景宇陽
(南京藝術(shù)學院 江蘇 南京 210013)
鋼琴音色識別與電子合成系統(tǒng)設計過程中需要應用到音樂理論與跨軟件工程,其中音樂理論主要有鋼琴弦振動方程、樂理與鋼琴結(jié)構(gòu)等,軟件工程主要有信號仿真、處理與矩陣計算等。因為專業(yè)限制,導致音樂研究者難以利用軟件工程相關(guān)理論和計算方法對系統(tǒng)進行深入探索,從而導致音樂軟件工程研究深度不足。因此,必須對鋼琴音色識別與電子合成系統(tǒng)設計進行應用探索,以促進音樂領域發(fā)展。
本研究主要以鋼琴音色識別與電子合成系統(tǒng)為研究案例,對鋼琴仿真系統(tǒng)進行應用探索。在系統(tǒng)設計方案制定方面,首先利用十二平均律數(shù)學模型分析鋼琴特征,包括音高、發(fā)音原理與音色等。然后通過頻域檢測進行鋼琴頻率分析,結(jié)合仿真實現(xiàn)分析獲取相應頻譜,利用矩陣研究本系統(tǒng)鋼琴特色。最后,通過商業(yè)數(shù)學軟件對系統(tǒng)開發(fā)應用進行分析,根據(jù)系統(tǒng)測試分析鋼琴音色識別與電子合成系統(tǒng)音色識別和電子合成功能。
(一)頻譜分析。在系統(tǒng)頻譜分析方面,主要通過傅里葉分析方法對數(shù)字信號穩(wěn)態(tài)特性進行分析。在鋼琴演奏過程中,急板樂曲節(jié)拍每分鐘240拍,速度相對較快。以10ms時間段作為研究區(qū)間,對鋼琴音樂頻譜進行短時傅里葉變化分析,通過傅里葉分析方法獲得鍵盤與音樂最低頻率分別是27.5Hz、16Hz。在鋼琴演奏方面,鋼琴獨特音色需要通過49A鋼琴鍵高頻泛音體現(xiàn)出來,該鋼琴鍵振動過程中能量主要聚集在440Hz。當鋼琴鍵振動能量達到最高頻率時,便會導致聽眾聽覺神經(jīng)出現(xiàn)強烈刺激反應。為提高本系統(tǒng)鋼琴頻率測量精確度,采用專業(yè)電子頻率計進行頻率分析。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),本系統(tǒng)鋼琴頻譜中存在很多倍頻泛音,使鋼琴音色更加濃郁、渾厚。
(二)音色特征矩陣的研究。本文首先建立系統(tǒng)音色特征矩陣,對鋼琴音倍頻點振幅比例關(guān)系進行記錄。通過矩陣倍頻點相對基頻振幅統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),當系統(tǒng)鋼琴音色要求偏高時,可以通過50個倍頻點諧振達到目標,因為人耳已經(jīng)難以感知到鋼琴音色,所以系統(tǒng)鋼琴音色能夠達到理想狀態(tài)。若系統(tǒng)速度要求偏高,則可通過前17個倍頻點諧振處理達到理想鋼琴音色,從而有效控制系統(tǒng)效率。
(三)數(shù)字化識別。通過傅里葉級數(shù)頻譜分析代碼分析頻譜,獲得相應樂器倍頻點振幅,結(jié)合音色描述矩陣識別樂器樂音。利用振幅特征提取代碼分析樂器時間與振幅關(guān)系,了解各類樂器包絡函數(shù),根據(jù)包絡函數(shù)進行樂器音強振幅特征模擬,從而達到識別樂器的目的。
(一)正弦波的電子合成。通過十二平均率計算樂譜樂音基頻,結(jié)合商業(yè)數(shù)學軟件生成正弦信號表達音樂,根據(jù)軟件函數(shù)進行矩陣信號轉(zhuǎn)換,從而達到樂音仿真目的。對各小節(jié)樂音對應頻率進行計算,通過小節(jié)節(jié)拍數(shù)量了解樂音持續(xù)時間。然后通過商業(yè)數(shù)學軟件將仿真抽樣頻率控制在8000Hz,于矩陣中存儲電子合成音樂信號,通過軟件將數(shù)字化音樂播放出來,根據(jù)樂理分析結(jié)果編寫正弦波音樂程序。
(二)包絡函數(shù)的應用。在鋼琴仿真演奏過程中可能會出現(xiàn)音符相位出錯現(xiàn)象,這對音符過渡可能會造成影響,從而導致相位出現(xiàn)高頻分量與突變,難以將系統(tǒng)演奏效果發(fā)揮出來。針對這種情況,必須利用包絡函數(shù)處理雜音問題。在具體應用方面,主要通過指數(shù)衰減包絡函數(shù)衰減音乘因子,但在音符速度衰減之后依然會存在噪音問題,系統(tǒng)音樂演奏效果不足。因此,必須通過不同音符衰減應用研究獲得各音符衰減速度差異,結(jié)合樂音音長標識將衰減速度求解出來,然后通過正弦波音程序編寫進行程序演奏,從而達到樂曲起伏變化效果。由于樂曲演奏過程中可能會存在細微雜音,因此需要對包絡函數(shù)進行創(chuàng)新探索,利用包絡函數(shù)柔和性特點和振動能量提速作用進行高效發(fā)音,將雜音消除掉,使音符順利過渡。
(三)樂音的電子合成。由系統(tǒng)音樂特征數(shù)字化識別分析可知,音色描述矩陣能夠促進鋼琴樂音電子合成。若鋼琴樂音電子合成音色要求較低,則可以通過17個倍頻點諧振發(fā)音,有利于合成速度和音色均衡,且能夠滿足普通鋼琴電子合成和音樂識別需求。若鋼琴樂音電子合成音色要求較高,則可通過50個倍頻點諧振發(fā)音達到音色要求。
(四)成品的測試。在成品軟件測試方面,需要由專業(yè)人士評價系統(tǒng)仿真效果。本文主要通過快速原型法進行系統(tǒng)開發(fā),通過重復性成品軟件開發(fā)應用完善系統(tǒng)功能。在系統(tǒng)開發(fā)應用方面,必須將系統(tǒng)模型構(gòu)建出來,通過模型展示進行系統(tǒng)設計方案調(diào)整,從而滿足客戶對產(chǎn)品的需求。
軟件工程技術(shù)是音樂系統(tǒng)開發(fā)應用中的一種有效手段,對人們體驗音樂具有重要影響。本研究鋼琴音色識別與電子合成系統(tǒng)功能應用效果較好,能夠滿足客戶在音色、音頻與聲音等方面的需求,具有一定的應用研究價值。