钢琴音色识别与电子合成系统的设计与实现探究

景宇阳

（南京艺术学院 江苏 南京 210013）

钢琴音色识别与电子合成系统设计过程中需要应用到音乐理论与跨软件工程，其中音乐理论主要有钢琴弦振动方程、乐理与钢琴结构等，软件工程主要有信号仿真、处理与矩阵计算等。因为专业限制，导致音乐研究者难以利用软件工程相关理论和计算方法对系统进行深入探索，从而导致音乐软件工程研究深度不足。因此，必须对钢琴音色识别与电子合成系统设计进行应用探索，以促进音乐领域发展。

一、系统总体设计方案

本研究主要以钢琴音色识别与电子合成系统为研究案例，对钢琴仿真系统进行应用探索。在系统设计方案制定方面，首先利用十二平均律数学模型分析钢琴特征，包括音高、发音原理与音色等。然后通过频域检测进行钢琴频率分析，结合仿真实现分析获取相应频谱，利用矩阵研究本系统钢琴特色。最后，通过商业数学软件对系统开发应用进行分析，根据系统测试分析钢琴音色识别与电子合成系统音色识别和电子合成功能。

二、钢琴乐音特征的数字化识别

（一）频谱分析。在系统频谱分析方面，主要通过傅里叶分析方法对数字信号稳态特性进行分析。在钢琴演奏过程中，急板乐曲节拍每分钟240拍，速度相对较快。以10ms时间段作为研究区间，对钢琴音乐频谱进行短时傅里叶变化分析，通过傅里叶分析方法获得键盘与音乐最低频率分别是27.5Hz、16Hz。在钢琴演奏方面，钢琴独特音色需要通过49A钢琴键高频泛音体现出来，该钢琴键振动过程中能量主要聚集在440Hz。当钢琴键振动能量达到最高频率时，便会导致听众听觉神经出现强烈刺激反应。为提高本系统钢琴频率测量精确度，采用专业电子频率计进行频率分析。经研究发现，本系统钢琴频谱中存在很多倍频泛音，使钢琴音色更加浓郁、浑厚。

（二）音色特征矩阵的研究。本文首先建立系统音色特征矩阵，对钢琴音倍频点振幅比例关系进行记录。通过矩阵倍频点相对基频振幅统计分析发现，当系统钢琴音色要求偏高时，可以通过50个倍频点谐振达到目标，因为人耳已经难以感知到钢琴音色，所以系统钢琴音色能够达到理想状态。若系统速度要求偏高，则可通过前17个倍频点谐振处理达到理想钢琴音色，从而有效控制系统效率。

（三）数字化识别。通过傅里叶级数频谱分析代码分析频谱，获得相应乐器倍频点振幅，结合音色描述矩阵识别乐器乐音。利用振幅特征提取代码分析乐器时间与振幅关系，了解各类乐器包络函数，根据包络函数进行乐器音强振幅特征模拟，从而达到识别乐器的目的。

三、仿真实验

（一）正弦波的电子合成。通过十二平均率计算乐谱乐音基频，结合商业数学软件生成正弦信号表达音乐，根据软件函数进行矩阵信号转换，从而达到乐音仿真目的。对各小节乐音对应频率进行计算，通过小节节拍数量了解乐音持续时间。然后通过商业数学软件将仿真抽样频率控制在8000Hz，于矩阵中存储电子合成音乐信号，通过软件将数字化音乐播放出来，根据乐理分析结果编写正弦波音乐程序。

（二）包络函数的应用。在钢琴仿真演奏过程中可能会出现音符相位出错现象，这对音符过渡可能会造成影响，从而导致相位出现高频分量与突变，难以将系统演奏效果发挥出来。针对这种情况，必须利用包络函数处理杂音问题。在具体应用方面，主要通过指数衰减包络函数衰减音乘因子，但在音符速度衰减之后依然会存在噪音问题，系统音乐演奏效果不足。因此，必须通过不同音符衰减应用研究获得各音符衰减速度差异，结合乐音音长标识将衰减速度求解出来，然后通过正弦波音程序编写进行程序演奏，从而达到乐曲起伏变化效果。由于乐曲演奏过程中可能会存在细微杂音，因此需要对包络函数进行创新探索，利用包络函数柔和性特点和振动能量提速作用进行高效发音，将杂音消除掉，使音符顺利过渡。

（三）乐音的电子合成。由系统音乐特征数字化识别分析可知，音色描述矩阵能够促进钢琴乐音电子合成。若钢琴乐音电子合成音色要求较低，则可以通过17个倍频点谐振发音，有利于合成速度和音色均衡，且能够满足普通钢琴电子合成和音乐识别需求。若钢琴乐音电子合成音色要求较高，则可通过50个倍频点谐振发音达到音色要求。

（四）成品的测试。在成品软件测试方面，需要由专业人士评价系统仿真效果。本文主要通过快速原型法进行系统开发，通过重复性成品软件开发应用完善系统功能。在系统开发应用方面，必须将系统模型构建出来，通过模型展示进行系统设计方案调整，从而满足客户对产品的需求。

四、结语

软件工程技术是音乐系统开发应用中的一种有效手段，对人们体验音乐具有重要影响。本研究钢琴音色识别与电子合成系统功能应用效果较好，能够满足客户在音色、音频与声音等方面的需求，具有一定的应用研究价值。