基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

摘要：目的：文章提出一種基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測(cè)方法，以解決傳統(tǒng)音準(zhǔn)檢測(cè)方法主觀性強(qiáng)，且無(wú)法定量分析的問(wèn)題。方法：綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、對(duì)比研究等方法，設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)，包括不同音高、不同演奏力度下的琴聲檢測(cè)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)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(cè)精度和效率。在研究過(guò)程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以評(píng)估系統(tǒng)的檢測(cè)精度和可靠性。將檢測(cè)到的基頻與標(biāo)準(zhǔn)音高對(duì)應(yīng)的頻率值進(jìn)行比較，通過(guò)量化分析判斷小提琴演奏音高的準(zhǔn)確性。同時(shí)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(duì)比，討論其優(yōu)勢(shì)與局限性。結(jié)果：該小提琴琴聲檢測(cè)系統(tǒng)基于頻譜分析方法，能夠測(cè)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(duì)穩(wěn)定、科學(xué)的依據(jù)，為今后可量化的小提琴音準(zhǔn)評(píng)估提供新思路。

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

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lè)藝術(shù)成就被人們譽(yù)為“樂(lè)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(lái)越多［4］。在學(xué)習(xí)小提琴的過(guò)程中，音準(zhǔn)是最難突破的問(wèn)題，這是由小提琴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(lè)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(duì)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(wú)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(cè)方法，將計(jì)算機(jī)與聲卡作為小提琴琴聲信號(hào)檢測(cè)的硬件平臺(tái)，選用LabVIEW作為琴聲檢測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)琴聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采集的琴聲信號(hào)做快速傅里葉變換，并進(jìn)行頻譜分析，從琴聲信號(hào)的幅度譜分布測(cè)定琴聲信號(hào)的基頻，與標(biāo)準(zhǔn)音高對(duì)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(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心，人工拉奏小提琴，通過(guò)傳聲器拾取小提琴演奏的琴聲，并進(jìn)行由聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后送入聲卡的ADC，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)上，利用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW開(kāi)發(fā)琴聲檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，采集小提琴的琴聲信號(hào)，并進(jìn)行頻譜分析，顯示琴聲信號(hào)的時(shí)域波形與頻域波形，測(cè)定琴聲信號(hào)的基頻值。

1.1 傳聲器

傳聲器是一種將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍等。系統(tǒng)選用森海塞爾公司生產(chǎn)的E945動(dòng)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(diǎn)。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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)模擬音頻信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件［7］。有些具有數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的計(jì)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(píng)價(jià)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(dú)立聲卡MC2208，其特點(diǎn)為獨(dú)立內(nèi)置式，即插即用，提供3D立體聲環(huán)繞聲場(chǎng)、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(shí)總諧波失真90 dB。

1.3 LabVIEW軟件平臺(tái)

小提琴聲音檢測(cè)與分析系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)選用圖形化編輯語(yǔ)言LabVIEW 2020。LabVIEW 2020是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，NI）推出的一款強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)處理和測(cè)量等。LabVIEW 2020的主要特點(diǎn)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(duì)硬件驅(qū)動(dòng)的支持，包括最新的NI硬件；改進(jìn)了圖形化編程界面，使開(kāi)發(fā)更加直觀。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以LabVIEW 2020為開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)琴聲檢測(cè)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(hào)采集、存儲(chǔ)、讀取、處理、顯示等功能單元組成。

2.1 琴聲信號(hào)檢測(cè)與存儲(chǔ)

利用LabVIEW 2020編寫的琴聲信號(hào)檢測(cè)與存儲(chǔ)程序如圖2所示。

琴聲信號(hào)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(shí)要指定采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件路徑等。配置完成后，運(yùn)行程序，就可按要求實(shí)現(xiàn)琴聲信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。

2.2 琴聲信號(hào)文件讀取與分析

利用LabVIEW 2020編寫的琴聲信號(hào)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(yùn)行程序，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)琴聲信號(hào)文件的讀取與分析。在程序設(shè)計(jì)中，調(diào)用了LabVIEW的Express函數(shù)子選板的“頻譜測(cè)量”快速VI，利用該快速VI，對(duì)讀取的琴聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)琴聲信號(hào)的頻譜分析。通過(guò)頻譜分布，可對(duì)小提琴演奏的音準(zhǔn)作出判斷。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)，通常先調(diào)準(zhǔn)A弦，因?yàn)锳弦是參考弦，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(duì)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(shí)驗(yàn)，檢測(cè)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(shí)，琴聲信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的過(guò)程，（b）（d）對(duì)應(yīng)顯示了E弦、A弦琴聲信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后的頻域波形。分析琴聲信號(hào)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(cè)定拉奏小提琴E弦、A弦時(shí)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(duì)應(yīng)頻率對(duì)照，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所檢測(cè)的E弦、A弦基頻與標(biāo)準(zhǔn)音高對(duì)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(yàn)人工拉奏小提琴時(shí)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(shí)驗(yàn)。C調(diào)8度音符標(biāo)準(zhǔn)音高頻率對(duì)照如表1所示。

人工拉奏小提琴C調(diào)8度音符實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）從時(shí)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(shí)，琴聲信號(hào)隨演奏音符的變化而展現(xiàn)出的8個(gè)時(shí)間段變化過(guò)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(shí)，各個(gè)音符對(duì)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(cè)量出拉奏小提琴C調(diào)8度音符時(shí)的基頻值，如表2所示。

分析表2可知，由系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所測(cè)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(duì)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(yǔ)

基于傳聲器和計(jì)算機(jī)聲卡等硬件，以圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)小提琴琴聲檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于頻譜分析方法，測(cè)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(duì)穩(wěn)定、科學(xué)的依據(jù)。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用了計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，具有集成度高、運(yùn)維成本低、操作簡(jiǎn)便、易于推廣使用等優(yōu)點(diǎn)。

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基金項(xiàng)目：本論文為2024年度江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)項(xiàng)目“智媒時(shí)代江蘇非遺文化數(shù)實(shí)融合發(fā)展路徑研究”成果，項(xiàng)目編號(hào)：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(shí)踐路徑研究”成果，項(xiàng)目編號(hào)：C/2024/02/57；2022年度江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題重點(diǎn)項(xiàng)目“職業(yè)教育產(chǎn)教融合實(shí)體治理的長(zhǎng)效機(jī)制研究”成果，項(xiàng)目編號(hào)：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(xiàng)目“產(chǎn)教融合背景下職業(yè)本科藝術(shù)設(shè)計(jì)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革研究”成果，項(xiàng)目編號(hào)：2023JSJG517

作者簡(jiǎn)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究［J］.藝術(shù)科技，2024，37（17）：-.