基于LabVIEW的小提琴琴声检测系统设计探究

摘要：目的：文章提出一种基于LabVIEW的小提琴琴声检测方法，以解决传统音准检测方法主观性强，且无法定量分析的问题。方法：综合运用实验设计、数据分析、对比研究等方法，设计一系列实验，包括不同音高、不同演奏力度下的琴声检测，以验证系统的准确性和稳定性。根据实验结果，对系统参数进行优化，如滤波器设置、采样率调整等，以提高检测精度和效率。在研究过程中，对实验数据进行统计分析，以评估系统的检测精度和可靠性。将检测到的基频与标准音高对应的频率值进行比较，通过量化分析判断小提琴演奏音高的准确性。同时将基于频谱分析的方法与传统主观音准判断方法进行对比，讨论其优势与局限性。结果：该小提琴琴声检测系统基于频谱分析方法，能够测量小提琴琴音的基频，并判断小提琴演奏音高的准确性。结论：与传统的方法相比，频谱分析方法能够避免主观性与客观条件的影响，为小提琴音准判断提供相对稳定、科学的依据，为今后可量化的小提琴音准评估提供新思路。

关键词：小提琴；音准；琴声检测系统；LabVIEW

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）17-00-03

0 引言

小提琴音色优美，音域宽广，表现力强，凭借辉煌的音乐艺术成就被人们誉为“乐器皇后”［1-3］。如今，随着人们物质生活水平的逐渐提升，小提琴学习者越来越多［4］。在学习小提琴的过程中，音准是最难突破的问题，这是由小提琴的结构特点决定的。音准是小提琴演奏最基本的要求，是小提琴的灵魂和生命，也是音乐表演艺术中重要的技术基础［5-6］。帮助练习者判断音准的传统方法主要有对比钢琴声音、‌使用电子校音器、‌在指板上做标记等，这些方法主观性较强，容易受心理和客观条件的影响，易出现误差，且无法定量分析，准确度较低。

基于此，本文提出一种基于LabVIEW的小提琴琴声检测方法，将计算机与声卡作为小提琴琴声信号检测的硬件平台，选用LabVIEW作为琴声检测软件的开发工具，结合数字信号处理相关技术开发琴声信号检测系统，对采集的琴声信号做快速傅里叶变换，并进行频谱分析，从琴声信号的幅度谱分布测定琴声信号的基频，与标准音高对应的频率值比较，分析判断小提琴演奏音高的准确性。

1 系统整体构成

小提琴琴声检测系统整体结构如图1所示。系统以计算机为核心，人工拉奏小提琴，通过传声器拾取小提琴演奏的琴声，并进行由声音信号到电信号的转换，然后送入声卡的ADC，将模拟信号转换为数字信号后输入计算机。在计算机上，利用图形化编程语言LabVIEW开发琴声检测系统应用软件，采集小提琴的琴声信号，并进行频谱分析，显示琴声信号的时域波形与频域波形，测定琴声信号的基频值。

1.1 传声器

传声器是一种将声音信号转换为电信号的换能器件，俗称麦克风（Microphone）。传声器的技术指标是衡量传声器性能的关键因素。其主要技术指标包括灵敏度、频率特性、输出阻抗、指向性、动态范围等。系统选用森海塞尔公司生产的E945动圈麦克风，它具有超心形指向、智能降噪、卓越的反馈抑制、暖调的频率响应等特点。主要技术指标：灵敏度为2 mV/Pa，‌频率范围为40-18 000 Hz，阻抗为350 Ω。

1.2 声卡

声卡是计算机系统中最基本的组成部分，是实现模拟音频信号与数字信号相互转换的一种硬件［7］。有些具有数字信号处理技术的计算机声卡性能优于通用的数据采集卡，可作为特定应用范围内的数据采集卡使用。评价声卡的技术参数主要有采样频率、采样位数（即量化精度）、信噪比等。

系统选用Moge生产的PCIe接口独立声卡MC2208，其特点为独立内置式，即插即用，提供3D立体声环绕声场、高品质音质。主要技术参数有PCIe X1总线接口、44.1-192 kHz/24 bit采样率、信噪比100 dB、播放时总谐波失真90 dB。

1.3 LabVIEW软件平台

小提琴声音检测与分析系统应用软件开发选用图形化编辑语言LabVIEW 2020。LabVIEW 2020是由美国国家仪器公司（National Instruments，NI）推出的一款强大的系统设计和测试开发环境，主要用于数据采集、仪器控制、信号处理和测量等。LabVIEW 2020的主要特点如下：引入了更智能的交互式数据分析工具；加强了对硬件驱动的支持，包括最新的NI硬件；改进了图形化编程界面，使开发更加直观。

2 系统软件设计

以LabVIEW 2020为开发工具设计琴声检测系统应用软件，包括操作界面与程序模块［8］。系统软件主要由信号采集、存储、读取、处理、显示等功能单元组成。

2.1 琴声信号检测与存储

利用LabVIEW 2020编写的琴声信号检测与存储程序如图2所示。

琴声信号采集前，需要配置设备ID、采样率、通道数、采样位数、采样模式、每通道的采样数量等相关参数，同时要指定采集数据存储的文件路径等。配置完成后，运行程序，就可按要求实现琴声信号的采集与存储。

2.2 琴声信号文件读取与分析

利用LabVIEW 2020编写的琴声信号文件读取与分析程序如图3所示。

在程序的前面板上，指定设备ID及读取文件路径与读取采样数后，运行程序，就可实现对琴声信号文件的读取与分析。在程序设计中，调用了LabVIEW的Express函数子选板的“频谱测量”快速VI，利用该快速VI，对读取的琴声信号进行快速傅里叶变换，实现琴声信号的频谱分析。通过频谱分布，可对小提琴演奏的音准作出判断。

3 系统实验及分析

通常小提琴定音的标准方法是调整4根弦的音高，使其符合标准音高。小提琴的4根弦从高到低分别是E弦、A弦、D弦和G弦。定音时，通常先调准A弦，因为A弦是参考弦，它的音高确定了其他弦的音高。小提琴E弦、A弦、D弦和G弦标准音高对应的频率分别为659 Hz、440 Hz、294 Hz和196 Hz。

以人工拉奏小提琴的E弦和A弦做系统实验，检测结果如图4所示。

图4中，（a）（c）分别显示拉奏小提琴E弦、A弦时，琴声信号幅度随时间变化的过程，（b）（d）对应显示了E弦、A弦琴声信号经过快速傅里叶变换后的频域波形。分析琴声信号的频谱结构，利用LabVIEW波形图控件，获取游标所在位置坐标值的方法，拖拽游标到频域波形中最大幅值谱的位置，即可测定拉奏小提琴E弦、A弦时的基频值分别为660 Hz和440 Hz。与E弦、A弦空弦音的标准音高对应频率对照，系统实验所检测的E弦、A弦基频与标准音高对应的频率吻合，从而判断小提琴E弦、A弦定音准确。

为了检验人工拉奏小提琴时指法位置的准确性，选择人工拉奏小提琴C调低1（Do）、低2（Re）、低3（Mi）、低4（Fa）、低5（So）、低6（La）、低7（Si）、中1（Do）这8度音高进行系统实验。C调8度音符标准音高频率对照如表1所示。

人工拉奏小提琴C调8度音符实验结果如图5所示。

图5（a）从时间域上，较为清晰地展示出人工拉奏小提琴C调1、2、3、4、5、6、7、1这8度音符时，琴声信号随演奏音符的变化而展现出的8个时间段变化过程。图5（b）从频谱分布的结构，显示了人工拉奏小提琴C调1、2、3、4、5、6、7、1这8度音符时，各个音符对应的基频及幅度。利用LabVIEW波形图控件获取游标所在位置坐标值的方法，分别测量出拉奏小提琴C调8度音符时的基频值，如表2所示。

分析表2可知，由系统实验所测量出的人工拉奏小提琴C调1、2、3、4、5、6、7、1这8度音符基频值与对应的标准音高频率偏差较小，误差均在2%以下，由此可判断人工演奏小提琴音高的准确性。

4 结语

基于传声器和计算机声卡等硬件，以图形化编程语言LabVIEW为软件开发平台，设计小提琴琴声检测系统。该系统基于频谱分析方法，测量小提琴演奏声音的基频，并判断小提琴演奏音高的准确性。与传统的方法相比，频谱分析方法避免了主观性与客观条件的影响，为小提琴音准判断提供了相对稳定、科学的依据。另外，系统设计充分利用了计算机的软硬件资源，具有集成度高、运维成本低、操作简便、易于推广使用等优点。

参考文献：

［1］ 吕乐.试论中国小提琴的音乐文化之路［J］.艺术家，2019（10）：167-168．

［2］ 赵音.小提琴演奏技巧与情感表达［J］.当代音乐，2021（11）：149-151．

［3］ 林山琦.小提琴演奏技巧与表现力研究［J］.传播力研究，2020，4（23）：106-107．

［4］ 李亚如.小提琴启蒙阶段学习中循序渐进的探究［J］.艺术评鉴，2021（19）：110-112．

［5］ 文扬帆.小提琴演奏音准问题的探讨［J］.大众文艺，2021（1）：96-97．

［6］ 宋晓霞.浅谈小提琴演奏中的音准问题［J］.戏剧之家，2022（33）：76-78．

［7］ 包佳佳.基于虚拟仪器软件LabView的声卡示波器［J］.电子制作，2020（20）：5-6．

［8］ 张重雄.虚拟仪器技术分析与设计［M］. 4版.北京：电子工业出版社，2020：17-18.

基金项目：本论文为2024年度江苏省高校哲学社会科学项目“智媒时代江苏非遗文化数实融合发展路径研究”成果，项目编号：2024SJYB0542；2024年度江苏省教育科学规划课题“职业教育专业教学数字化背景下的艺术类课程‘两创’实践路径研究”成果，项目编号：C/2024/02/57；2022年度江苏省教育科学规划课题重点项目“职业教育产教融合实体治理的长效机制研究”成果，项目编号：B/2022/02/47；2023年度江苏省高等教育教学改革研究课题一般项目“产教融合背景下职业本科艺术设计类专业实践教学改革研究”成果，项目编号：2023JSJG517

作者简介：张思维 （1985—） ，女，博士，讲师，研究方向：新媒体艺术；张莹 （1981—） ，女，博士，副教授，研究方向：影视美学与文化。

本文引用格式：张思维，张莹.基于LabVIEW的小提琴琴声检测系统设计探究［J］.艺术科技，2024，37（17）：-.