鋼琴識別軟件的原理

鋼琴識別軟件的原理

1 引言

鋼琴是最理想的多聲樂器，它的音域寬廣、巨大的音量變化幅度，使它可以獨自成為一個完整的音樂世界。鋼琴是屬于鍵盤樂器，原理是用錘敲擊弦發聲，它的鍵盤頻率比較固定，而像小提琴這種也是比較常見的高音樂器，原理是使用手指按壓來定音準的，小提琴的音準特征是準許一定的自由的，每個演奏者都有其個人的發音方法、自己的標準，而這取決于演奏者對音樂的個人理解，但是鋼琴是沒有什么音準問題的，它是單一種音律，就是十二平均律。因此本文考慮到鋼琴的特性，以及如何從中識別音符的問題進行研究。

2 鋼琴樂理

2.1 十二平均律

所謂十二平均律就是指假設我們把一個八度的音程按倍頻平均成十二等分，那么每兩個批次相鄰的音之間的頻率比就是21/12。按照此定律,鋼琴的音符對應的基頻范圍為: 27.50Hz到4186.00Hz的，其基音頻率數值決定了音符的音高。用半音比例公式推導出全部音符的基頻頻率,從基頻中可以看出，在低音部分的兩個琴鍵之間的頻率差值只有2、3Hz。在中間的頻率差值在40Hz附近，到高音部分的頻率差值在150Hz附近。

2.2 音高和音符

音高和音符是樂理的基本概念，主要是研究其中的物理特性。

音高是指各種不同高低的聲音，就是聲音的高度，是一種發音的基本特征。聲音的高低取決于振動的頻率，頻率振動的次數多聲音就高，頻率振動的次數少聲音就低。而音符是一種記錄符號的工具，記錄不同長、短的聲音。是樂音的一種基本的要素，其中存在基本音符，是指一個四分音符的長度。

3 有關端點檢測方法

3.1 樂音端點檢測

一段音樂的前后音符高低有變化，前后的頻率變化很大，樂音端點檢測就是從一段音樂中找出按鍵的起點和結束點，排除無效的噪音段，然后對有效的信號段進行檢測。鋼琴信號同語言信號是一個原理，短時間內相對平穩，所以對信號的處理上是建立在短時內。過零率特征門限值和短時能量的端點檢測方法流程如下:第一,短時能量,短時過零率參數設置;第二步,確定樂音狀態;第三步,從第一幀到最后一幀循環檢測,初始狀態為0,樂音長度為0。

短時平均過零率在語音信號在分析中一般多應用于是清/濁音判斷。發清音時，聲帶不振動，聲道的某部分阻塞氣流產生類白噪聲，其能量集中于較高的頻率范圍。相反，發濁音時，聲帶振動，這個振動頻率的聲壓波在聲道中共振，盡管有若干個共振峰，但其能量集中于低于3kHz的頻率范圍內；因此用過零率可以定量的分析清/濁音。

3.2 基于高頻分量進行的端點檢測

上面的方法在信號能量較大的時候比較精準，但是在信號能量極小的靜音段或者聲音小的時候，還需要結合頻域分析來進行端點檢測。通過對鋼琴的頻譜圖進行分析得出結論是：利用這些高頻分量來進行端點檢測，由于它的幅度分量較小，消失的較快。這些特征，非常適合于鋼琴演奏的端點檢測。

4 鋼琴識別軟件的設計系統

本次實驗使用的是C#開發整個系統，采用WAV聲音文件作為系統的輸入，可以使用MIDI直接播放分析結果。并可查看每個音符片段的音高分析步驟的結果，便于對文中端點檢測和基音識別的方法進行分析。

5 結束語

本文的目的是希望能通過一個軟件，方便音樂愛好者們對鋼琴曲進行打譜。因此圍繞如何從一段鋼琴音樂中分析其演奏的音符這一問題開展了研究工作。受作者知識的局限性,研究能力等因素的原因,研究工作存在不足,還需要解決的有以下幾個方面:

1、本文所測試的只針對部分音符進行研究，并沒有對全部音符進行檢測，所以結論有些偏差。

2、計算機輔助的部分較少，下一步工作中會加入計算機軟件的功能去實現全硬件檢測。

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