淺析樂器校音軟件設計

宋光輝

摘 要：隨著社會的快速發展，人們對于精神文化生活水平的要求也在不斷提升，特別是對音樂的追求，已經越來越發強烈。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聽的旋律，而且具有較高的普及率。本文以鋼琴為例，重點分析如何借助計算機軟件進行校音。

關鍵詞：樂器；鋼琴；校音

1 樂理基礎知識

樂理基礎知識使我們研究和識別樂音的基礎，是我們對樂器進行準確校音的前提。我們在對任何一個樂器進行校音之前，都要先明白以下這些最基本的樂理常識：

樂音：所謂樂音就是指樂器中的發聲部件，經過規律性振動所發出的具有一定音高的音。這個音高有一個固定值，而且樂音具有強度、音調和音色這三個基本特性。

音符：實質上音符就是對音這一概念的一種符號表示，不同長短的音可以通過音符進行不同記錄，以方便音樂演奏者來區分不同樂音。一個四分音符的長度就是一個基本音符，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弱的概念，也就是我們通過按鈕進行“聲大”、“聲小”調節；而音高是樂音的高度，它是通過發聲部件不同振動頻率來控制的，通俗的講就是我們所說的“調高了”、“調低了”，音高與頻率呈現正比例關系。

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

時值：顧名思義就是指時間長度，也就是說一個音發出之后能夠共鳴多長時間。假設我們已經知道一個全音的時值信息量，那么我們就可以根據十二平均律規則來直接分析出其余音符。不同發音物體具有不同時值，進而方便用來區分不同單樂音音符。

2 鋼琴樂音信號的采集

校音的前提就是能夠對樂音信號進行可靠采集，也就是說我們能夠將原始鋼琴樂音全部轉換為數字離散化的樂音數字信號，進而能夠利用相關計算機軟件對這些數字信號進行分析處理，實現鋼琴校音的目的。樂音信號的采集過程可以簡單地理解為模擬信號的數字離散化過程。

離散化數字信號可以用下式來表示：

其中，T表示信號的采樣周期。校音對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據s[n]中快速的將原始模擬信號sa[t]進行復原，以便能夠進行下一步音樂信號處理。這里我們給出采樣速度的計算公式：

該式中非常明確地表示出采樣速度與信號采樣周期成反比例關系，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。對于樂音進行采樣有一個最低采樣速率要求，只有在滿足這個最低數值的前提下，我們才能夠對所采樣樂器進行準確校音。也就是說我們在對原始樂音信號采樣時，一定要有足夠高的頻率采樣分辨率，進而保證后期分析處理結果中有較高的頻率分析精度。

3 鋼琴校音軟件系統結構

鋼琴校音軟件的最根本意義就在于對鋼琴每個音符的實際基音進行校對，是在計算機的基礎之上對單音符信號的實時分析。這里面涉及識別與比對過程，根據識別比對結果，我們可以直接看出目前鋼琴所存在的基音誤差值，進而對鋼琴琴弦進行調整。評判校對效果是根據所校對音符與標準基音音高的誤差值，看這個數值是否在合理誤差范圍之內。通常一個校音軟件其系統主要由以下幾個模塊組成。

系統參數初始化模塊：該模塊主要用來完成基本參數的設置和算法模型的確立，我們可以在該模塊的基礎之上進行設計一個校隊鋼琴鍵盤模型，直接確定下一步將要進行校音的目標音符。設定國際標準基音頻率和檢測范圍，以確定模型各項模型參數，這樣就方便軟件的后續分析處理過程。

信號采集：該模塊的主要作用進行信號采集，不同校音設備的信號采集方式也有著較大區別。譬如DSP硬件系統信號采集，聲卡采集捉著聲音信號波形文件采集。信號的實時采集過程需要在專業Matlab軟件的基礎之上來進行，如果是要采集波形文件，那么就要對信號的樣本數量，采樣頻率和通道數等信息進行全面細致的分析。

預處理：所謂預處理就是對琴音信號的預濾波和分幀加窗。經過預處理過后的信號，不再包含有高次諧波或者系統噪聲等一些無用信號。完整待校音信號時一個被分割為n幀短時近似平穩加窗信號，這樣更有利于校音軟件對信號音的校隊。

基音檢測：一般情況下音符的標準基音都處于不同標準頻率段，鋼琴校音軟件系統可以根據不同基音頻率對待校隊音進行頻率判斷，進而開始下一步的信號波形處理。同時系統還可以直接將基音實際識別頻率進行顯示，以明確告知用戶當前音符與國際標準頻率之間存在的差別。

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