基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測系統設計探究

摘要：目的：文章提出一種基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測方法，以解決傳統音準檢測方法主觀性強，且無法定量分析的問題。方法：綜合運用實驗設計、數據分析、對比研究等方法，設計一系列實驗，包括不同音高、不同演奏力度下的琴聲檢測，以驗證系統的準確性和穩定性。根據實驗結果，對系統參數進行優化，如濾波器設置、采樣率調整等，以提高檢測精度和效率。在研究過程中，對實驗數據進行統計分析，以評估系統的檢測精度和可靠性。將檢測到的基頻與標準音高對應的頻率值進行比較，通過量化分析判斷小提琴演奏音高的準確性。同時將基于頻譜分析的方法與傳統主觀音準判斷方法進行對比，討論其優勢與局限性。結果：該小提琴琴聲檢測系統基于頻譜分析方法，能夠測量小提琴琴音的基頻，并判斷小提琴演奏音高的準確性。結論：與傳統的方法相比，頻譜分析方法能夠避免主觀性與客觀條件的影響，為小提琴音準判斷提供相對穩定、科學的依據，為今后可量化的小提琴音準評估提供新思路。

關鍵詞：小提琴；音準；琴聲檢測系統；LabVIEW

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）17-00-03

0 引言

小提琴音色優美，音域寬廣，表現力強，憑借輝煌的音樂藝術成就被人們譽為“樂器皇后”［1-3］。如今，隨著人們物質生活水平的逐漸提升，小提琴學習者越來越多［4］。在學習小提琴的過程中，音準是最難突破的問題，這是由小提琴的結構特點決定的。音準是小提琴演奏最基本的要求，是小提琴的靈魂和生命，也是音樂表演藝術中重要的技術基礎［5-6］。幫助練習者判斷音準的傳統方法主要有對比鋼琴聲音、?使用電子校音器、?在指板上做標記等，這些方法主觀性較強，容易受心理和客觀條件的影響，易出現誤差，且無法定量分析，準確度較低。

基于此，本文提出一種基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測方法，將計算機與聲卡作為小提琴琴聲信號檢測的硬件平臺，選用LabVIEW作為琴聲檢測軟件的開發工具，結合數字信號處理相關技術開發琴聲信號檢測系統，對采集的琴聲信號做快速傅里葉變換，并進行頻譜分析，從琴聲信號的幅度譜分布測定琴聲信號的基頻，與標準音高對應的頻率值比較，分析判斷小提琴演奏音高的準確性。

1 系統整體構成

小提琴琴聲檢測系統整體結構如圖1所示。系統以計算機為核心，人工拉奏小提琴，通過傳聲器拾取小提琴演奏的琴聲，并進行由聲音信號到電信號的轉換，然后送入聲卡的ADC，將模擬信號轉換為數字信號后輸入計算機。在計算機上，利用圖形化編程語言LabVIEW開發琴聲檢測系統應用軟件，采集小提琴的琴聲信號，并進行頻譜分析，顯示琴聲信號的時域波形與頻域波形，測定琴聲信號的基頻值。

1.1 傳聲器

傳聲器是一種將聲音信號轉換為電信號的換能器件，俗稱麥克風（Microphone）。傳聲器的技術指標是衡量傳聲器性能的關鍵因素。其主要技術指標包括靈敏度、頻率特性、輸出阻抗、指向性、動態范圍等。系統選用森海塞爾公司生產的E945動圈麥克風，它具有超心形指向、智能降噪、卓越的反饋抑制、暖調的頻率響應等特點。主要技術指標：靈敏度為2 mV/Pa，?頻率范圍為40-18 000 Hz，阻抗為350 Ω。

1.2 聲卡

聲卡是計算機系統中最基本的組成部分，是實現模擬音頻信號與數字信號相互轉換的一種硬件［7］。有些具有數字信號處理技術的計算機聲卡性能優于通用的數據采集卡，可作為特定應用范圍內的數據采集卡使用。評價聲卡的技術參數主要有采樣頻率、采樣位數（即量化精度）、信噪比等。

系統選用Moge生產的PCIe接口獨立聲卡MC2208，其特點為獨立內置式，即插即用，提供3D立體聲環繞聲場、高品質音質。主要技術參數有PCIe X1總線接口、44.1-192 kHz/24 bit采樣率、信噪比100 dB、播放時總諧波失真90 dB。

1.3 LabVIEW軟件平臺

小提琴聲音檢測與分析系統應用軟件開發選用圖形化編輯語言LabVIEW 2020。LabVIEW 2020是由美國國家儀器公司（National Instruments，NI）推出的一款強大的系統設計和測試開發環境，主要用于數據采集、儀器控制、信號處理和測量等。LabVIEW 2020的主要特點如下：引入了更智能的交互式數據分析工具；加強了對硬件驅動的支持，包括最新的NI硬件；改進了圖形化編程界面，使開發更加直觀。

2 系統軟件設計

以LabVIEW 2020為開發工具設計琴聲檢測系統應用軟件，包括操作界面與程序模塊［8］。系統軟件主要由信號采集、存儲、讀取、處理、顯示等功能單元組成。

2.1 琴聲信號檢測與存儲

利用LabVIEW 2020編寫的琴聲信號檢測與存儲程序如圖2所示。

琴聲信號采集前，需要配置設備ID、采樣率、通道數、采樣位數、采樣模式、每通道的采樣數量等相關參數，同時要指定采集數據存儲的文件路徑等。配置完成后，運行程序，就可按要求實現琴聲信號的采集與存儲。

2.2 琴聲信號文件讀取與分析

利用LabVIEW 2020編寫的琴聲信號文件讀取與分析程序如圖3所示。

在程序的前面板上，指定設備ID及讀取文件路徑與讀取采樣數后，運行程序，就可實現對琴聲信號文件的讀取與分析。在程序設計中，調用了LabVIEW的Express函數子選板的“頻譜測量”快速VI，利用該快速VI，對讀取的琴聲信號進行快速傅里葉變換，實現琴聲信號的頻譜分析。通過頻譜分布，可對小提琴演奏的音準作出判斷。

3 系統實驗及分析

通常小提琴定音的標準方法是調整4根弦的音高，使其符合標準音高。小提琴的4根弦從高到低分別是E弦、A弦、D弦和G弦。定音時，通常先調準A弦，因為A弦是參考弦，它的音高確定了其他弦的音高。小提琴E弦、A弦、D弦和G弦標準音高對應的頻率分別為659 Hz、440 Hz、294 Hz和196 Hz。

以人工拉奏小提琴的E弦和A弦做系統實驗，檢測結果如圖4所示。

圖4中，（a）（c）分別顯示拉奏小提琴E弦、A弦時，琴聲信號幅度隨時間變化的過程，（b）（d）對應顯示了E弦、A弦琴聲信號經過快速傅里葉變換后的頻域波形。分析琴聲信號的頻譜結構，利用LabVIEW波形圖控件，獲取游標所在位置坐標值的方法，拖拽游標到頻域波形中最大幅值譜的位置，即可測定拉奏小提琴E弦、A弦時的基頻值分別為660 Hz和440 Hz。與E弦、A弦空弦音的標準音高對應頻率對照，系統實驗所檢測的E弦、A弦基頻與標準音高對應的頻率吻合，從而判斷小提琴E弦、A弦定音準確。

為了檢驗人工拉奏小提琴時指法位置的準確性，選擇人工拉奏小提琴C調低1（Do）、低2（Re）、低3（Mi）、低4（Fa）、低5（So）、低6（La）、低7（Si）、中1（Do）這8度音高進行系統實驗。C調8度音符標準音高頻率對照如表1所示。

人工拉奏小提琴C調8度音符實驗結果如圖5所示。

圖5（a）從時間域上，較為清晰地展示出人工拉奏小提琴C調1、2、3、4、5、6、7、1這8度音符時，琴聲信號隨演奏音符的變化而展現出的8個時間段變化過程。圖5（b）從頻譜分布的結構，顯示了人工拉奏小提琴C調1、2、3、4、5、6、7、1這8度音符時，各個音符對應的基頻及幅度。利用LabVIEW波形圖控件獲取游標所在位置坐標值的方法，分別測量出拉奏小提琴C調8度音符時的基頻值，如表2所示。

分析表2可知，由系統實驗所測量出的人工拉奏小提琴C調1、2、3、4、5、6、7、1這8度音符基頻值與對應的標準音高頻率偏差較小，誤差均在2%以下，由此可判斷人工演奏小提琴音高的準確性。

4 結語

基于傳聲器和計算機聲卡等硬件，以圖形化編程語言LabVIEW為軟件開發平臺，設計小提琴琴聲檢測系統。該系統基于頻譜分析方法，測量小提琴演奏聲音的基頻，并判斷小提琴演奏音高的準確性。與傳統的方法相比，頻譜分析方法避免了主觀性與客觀條件的影響，為小提琴音準判斷提供了相對穩定、科學的依據。另外，系統設計充分利用了計算機的軟硬件資源，具有集成度高、運維成本低、操作簡便、易于推廣使用等優點。

參考文獻：

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［4］ 李亞如.小提琴啟蒙階段學習中循序漸進的探究［J］.藝術評鑒，2021（19）：110-112．

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［6］ 宋曉霞.淺談小提琴演奏中的音準問題［J］.戲劇之家，2022（33）：76-78．

［7］ 包佳佳.基于虛擬儀器軟件LabView的聲卡示波器［J］.電子制作，2020（20）：5-6．

［8］ 張重雄.虛擬儀器技術分析與設計［M］. 4版.北京：電子工業出版社，2020：17-18.

基金項目：本論文為2024年度江蘇省高校哲學社會科學項目“智媒時代江蘇非遺文化數實融合發展路徑研究”成果，項目編號：2024SJYB0542；2024年度江蘇省教育科學規劃課題“職業教育專業教學數字化背景下的藝術類課程‘兩創’實踐路徑研究”成果，項目編號：C/2024/02/57；2022年度江蘇省教育科學規劃課題重點項目“職業教育產教融合實體治理的長效機制研究”成果，項目編號：B/2022/02/47；2023年度江蘇省高等教育教學改革研究課題一般項目“產教融合背景下職業本科藝術設計類專業實踐教學改革研究”成果，項目編號：2023JSJG517

作者簡介：張思維 （1985—） ，女，博士，講師，研究方向：新媒體藝術；張瑩 （1981—） ，女，博士，副教授，研究方向：影視美學與文化。

本文引用格式：張思維，張瑩.基于LabVIEW的小提琴琴聲檢測系統設計探究［J］.藝術科技，2024，37（17）：-.