一種高精度鋼琴校音器及其校音方法
2023-06-30 13:20:01
專利名稱：一種高精度鋼琴校音器及其校音方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼琴校音器，更具體地說，涉及一種高精度的鋼琴校音器及其校 音方法。
背景技術：
鋼琴的音高校準，關鍵是檢測聲音信號的基頻。鋼琴是一種大型的擊弦樂器，結構 複雜，僅打擊系統就有一百多個零部件，由於影響因素很多，因而聲音特徵也多種多樣。在 低音區諧波結構中，基頻幅度遠小於其他諧波幅值，甚至在最低的幾個音的諧波結構中基 頻幅值為零，完全不存在，基頻丟失。在高音區頻譜結構中只存在基頻成分，其他諧波幅度 很低甚至為零，諧波丟失。各次諧波的頻率並非基頻的整數倍，在頻譜結構中，隨著諧波次 數的升高，諧波的頻率間隔逐漸加大，存在諧波的不諧和性。另外，聲音在不斷衰減，並且各 次諧波衰減的速度又不盡相同。諧波結構存在的上述特殊性嚴重影響目前各種常用鋼琴校音方法的測量精度，基 頻丟失現象將導致檢測聲音最大值的方法把某高次諧波當成基頻而出現倍頻現象，例如將 a音當成al音或e2音，不諧和現象將導致檢測頻譜間隔的算法產生較大誤差，有時甚至完 全錯誤，各次諧波衰減速度的不同將導致檢測聲音過零率的方法不穩定，不斷抖動。
發明內容
為了克服現有的電子校音器的不穩定性，提高校音精度，本發明提供一種利用加 權最小二乘法檢測鋼琴聲音的方法，該方法充分考慮到鋼琴聲音存在的基頻丟失，諧波丟 失，諧波不諧和性以及衰減速度不一致的特點，顯示穩定，分析精度高。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一個鋼琴校音器，包括聲音信號檢 測，信號的處理和變換，信號的分析和數據的顯示單元。其內部電路連接關係是信號檢測 單元輸出端接信號處理單元的輸入端，信號處理單元的輸出端以及鍵盤的輸出端接信號分 析單元輸入端，信號分析單元的輸出端接數據顯示單元。本發明的有益效果是，充分考慮鋼琴聲音特點，採用加權最小二乘法計算聲音的 基頻，分析精度高，特別適合要求精確校音的場合，頻譜範圍寬，完全覆蓋鋼琴88個音，顯 示穩定，校音可靠高效。
下面結合附圖和實施實例對本發明進一步說明。圖1是本發明的原理框圖。圖2是本發明的諧波提取示意圖。圖3是本發明的電路原理圖。
具體實施例方式在圖1中，聲音信號檢測單元1包括麥克風及其偏置電路，信號的處理和變換單元 2包括放大電路21、濾波電路22和模數轉換電路23，放大電路21具有自動增益控制功能， 自動調整放大倍數，避免信號失真，濾波電路22選用帶通濾波器，下限截止頻率選在IOOHz 左右，避開交流電幹擾，上限截止頻率選在5000Hz左右，覆蓋鋼琴所有88個半音的基頻，模 數轉換電路23選用採樣頻率為11025Hz，模擬信號轉換為16位的數位訊號，信號分析單元 3包括傅立葉變換模塊31、諧波提取模塊32、加權最小二乘法模塊33。傅立葉變換模塊31 對數字聲音信號進行傅立葉變化，數據幀長度為1024，諧波提取模塊32提取各次諧波的頻 率和幅值，加權最小二乘法模塊33應用加權最小二乘法分析各次諧波的頻率和幅值數據， 獲得最小誤差的基頻和不諧和係數，與標準值比較後，計算出音分偏差，數據顯示單元4顯 示聲音的基頻和音分偏差，鍵盤輸入單元5接收用戶校音設置。圖2中說明了本發明所採用的諧波提取方法。聲音信號經過傅立葉變換，比較所 有譜線，確定最大幅值的譜線，以該最大幅值譜線乘以0.1作為譜線篩選的閾值，某條譜線 的幅值小於該閾值，就忽略該譜線，某條譜線的幅值大於該閾值，就保留該譜線，圖2中，譜 線4、5、6被忽略掉，譜線1、2、3、7、8、9被保留下來，用來進一步提取諧波。當知> ^v1且知 > an+1時，％就是一個局部峰值，該局部峰值對應的頻率除以當前調校音的標準頻率，取比 值最接近的整數k，則當前諧波記作第k次諧波，其頻率為fk，幅值為％，圖2中，當調校a音 時，譜線2對應於第1次諧波，其頻率為218Hz，幅值為514，譜線8對應於第2次諧波，其頻 率為437Hz，幅值為339。由於鋼琴聲音存在諧波不諧和性現象，各次諧波的頻率並非基頻的整數倍，諧波 頻率可以近似表示為fk=kfJ\ + (k2-l)B(1)其中&是基頻，k是諧波次數，B是不諧和係數。利用一組提取的諧波的次數、諧 波的頻率便可以計算出基頻和不諧和係數。為了減小計算的誤差，採用最小二乘法。由於 採集到的聲音中包含環境噪聲以及諧波旁瓣的幹擾，為了進一步減小計算的誤差，運用加 權最小二乘法來計算基頻和不諧和係數，以諧波幅值的平方乘以諧波頻率的平方作為加權 係數。基頻和不諧和係數與諧波的次數、頻率以及幅值的關係可以表示為A · X = C(2)『ΣΛ2炒 Σ+/Μ 爐-1)、其中，扣 眾,Λη/·ΛV kk 上y\ ° J『 Yj^b2kXn Jk-Yj^b2kXnk 、C=-Dln^，式⑵的解就是聲音的基頻和不諧和係數V kk7X = A-1 · C (3)計算得到Inftl和B，進而計算出基頻&和音分偏差。
權利要求
1.一種高精度鋼琴校音器，包括聲音信號的檢測1、信號的處理2、信號的分析3、數據 的顯示4和鍵盤輸入單元5，信號檢測單元1接收鋼琴聲音，信號處理單元2對聲音信號進 行放大、濾波和模數轉換，信號分析單元3將聲音信號經傅立葉變化到頻域，提取諧波後， 應用加權最小二乘法計算聲音的基頻和音分偏差，數據顯示單元4顯示基頻和音分偏差， 鍵盤輸入單元5用來設置校音狀態，其內部電路連接關係是信號檢測單元1的輸出端接信 號處理單元2的輸入端，信號處理單元2的輸出端以及鍵盤輸入5的輸出端接信號分析單 元3的輸入端，信號分析單元3的輸出端接數據顯示單元4。
2.根據權利要求1所述的高精度鋼琴校音器，其特徵是加權最小二乘法應用提取到 的諧波的次數、諧波的頻率和諧波的幅值數據，計算鋼琴聲音的基頻和不諧和係數，進而計 算聲音的音分偏差。
3.根據權利要求1所述的高精度鋼琴校音器，其特徵是加權最小二乘法採用提取的 諧波的幅值的平方乘以諧波頻率的平方作為加權係數，減小計算的均方誤差。
全文摘要
一種高精度鋼琴校音器，包括聲音信號的檢測、信號的處理、信號的分析、數據的顯示和鍵盤輸入單元，信號檢測單元接收鋼琴聲音，信號處理單元對聲音信號進行放大、濾波和模數轉換，信號分析單元將聲音信號經傅立葉變化到頻域，提取鋼琴聲音諧波的諧波次數、諧波頻率和諧波幅值，應用加權最小二乘法計算聲音的基頻和音分偏差，數據顯示單元顯示基頻和音分偏差，鍵盤輸入單元用來設置校音狀態。本發明充分考慮鋼琴聲音特點，採用加權最小二乘法計算聲音的基頻，分析精度高，特別適合要求精確校音的場合，校音範圍寬，完全覆蓋鋼琴88個音，顯示穩定不抖動，校音可靠高效。
文檔編號G10C9/00GK102054470SQ20091022135
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月5日 優先權日2009年11月5日
發明者石立新 申請人:大連民族學院