)。通常一個(gè)校音軟件其系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成。

系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊：該模塊主要用來完成基本參數(shù)的設(shè)置和算法模型的確立，我們可以在該模塊的基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)計(jì)一個(gè)校隊(duì)鋼琴鍵盤模型，直接確定下一步將要進(jìn)行校音的目標(biāo)音符。設(shè)定國際標(biāo)準(zhǔn)基音頻率和檢測(cè)范圍，以確定模型各項(xiàng)模型參數(shù)，這樣就方便軟件的后續(xù)分析處理過程。

信號(hào)采集：該模塊的主要作用進(jìn)行信號(hào)采集，不同校音設(shè)備的信號(hào)采集方式也有著較大區(qū)別。譬如DSP硬件系統(tǒng)信號(hào)采集，聲卡采集捉著聲音信號(hào)波形文件采集。信號(hào)的實(shí)時(shí)采集過程需要在專業(yè)Matlab軟件的基礎(chǔ)之上來進(jìn)行，如果是要采集波形文件，那么就要對(duì)信號(hào)的樣本數(shù)量，采樣頻率和通道數(shù)等信息進(jìn)行全面細(xì)致的分析。

預(yù)處理：所謂預(yù)處理就是對(duì)琴音信號(hào)的預(yù)濾波和分幀加窗。經(jīng)過預(yù)處理過后的信號(hào)，不再包含有高次諧波或者系統(tǒng)噪聲等一些無用信號(hào)。完整待校音信號(hào)時(shí)一個(gè)被分割為n幀短時(shí)近似平穩(wěn)加窗信號(hào)，這樣更有利于校音軟件對(duì)信號(hào)音的校隊(duì)。

基音檢測(cè)：一般情況下音符的標(biāo)準(zhǔn)基音都處于不同標(biāo)準(zhǔn)頻率段，鋼琴校音軟件系統(tǒng)可以根據(jù)不同基音頻率對(duì)待校隊(duì)音進(jìn)行頻率判斷，進(jìn)而開始下一步的信號(hào)波形處理。同時(shí)系統(tǒng)還可以直接將基音實(shí)際識(shí)別頻率進(jìn)行顯示，以明確告知用戶當(dāng)前音符與國際標(biāo)準(zhǔn)頻率之間存在的差別。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李傳鴻.基于8032單片機(jī)的視唱練習(xí)及樂器校音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].廣西輕工業(yè)，2008，06：77-79.

[2]崔佑群.數(shù)字調(diào)音軟件的開發(fā)與鋼琴調(diào)律的教學(xué)革新[J].科技信息（科學(xué)教研），2008，21：202.