鋼琴音色識(shí)別與電子合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探究

景宇陽

（南京藝術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210013）

鋼琴音色識(shí)別與電子合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要應(yīng)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(dòng)方程、樂理與鋼琴結(jié)構(gòu)等，軟件工程主要有信號(hào)仿真、處理與矩陣計(jì)算等。因?yàn)閷I(yè)限制，導(dǎo)致音樂研究者難以利用軟件工程相關(guān)理論和計(jì)算方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入探索，從而導(dǎo)致音樂軟件工程研究深度不足。因此，必須對(duì)鋼琴音色識(shí)別與電子合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用探索，以促進(jìn)音樂領(lǐng)域發(fā)展。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本研究主要以鋼琴音色識(shí)別與電子合成系統(tǒng)為研究案例，對(duì)鋼琴仿真系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用探索。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案制定方面，首先利用十二平均律數(shù)學(xué)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(cè)進(jìn)行鋼琴頻率分析，結(jié)合仿真實(shí)現(xiàn)分析獲取相應(yīng)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(xué)軟件對(duì)系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試分析鋼琴音色識(shí)別與電子合成系統(tǒng)音色識(shí)別和電子合成功能。

二、鋼琴樂音特征的數(shù)字化識(shí)別

（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(duì)數(shù)字信號(hào)穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)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(duì)較快。以10ms時(shí)間段作為研究區(qū)間，對(duì)鋼琴音樂頻譜進(jìn)行短時(shí)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(dú)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(dòng)過程中能量主要聚集在440Hz。當(dāng)鋼琴鍵振動(dòng)能量達(dá)到最高頻率時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致聽眾聽覺神經(jīng)出現(xiàn)強(qiáng)烈刺激反應(yīng)。為提高本系統(tǒng)鋼琴頻率測(cè)量精確度，采用專業(yè)電子頻率計(jì)進(jìn)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(duì)鋼琴音倍頻點(diǎn)振幅比例關(guān)系進(jìn)行記錄。通過矩陣倍頻點(diǎn)相對(duì)基頻振幅統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)鋼琴音色要求偏高時(shí)，可以通過50個(gè)倍頻點(diǎn)諧振達(dá)到目標(biāo)，因?yàn)槿硕呀?jīng)難以感知到鋼琴音色，所以系統(tǒng)鋼琴音色能夠達(dá)到理想狀態(tài)。若系統(tǒng)速度要求偏高，則可通過前17個(gè)倍頻點(diǎn)諧振處理達(dá)到理想鋼琴音色，從而有效控制系統(tǒng)效率。

（三）數(shù)字化識(shí)別。通過傅里葉級(jí)數(shù)頻譜分析代碼分析頻譜，獲得相應(yīng)樂器倍頻點(diǎn)振幅，結(jié)合音色描述矩陣識(shí)別樂器樂音。利用振幅特征提取代碼分析樂器時(shí)間與振幅關(guān)系，了解各類樂器包絡(luò)函數(shù)，根據(jù)包絡(luò)函數(shù)進(jìn)行樂器音強(qiáng)振幅特征模擬，從而達(dá)到識(shí)別樂器的目的。

三、仿真實(shí)驗(yàn)

（一）正弦波的電子合成。通過十二平均率計(jì)算樂譜樂音基頻，結(jié)合商業(yè)數(shù)學(xué)軟件生成正弦信號(hào)表達(dá)音樂，根據(jù)軟件函數(shù)進(jìn)行矩陣信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到樂音仿真目的。對(duì)各小節(jié)樂音對(duì)應(yīng)頻率進(jìn)行計(jì)算，通過小節(jié)節(jié)拍數(shù)量了解樂音持續(xù)時(shí)間。然后通過商業(yè)數(shù)學(xué)軟件將仿真抽樣頻率控制在8000Hz，于矩陣中存儲(chǔ)電子合成音樂信號(hào)，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(luò)函數(shù)的應(yīng)用。在鋼琴仿真演奏過程中可能會(huì)出現(xiàn)音符相位出錯(cuò)現(xiàn)象，這對(duì)音符過渡可能會(huì)造成影響，從而導(dǎo)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(duì)這種情況，必須利用包絡(luò)函數(shù)處理雜音問題。在具體應(yīng)用方面，主要通過指數(shù)衰減包絡(luò)函數(shù)衰減音乘因子，但在音符速度衰減之后依然會(huì)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(yīng)用研究獲得各音符衰減速度差異，結(jié)合樂音音長標(biāo)識(shí)將衰減速度求解出來，然后通過正弦波音程序編寫進(jìn)行程序演奏，從而達(dá)到樂曲起伏變化效果。由于樂曲演奏過程中可能會(huì)存在細(xì)微雜音，因此需要對(duì)包絡(luò)函數(shù)進(jìn)行創(chuàng)新探索，利用包絡(luò)函數(shù)柔和性特點(diǎn)和振動(dòng)能量提速作用進(jìn)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(shí)別分析可知，音色描述矩陣能夠促進(jìn)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(gè)倍頻點(diǎn)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(shí)別需求。若鋼琴樂音電子合成音色要求較高，則可通過50個(gè)倍頻點(diǎn)諧振發(fā)音達(dá)到音色要求。

（四）成品的測(cè)試。在成品軟件測(cè)試方面，需要由專業(yè)人士評(píng)價(jià)系統(tǒng)仿真效果。本文主要通過快速原型法進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，通過重復(fù)性成品軟件開發(fā)應(yīng)用完善系統(tǒng)功能。在系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用方面，必須將系統(tǒng)模型構(gòu)建出來，通過模型展示進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案調(diào)整，從而滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的需求。

四、結(jié)語

軟件工程技術(shù)是音樂系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用中的一種有效手段，對(duì)人們體驗(yàn)音樂具有重要影響。本研究鋼琴音色識(shí)別與電子合成系統(tǒng)功能應(yīng)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(yīng)用研究價(jià)值。