基于LabVIEW的樂(lè)器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)

摘要： 該系統(tǒng)采用虛擬儀器思想，利用基于圖形化的編程軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)了樂(lè)器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括模擬鋼琴，鋼琴及吉它音頻的基頻檢測(cè)，音頻的采集和存儲(chǔ)、音頻的參數(shù)測(cè)量、音頻的譜分析及圖形化顯示等內(nèi)容。該系統(tǒng)利用LabVIEW中NI模塊通過(guò)搭積木式編程方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼琴和吉它2種樂(lè)器的音準(zhǔn)調(diào)音。實(shí)現(xiàn)鋼琴模擬調(diào)律過(guò)程，滿足實(shí)際吉它調(diào)音的需要。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 虛擬儀器； 模擬鋼琴； 樂(lè)器調(diào)音； 基頻檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN919?34； TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）06?0141?04

0 引 言

鋼琴和吉它是人們喜聞樂(lè)見(jiàn)的樂(lè)器，其共同的特點(diǎn)是它們的琴弦都具有金屬的延展性，使用過(guò)一段時(shí)間后其音準(zhǔn)會(huì)發(fā)生變化，從而要周期性地對(duì)鋼琴和吉它進(jìn)行調(diào)律（調(diào)音）。

此類樂(lè)器特別是鋼琴的調(diào)音，傳統(tǒng)上都是由專業(yè)調(diào)音師來(lái)完成的。隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，尋求一種科學(xué)的，普通人可以掌握的調(diào)音工具已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。本文應(yīng)用EPMC?505C嵌入式平臺(tái)，設(shè)計(jì)的樂(lè)器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)可以使鋼琴和吉他的調(diào)音變得簡(jiǎn)單而有趣。通過(guò)該系統(tǒng)用戶可以準(zhǔn)確地判斷出音準(zhǔn)是否有偏差，快速完成調(diào)音。

另外，本設(shè)計(jì)作品參加了2012全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽嵌入式大賽（獲三等獎(jiǎng)），為了滿足現(xiàn)場(chǎng)演示需要，系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了模擬鋼琴，用以模擬鋼琴調(diào)音的全過(guò)程。

1 系統(tǒng)組成與功能

1.1 系統(tǒng)組成

本樂(lè)器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鋼琴模擬調(diào)律過(guò)程，并可完成實(shí)際吉它調(diào)音的任務(wù)。

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 模擬鋼琴

（1）按鍵發(fā)音（音高可調(diào)）；

（2）琴鍵變色；

（3）聲卡、音箱輸出。

1.2.2 音頻信號(hào)處理

（1）音階校準(zhǔn)功能：提取信號(hào)基音頻率，與標(biāo)準(zhǔn)音階信號(hào)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)音階校準(zhǔn)。并通過(guò)表頭顯示差別；

（2）頻譜分析圖功能；

（3）示波器功能。

2 基音頻率檢測(cè)原理

樂(lè)器調(diào)音系統(tǒng)的核心問(wèn)題是樂(lè)音信號(hào)的基音頻率檢測(cè)（基頻檢測(cè)），通過(guò)檢測(cè)樂(lè)音的基頻，比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率，從而判斷鋼琴和吉它的音準(zhǔn)。

鋼琴是敲擊弦樂(lè)器，吉他是彈撥弦樂(lè)器。不論彈撥弦，還是敲擊弦，弦的振動(dòng)是由多階諧波分量疊加而成的。彈撥和敲擊位置不相同，其振動(dòng)的頻率分量將不同，即泛音不同，但基頻是不變的。事實(shí)上，像吉他一類的樂(lè)器對(duì)于每一個(gè)音敲擊弦的位置是大致固定的，所以一旦基頻確定，其諧波組成分量也就確定。因此對(duì)弦樂(lè)器進(jìn)行校音時(shí)，最為關(guān)心的是基波分量的頻率，也就是所謂的基音頻率[1?4]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[10]

3.1 模擬鋼琴

圖5 模擬鋼琴測(cè)試圖

3.2 調(diào)音系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

鋼琴的調(diào)音方法類似，但是由于鋼琴的按鍵較多，因此需要的頻率也較多，一一列舉過(guò)于繁瑣，可以直接通過(guò)調(diào)用程序中生成的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為比較的基準(zhǔn)，每個(gè)鍵的調(diào)音由旋鈕完成，旋鈕生成的改變量所構(gòu)成的數(shù)組相加，之后用索引數(shù)組vi將對(duì)應(yīng)的已經(jīng)改變的頻率輸入到正弦波生成vi中，從而實(shí)現(xiàn)單鍵聲音的改變，由于只有一個(gè)數(shù)值輸入控件（即旋鈕），要實(shí)現(xiàn)改一個(gè)鍵時(shí)，其他鍵的音不發(fā)生變化，使用調(diào)用節(jié)點(diǎn)中的“重新初始化為默認(rèn)值”并將默認(rèn)值設(shè)置為零，通過(guò)對(duì)索引號(hào)是否相同和是否為默認(rèn)C音的索引號(hào)的判斷來(lái)決定是否執(zhí)行該調(diào)用節(jié)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)每個(gè)鍵的單獨(dú)調(diào)音，不會(huì)對(duì)其他鍵造成影響。

圖9 鋼琴調(diào)音界面

3.3 波形頻譜模塊實(shí)現(xiàn)

為更好地對(duì)生成的聲音進(jìn)行加工和調(diào)整，需要了解所生成的聲音的時(shí)域波形和頻譜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了波形和頻譜實(shí)時(shí)顯示功能模塊，模擬鋼琴?gòu)椬噙^(guò)程中的波形及頻譜可清晰地顯示在前面板上。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)采用虛擬儀器思想，利用基于圖形化的編程軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)了樂(lè)器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成模擬鋼琴和樂(lè)器調(diào)音的工作。但本文的研究工作對(duì)于鋼琴調(diào)音領(lǐng)域的研究?jī)H僅只是一個(gè)初步探索，存在很多的不足，還有很多后續(xù)工作要做。

（1）由于真實(shí)鋼琴的頻譜諧波分量非常復(fù)雜，目前還難以實(shí)現(xiàn)模擬鋼琴的樂(lè)音與真實(shí)鋼琴達(dá)到完全一致。

（2）此調(diào)音系統(tǒng)能夠直觀顯示鋼琴鍵音的誤差值，供調(diào)音者參考，但是調(diào)整琴弦張力尚需人工完成，后續(xù)工作可以將琴弦誤差值與琴弦張緊力直接對(duì)應(yīng)起來(lái)，設(shè)計(jì)硬件如機(jī)械手，控制其完成調(diào)音工作，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。

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