浅析乐器校音软件设计

宋光辉

摘 要：随着社会的快速发展，人们对于精神文化生活水平的要求也在不断提升，特别是对音乐的追求，已经越来越发强烈。乐器使人们精神文化生活的重要组成部分，特别是钢琴，它具有宽广的音域和动听的旋律，而且具有较高的普及率。本文以钢琴为例，重点分析如何借助计算机软件进行校音。

关键词：乐器；钢琴；校音

1 乐理基础知识

乐理基础知识使我们研究和识别乐音的基础，是我们对乐器进行准确校音的前提。我们在对任何一个乐器进行校音之前，都要先明白以下这些最基本的乐理常识：

乐音：所谓乐音就是指乐器中的发声部件，经过规律性振动所发出的具有一定音高的音。这个音高有一个固定值，而且乐音具有强度、音调和音色这三个基本特性。

音符：实质上音符就是对音这一概念的一种符号表示，不同长短的音可以通过音符进行不同记录，以方便音乐演奏者来区分不同乐音。一个四分音符的长度就是一个基本音符，它是组成乐音的最基本组成元件。

音量和音高：音量是用来表示声音强弱的概念，也就是我们通过按钮进行“声大”、“声小”调节；而音高是乐音的高度，它是通过发声部件不同振动频率来控制的，通俗的讲就是我们所说的“调高了”、“调低了”，音高与频率呈现正比例关系。

泛音：所谓泛音，我们可以将其理解为谐振频率，即谐频。它主要是指根據不同振动方式而发出不同音色，音色的不同就会给人以不同的音乐感受，我们可以不去考虑发音物体产生的基音，而直接从音色角度出发去分析乐器的振动方式。这里所说的音色就是指人听觉的不同感受，泛音的不同就会产生不同音色。

时值：顾名思义就是指时间长度，也就是说一个音发出之后能够共鸣多长时间。假设我们已经知道一个全音的时值信息量，那么我们就可以根据十二平均律规则来直接分析出其余音符。不同发音物体具有不同时值，进而方便用来区分不同单乐音音符。

2 钢琴乐音信号的采集

校音的前提就是能够对乐音信号进行可靠采集，也就是说我们能够将原始钢琴乐音全部转换为数字离散化的乐音数字信号，进而能够利用相关计算机软件对这些数字信号进行分析处理，实现钢琴校音的目的。乐音信号的采集过程可以简单地理解为模拟信号的数字离散化过程。

离散化数字信号可以用下式来表示：

其中，T表示信号的采样周期。校音对于采样速度有较高的要求，也就是说需要从离散化的采样样本数据s[n]中快速的将原始模拟信号sa[t]进行复原，以便能够进行下一步音乐信号处理。这里我们给出采样速度的计算公式：

该式中非常明确地表示出采样速度与信号采样周期成反比例关系，也就是说采用周期越小，说明采样频率越大，也就是采样速度越快。对于乐音进行采样有一个最低采样速率要求，只有在满足这个最低数值的前提下，我们才能够对所采样乐器进行准确校音。也就是说我们在对原始乐音信号采样时，一定要有足够高的频率采样分辨率，进而保证后期分析处理结果中有较高的频率分析精度。

3 钢琴校音软件系统结构

钢琴校音软件的最根本意义就在于对钢琴每个音符的实际基音进行校对，是在计算机的基础之上对单音符信号的实时分析。这里面涉及识别与比对过程，根据识别比对结果，我们可以直接看出目前钢琴所存在的基音误差值，进而对钢琴琴弦进行调整。评判校对效果是根据所校对音符与标准基音音高的误差值，看这个数值是否在合理误差范围之内。通常一个校音软件其系统主要由以下几个模块组成。

系统参数初始化模块：该模块主要用来完成基本参数的设置和算法模型的确立，我们可以在该模块的基础之上进行设计一个校队钢琴键盘模型，直接确定下一步将要进行校音的目标音符。设定国际标准基音频率和检测范围，以确定模型各项模型参数，这样就方便软件的后续分析处理过程。

信号采集：该模块的主要作用进行信号采集，不同校音设备的信号采集方式也有着较大区别。譬如DSP硬件系统信号采集，声卡采集捉着声音信号波形文件采集。信号的实时采集过程需要在专业Matlab软件的基础之上来进行，如果是要采集波形文件，那么就要对信号的样本数量，采样频率和通道数等信息进行全面细致的分析。

预处理：所谓预处理就是对琴音信号的预滤波和分帧加窗。经过预处理过后的信号，不再包含有高次谐波或者系统噪声等一些无用信号。完整待校音信号时一个被分割为n帧短时近似平稳加窗信号，这样更有利于校音软件对信号音的校队。

基音检测：一般情况下音符的标准基音都处于不同标准频率段，钢琴校音软件系统可以根据不同基音频率对待校队音进行频率判断，进而开始下一步的信号波形处理。同时系统还可以直接将基音实际识别频率进行显示，以明确告知用户当前音符与国际标准频率之间存在的差别。

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