基于LabVIEW的樂器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)

摘要： 該系統(tǒng)采用虛擬儀器思想，利用基于圖形化的編程軟件LabVIEW開發(fā)了樂器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)。主要內(nèi)容包括模擬鋼琴，鋼琴及吉它音頻的基頻檢測，音頻的采集和存儲、音頻的參數(shù)測量、音頻的譜分析及圖形化顯示等內(nèi)容。該系統(tǒng)利用LabVIEW中NI模塊通過搭積木式編程方法實現(xiàn)了對鋼琴和吉它2種樂器的音準(zhǔn)調(diào)音。實現(xiàn)鋼琴模擬調(diào)律過程，滿足實際吉它調(diào)音的需要。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 虛擬儀器； 模擬鋼琴； 樂器調(diào)音； 基頻檢測

中圖分類號： TN919?34； TM935 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0141?04

0 引 言

鋼琴和吉它是人們喜聞樂見的樂器，其共同的特點是它們的琴弦都具有金屬的延展性，使用過一段時間后其音準(zhǔn)會發(fā)生變化，從而要周期性地對鋼琴和吉它進行調(diào)律（調(diào)音）。

此類樂器特別是鋼琴的調(diào)音，傳統(tǒng)上都是由專業(yè)調(diào)音師來完成的。隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，尋求一種科學(xué)的，普通人可以掌握的調(diào)音工具已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。本文應(yīng)用EPMC?505C嵌入式平臺，設(shè)計的樂器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)可以使鋼琴和吉他的調(diào)音變得簡單而有趣。通過該系統(tǒng)用戶可以準(zhǔn)確地判斷出音準(zhǔn)是否有偏差，快速完成調(diào)音。

另外，本設(shè)計作品參加了2012全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽嵌入式大賽（獲三等獎），為了滿足現(xiàn)場演示需要，系統(tǒng)中還設(shè)計了模擬鋼琴，用以模擬鋼琴調(diào)音的全過程。

1 系統(tǒng)組成與功能

1.1 系統(tǒng)組成

本樂器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)可實現(xiàn)鋼琴模擬調(diào)律過程，并可完成實際吉它調(diào)音的任務(wù)。

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 模擬鋼琴

（1）按鍵發(fā)音（音高可調(diào)）；

（2）琴鍵變色；

（3）聲卡、音箱輸出。

1.2.2 音頻信號處理

（1）音階校準(zhǔn)功能：提取信號基音頻率，與標(biāo)準(zhǔn)音階信號對比，實現(xiàn)音階校準(zhǔn)。并通過表頭顯示差別；

（2）頻譜分析圖功能；

（3）示波器功能。

2 基音頻率檢測原理

樂器調(diào)音系統(tǒng)的核心問題是樂音信號的基音頻率檢測（基頻檢測），通過檢測樂音的基頻，比對標(biāo)準(zhǔn)頻率，從而判斷鋼琴和吉它的音準(zhǔn)。

鋼琴是敲擊弦樂器，吉他是彈撥弦樂器。不論彈撥弦，還是敲擊弦，弦的振動是由多階諧波分量疊加而成的。彈撥和敲擊位置不相同，其振動的頻率分量將不同，即泛音不同，但基頻是不變的。事實上，像吉他一類的樂器對于每一個音敲擊弦的位置是大致固定的，所以一旦基頻確定，其諧波組成分量也就確定。因此對弦樂器進行校音時，最為關(guān)心的是基波分量的頻率，也就是所謂的基音頻率[1?4]。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)[10]

3.1 模擬鋼琴

圖5 模擬鋼琴測試圖

3.2 調(diào)音系統(tǒng)實現(xiàn)

鋼琴的調(diào)音方法類似，但是由于鋼琴的按鍵較多，因此需要的頻率也較多，一一列舉過于繁瑣，可以直接通過調(diào)用程序中生成的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為比較的基準(zhǔn)，每個鍵的調(diào)音由旋鈕完成，旋鈕生成的改變量所構(gòu)成的數(shù)組相加，之后用索引數(shù)組vi將對應(yīng)的已經(jīng)改變的頻率輸入到正弦波生成vi中，從而實現(xiàn)單鍵聲音的改變，由于只有一個數(shù)值輸入控件（即旋鈕），要實現(xiàn)改一個鍵時，其他鍵的音不發(fā)生變化，使用調(diào)用節(jié)點中的“重新初始化為默認(rèn)值”并將默認(rèn)值設(shè)置為零，通過對索引號是否相同和是否為默認(rèn)C音的索引號的判斷來決定是否執(zhí)行該調(diào)用節(jié)點，就能實現(xiàn)每個鍵的單獨調(diào)音，不會對其他鍵造成影響。

圖9 鋼琴調(diào)音界面

3.3 波形頻譜模塊實現(xiàn)

為更好地對生成的聲音進行加工和調(diào)整，需要了解所生成的聲音的時域波形和頻譜，系統(tǒng)設(shè)計了波形和頻譜實時顯示功能模塊，模擬鋼琴彈奏過程中的波形及頻譜可清晰地顯示在前面板上。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)采用虛擬儀器思想，利用基于圖形化的編程軟件LabVIEW開發(fā)了樂器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成模擬鋼琴和樂器調(diào)音的工作。但本文的研究工作對于鋼琴調(diào)音領(lǐng)域的研究僅僅只是一個初步探索，存在很多的不足，還有很多后續(xù)工作要做。

（1）由于真實鋼琴的頻譜諧波分量非常復(fù)雜，目前還難以實現(xiàn)模擬鋼琴的樂音與真實鋼琴達到完全一致。

（2）此調(diào)音系統(tǒng)能夠直觀顯示鋼琴鍵音的誤差值，供調(diào)音者參考，但是調(diào)整琴弦張力尚需人工完成，后續(xù)工作可以將琴弦誤差值與琴弦張緊力直接對應(yīng)起來，設(shè)計硬件如機械手，控制其完成調(diào)音工作，實現(xiàn)完全自動化。

參考文獻

[1] 易克初，田斌，付強.語音信號處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[2] PARSON T W.語音信號處理[M]. 文成義，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[3] 管善群.音樂聲學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上海音樂出版社，1988.

[4] 姚亞平.音高結(jié)構(gòu)歷史演化概要[J].中國音樂學(xué)，2000（1）：99?109.

[5] HATONETAL J P. Automatic speech analysis and recognition [M]. Reidel Publishing Company， 1982： 49?67.

[6] 雷靜.語音識別技術(shù)的研究及基本實現(xiàn)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2002.

[7] 付青青，吳愛平.基于Matlab 的語音信號自相關(guān)基音檢測[J].長江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，3（4）：99?103.

[8] 蘇江峰.鋼琴調(diào)音軟件的設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

[9] 曹政.基于時頻分析的樂音識別算法研究[D].合肥：中國科技大學(xué)，2006.

[10] 陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[11] 王浩，楊剛.LabVIEW下數(shù)字序列輸出的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技，2009（3）：33?36.

[12] 李愛勤，張緒坤.基于TCS230與LabVIEW的顏色測量系統(tǒng)[J].電子科技，2009（3）：26?29.