基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測系統(tǒng)設(shè)計探究

摘要：目的：文章提出一種基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測方法，以解決傳統(tǒng)音準(zhǔn)檢測方法主觀性強(qiáng)，且無法定量分析的問題。方法：綜合運用實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、對比研究等方法，設(shè)計一系列實驗，包括不同音高、不同演奏力度下的琴聲檢測，以驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。根據(jù)實驗結(jié)果，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如濾波器設(shè)置、采樣率調(diào)整等，以提高檢測精度和效率。在研究過程中，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以評估系統(tǒng)的檢測精度和可靠性。將檢測到的基頻與標(biāo)準(zhǔn)音高對應(yīng)的頻率值進(jìn)行比較，通過量化分析判斷小提琴演奏音高的準(zhǔn)確性。同時將基于頻譜分析的方法與傳統(tǒng)主觀音準(zhǔn)判斷方法進(jìn)行對比，討論其優(yōu)勢與局限性。結(jié)果：該小提琴琴聲檢測系統(tǒng)基于頻譜分析方法，能夠測量小提琴琴音的基頻，并判斷小提琴演奏音高的準(zhǔn)確性。結(jié)論：與傳統(tǒng)的方法相比，頻譜分析方法能夠避免主觀性與客觀條件的影響，為小提琴音準(zhǔn)判斷提供相對穩(wěn)定、科學(xué)的依據(jù)，為今后可量化的小提琴音準(zhǔn)評估提供新思路。

關(guān)鍵詞：小提琴；音準(zhǔn)；琴聲檢測系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）17-00-03

0 引言

小提琴音色優(yōu)美，音域?qū)拸V，表現(xiàn)力強(qiáng)，憑借輝煌的音樂藝術(shù)成就被人們譽(yù)為“樂器皇后”［1-3］。如今，隨著人們物質(zhì)生活水平的逐漸提升，小提琴學(xué)習(xí)者越來越多［4］。在學(xué)習(xí)小提琴的過程中，音準(zhǔn)是最難突破的問題，這是由小提琴的結(jié)構(gòu)特點決定的。音準(zhǔn)是小提琴演奏最基本的要求，是小提琴的靈魂和生命，也是音樂表演藝術(shù)中重要的技術(shù)基礎(chǔ)［5-6］。幫助練習(xí)者判斷音準(zhǔn)的傳統(tǒng)方法主要有對比鋼琴聲音、?使用電子校音器、?在指板上做標(biāo)記等，這些方法主觀性較強(qiáng)，容易受心理和客觀條件的影響，易出現(xiàn)誤差，且無法定量分析，準(zhǔn)確度較低。

基于此，本文提出一種基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測方法，將計算機(jī)與聲卡作為小提琴琴聲信號檢測的硬件平臺，選用LabVIEW作為琴聲檢測軟件的開發(fā)工具，結(jié)合數(shù)字信號處理相關(guān)技術(shù)開發(fā)琴聲信號檢測系統(tǒng)，對采集的琴聲信號做快速傅里葉變換，并進(jìn)行頻譜分析，從琴聲信號的幅度譜分布測定琴聲信號的基頻，與標(biāo)準(zhǔn)音高對應(yīng)的頻率值比較，分析判斷小提琴演奏音高的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

小提琴琴聲檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)以計算機(jī)為核心，人工拉奏小提琴，通過傳聲器拾取小提琴演奏的琴聲，并進(jìn)行由聲音信號到電信號的轉(zhuǎn)換，然后送入聲卡的ADC，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機(jī)。在計算機(jī)上，利用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)琴聲檢測系統(tǒng)應(yīng)用軟件，采集小提琴的琴聲信號，并進(jìn)行頻譜分析，顯示琴聲信號的時域波形與頻域波形，測定琴聲信號的基頻值。

1.1 傳聲器

傳聲器是一種將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的換能器件，俗稱麥克風(fēng)（Microphone）。傳聲器的技術(shù)指標(biāo)是衡量傳聲器性能的關(guān)鍵因素。其主要技術(shù)指標(biāo)包括靈敏度、頻率特性、輸出阻抗、指向性、動態(tài)范圍等。系統(tǒng)選用森海塞爾公司生產(chǎn)的E945動圈麥克風(fēng)，它具有超心形指向、智能降噪、卓越的反饋抑制、暖調(diào)的頻率響應(yīng)等特點。主要技術(shù)指標(biāo)：靈敏度為2 mV/Pa，?頻率范圍為40-18 000 Hz，阻抗為350 Ω。

1.2 聲卡

聲卡是計算機(jī)系統(tǒng)中最基本的組成部分，是實現(xiàn)模擬音頻信號與數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件［7］。有些具有數(shù)字信號處理技術(shù)的計算機(jī)聲卡性能優(yōu)于通用的數(shù)據(jù)采集卡，可作為特定應(yīng)用范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡使用。評價聲卡的技術(shù)參數(shù)主要有采樣頻率、采樣位數(shù)（即量化精度）、信噪比等。

系統(tǒng)選用Moge生產(chǎn)的PCIe接口獨立聲卡MC2208，其特點為獨立內(nèi)置式，即插即用，提供3D立體聲環(huán)繞聲場、高品質(zhì)音質(zhì)。主要技術(shù)參數(shù)有PCIe X1總線接口、44.1-192 kHz/24 bit采樣率、信噪比100 dB、播放時總諧波失真90 dB。

1.3 LabVIEW軟件平臺

小提琴聲音檢測與分析系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)選用圖形化編輯語言LabVIEW 2020。LabVIEW 2020是由美國國家儀器公司（National Instruments，NI）推出的一款強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計和測試開發(fā)環(huán)境，主要用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號處理和測量等。LabVIEW 2020的主要特點如下：引入了更智能的交互式數(shù)據(jù)分析工具；加強(qiáng)了對硬件驅(qū)動的支持，包括最新的NI硬件；改進(jìn)了圖形化編程界面，使開發(fā)更加直觀。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

以LabVIEW 2020為開發(fā)工具設(shè)計琴聲檢測系統(tǒng)應(yīng)用軟件，包括操作界面與程序模塊［8］。系統(tǒng)軟件主要由信號采集、存儲、讀取、處理、顯示等功能單元組成。

2.1 琴聲信號檢測與存儲

利用LabVIEW 2020編寫的琴聲信號檢測與存儲程序如圖2所示。

琴聲信號采集前，需要配置設(shè)備ID、采樣率、通道數(shù)、采樣位數(shù)、采樣模式、每通道的采樣數(shù)量等相關(guān)參數(shù)，同時要指定采集數(shù)據(jù)存儲的文件路徑等。配置完成后，運行程序，就可按要求實現(xiàn)琴聲信號的采集與存儲。

2.2 琴聲信號文件讀取與分析

利用LabVIEW 2020編寫的琴聲信號文件讀取與分析程序如圖3所示。

在程序的前面板上，指定設(shè)備ID及讀取文件路徑與讀取采樣數(shù)后，運行程序，就可實現(xiàn)對琴聲信號文件的讀取與分析。在程序設(shè)計中，調(diào)用了LabVIEW的Express函數(shù)子選板的“頻譜測量”快速VI，利用該快速VI，對讀取的琴聲信號進(jìn)行快速傅里葉變換，實現(xiàn)琴聲信號的頻譜分析。通過頻譜分布，可對小提琴演奏的音準(zhǔn)作出判斷。

3 系統(tǒng)實驗及分析

通常小提琴定音的標(biāo)準(zhǔn)方法是調(diào)整4根弦的音高，使其符合標(biāo)準(zhǔn)音高。小提琴的4根弦從高到低分別是E弦、A弦、D弦和G弦。定音時，通常先調(diào)準(zhǔn)A弦，因為A弦是參考弦，它的音高確定了其他弦的音高。小提琴E弦、A弦、D弦和G弦標(biāo)準(zhǔn)音高對應(yīng)的頻率分別為659 Hz、440 Hz、294 Hz和196 Hz。

以人工拉奏小提琴的E弦和A弦做系統(tǒng)實驗，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4中，（a）（c）分別顯示拉奏小提琴E弦、A弦時，琴聲信號幅度隨時間變化的過程，（b）（d）對應(yīng)顯示了E弦、A弦琴聲信號經(jīng)過快速傅里葉變換后的頻域波形。分析琴聲信號的頻譜結(jié)構(gòu)，利用LabVIEW波形圖控件，獲取游標(biāo)所在位置坐標(biāo)值的方法，拖拽游標(biāo)到頻域波形中最大幅值譜的位置，即可測定拉奏小提琴E弦、A弦時的基頻值分別為660 Hz和440 Hz。與E弦、A弦空弦音的標(biāo)準(zhǔn)音高對應(yīng)頻率對照，系統(tǒng)實驗所檢測的E弦、A弦基頻與標(biāo)準(zhǔn)音高對應(yīng)的頻率吻合，從而判斷小提琴E弦、A弦定音準(zhǔn)確。

為了檢驗人工拉奏小提琴時指法位置的準(zhǔn)確性，選擇人工拉奏小提琴C調(diào)低1（Do）、低2（Re）、低3（Mi）、低4（Fa）、低5（So）、低6（La）、低7（Si）、中1（Do）這8度音高進(jìn)行系統(tǒng)實驗。C調(diào)8度音符標(biāo)準(zhǔn)音高頻率對照如表1所示。

人工拉奏小提琴C調(diào)8度音符實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）從時間域上，較為清晰地展示出人工拉奏小提琴C調(diào)1、2、3、4、5、6、7、1這8度音符時，琴聲信號隨演奏音符的變化而展現(xiàn)出的8個時間段變化過程。圖5（b）從頻譜分布的結(jié)構(gòu)，顯示了人工拉奏小提琴C調(diào)1、2、3、4、5、6、7、1這8度音符時，各個音符對應(yīng)的基頻及幅度。利用LabVIEW波形圖控件獲取游標(biāo)所在位置坐標(biāo)值的方法，分別測量出拉奏小提琴C調(diào)8度音符時的基頻值，如表2所示。

分析表2可知，由系統(tǒng)實驗所測量出的人工拉奏小提琴C調(diào)1、2、3、4、5、6、7、1這8度音符基頻值與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)音高頻率偏差較小，誤差均在2%以下，由此可判斷人工演奏小提琴音高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

基于傳聲器和計算機(jī)聲卡等硬件，以圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計小提琴琴聲檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于頻譜分析方法，測量小提琴演奏聲音的基頻，并判斷小提琴演奏音高的準(zhǔn)確性。與傳統(tǒng)的方法相比，頻譜分析方法避免了主觀性與客觀條件的影響，為小提琴音準(zhǔn)判斷提供了相對穩(wěn)定、科學(xué)的依據(jù)。另外，系統(tǒng)設(shè)計充分利用了計算機(jī)的軟硬件資源，具有集成度高、運維成本低、操作簡便、易于推廣使用等優(yōu)點。

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基金項目：本論文為2024年度江蘇省高校哲學(xué)社會科學(xué)項目“智媒時代江蘇非遺文化數(shù)實融合發(fā)展路徑研究”成果，項目編號：2024SJYB0542；2024年度江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題“職業(yè)教育專業(yè)教學(xué)數(shù)字化背景下的藝術(shù)類課程‘兩創(chuàng)’實踐路徑研究”成果，項目編號：C/2024/02/57；2022年度江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題重點項目“職業(yè)教育產(chǎn)教融合實體治理的長效機(jī)制研究”成果，項目編號：B/2022/02/47；2023年度江蘇省高等教育教學(xué)改革研究課題一般項目“產(chǎn)教融合背景下職業(yè)本科藝術(shù)設(shè)計類專業(yè)實踐教學(xué)改革研究”成果，項目編號：2023JSJG517

作者簡介：張思維 （1985—） ，女，博士，講師，研究方向：新媒體藝術(shù)；張瑩 （1981—） ，女，博士，副教授，研究方向：影視美學(xué)與文化。

本文引用格式：張思維，張瑩.基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測系統(tǒng)設(shè)計探究［J］.藝術(shù)科技，2024，37（17）：-.