基于MATLAB乐器校音系统的设计样本.doc
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1、* 本 科 毕 业 设 计(论 文)乐器校音办法研究学 院(系): 信息与通信工程学院 专 业: 电子信息工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 6月10日 摘 要乐器校音对普通人而言是一项难以胜任工作,而既有校音设备又存在着诸多弊端。开发一种操作简朴,价位适中,误差率小乐器校音软件已成为21世纪电脑音乐时代规定。本文简要简介了钢琴调律基本知识、以及运用MATLAB语言对声音信号进行分析过程。运用基于傅里叶变换谐波峰值法检测基频。通过度析,提高基频检测精度,结合音律拟定声音调节方向。通过MATLAB仿真成果表白,运用此办法可达到5高频精度较好,而
2、高频精度相对较差。乐器校音系统设计较好地综合了音乐和技术领域知识,初步实现了机器检测音律功能。随着科学技术不断发展,运用多媒体技术校音手法必将成为乐器校音主流。核心字:乐器校音;谐波峰值法;频率校正;音律The Method Of Tuning Musical Instrument TuningAbstractMusical Instruments Tuning For most people it is very difficult,and existing equipment of tuning device has many malpractice. So develop a simpl
3、e,affordable,small error rate software of instrument tuning is the requirements of computer music times in 21st century.This paper introduces the basics of piano tuning and the process of using MATLAB to analysis the sound signals. And using the method of harmonic peak algorithm based on FFT to dete
4、ction the fundamental frequency. By analyzing ,increase the detection accuracy of baseband,combined with temperament determine the direction of the sound adjustment. MATLAB simulation results show that this method can make the accuracy batter for low frequency but high frequency is poor.Instrument t
5、uning system combines the knowledge of music and technology. The initial realization of the function of machine detect the temperament. With the continuous development of science and technology,Use of multimedia technology will become the way to musical instrument tuning.Keywords:Instrument Tuning;H
6、armonic Peak Algorithm;Frequency Correction;Temperament目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景11.1.1 为什么乐器需要校音11.1.2 近当代重要调音办法21.2 乐器校音系统意义21.3 本设计重要内容32 乐器校音基本知识42.1 音42.2 律42.2.1 五度相生律52.2.2 十二平均律52.2.3 五度相生律与十二平均律比较62.3 音高频率73 基频检测93.1 系统框图93.2 检测办法93.2.1 时域算法93.2.2 频域算法103.3 时域分析113.4 频域分析134 离散频谱分析校正164
7、.1频率校正法164.2 幅值校正法174.3 相位校正法174.4 校正过程18总 结20参照文献21致 谢221 绪论1.1 课题背景人类制造任何发声物都可称为乐器,所有乐器均有“特定音色,或发出一种声音,或某一拟定音高若干声音,或至少是提供材料在一定期间内持续发出噪声”(舍夫纳,A.Schaeffner,1946)。当代分类法把世界上所有乐器归纳为五大类:体鸣乐器、膜鸣乐器、气鸣乐器、弦鸣乐器和电鸣乐器。本文重要针对弦鸣乐器即弦乐器校音加以阐明1。1.1.1 为什么乐器需要校音弦乐器是乐器家族内一种重要分支,其发音方式是依托机械力量使张紧弦线振动发音,故弦线张力很容易影响弦乐器音准。长期
8、磨损、空气中不同温度、湿度都会影到弦线张力。以钢琴为例,钢琴音准变化是由其构造和材料固有属性决定,是不可避免,钢琴共有200多根弦,靠弦轴、弦轴板和铁骨张紧,弦总拉力近20吨。弦列通过琴码压在穹形音板上, 10余吨张力作用在琴上必然引起相应变形,其中音板变形对音高影响最大,钢琴出厂此前,普通通过48次拨音和调音以抵消这种变形。新生产钢琴其所使用各种材料内应力相对会大某些,(这里重要是指琴体、琴弦、钢板,这些重要部件在生产过程中已经进行了人工时效与自然时效解决),随着时间持久,钢琴各零部件内应力会慢慢释放出来从而使钢琴稳定性愈来愈趋于稳定,这就是为什么年代久某些琴总比新琴要稳定因素。钢琴在演奏过
9、程中,击弦机要重复敲击琴弦,琴弦受到了外力冲击再加上材料自身内应力,自然就会加大了音准发生变化趋势,钢琴在使用一段时间后,钢琴击弦机构通过成千上万次动作,某些易磨损部件都不同限度磨损,导致击弦机构行程比例、配合失调,引起触感不良,温湿度变化也会导致钢琴某些部件运营不良,因此钢琴在定期调律同步也要进行调节。由于木材自身粘弹性(像和好面团同样,既有弹性,又有随时间延续发生变形性质),音板变形是随时间延续而缓慢发生。尽管木材粘弹性导致这种变形报其缓慢,它对音高影响还是明显,因此钢琴从制成到报废都得为抵消这种变形而调律。此外弦线具备金属延展性,在长期持续巨大张力下会发生延长和变形导致音高减少,这也是弦
10、乐音准变化一种因素。因此许多演奏者后会在使用完毕后放松弦线,待下次使用前在重新对乐器进行校音,以延长弦线使用寿命。有时在演奏一场交响乐时,为配合整场乐器或某首曲子曲调演奏者们也会对其乐器加以调节,来使演奏达到最佳效果2。1.1.2 近当代重要调音办法老式调音手段是通过专业调音师对乐器进行调音。调音师是专门从事调律这项工作人员。调音师通过自己耳朵和所掌握调律知识把乐器律制调准,同步还涉及对某些乐器机械整调,零件修理和更换。但在乐器生产中技术人员只要知乐器与否合格,零件配合与否恰当就足够了,而在技术文献中涉及调律内容又少之又少。因此调音工作就成为一项极其专业工作,普通人很难掌握。特别国内由于调音行
11、业发展比较缓慢,因此调音师更是成了凤毛麟角,所谓物以稀为贵,调音师得调音自然是价格不菲。由于调音师是依照自身所学来进行调音,因此其调音效果就必然与原则存在一定误差,又由于其调音具备一定主观意识,导致每个调音师所调出乐器音律又并非完全一致。由于当代可以不断发展和调音师调律诸多弊端,预示着调音师必然将在科技长河中被裁减,成为历史。音叉是呈“Y”形钢质或铝合金发声器,各种音叉可因其质量和叉臂长短、粗细不同而在振动时发出不同频率纯音。用音叉取“原则音”是钢琴调律过程中十分重要手段之一。但音叉易受环境条件影响,调音精准度不高,同样存在误差。调音器是为了校正乐器音高一种仪器。它采用乐音振动频率辨认程序来显
12、示乐器音高电子产品,现已广泛应用于各种乐器调音中。依照合用乐器不同,又分为吉她调音器、古筝调音器、小提琴调音器等等。与老式调音工具(音笛、音叉等)相比,具备精确度高、不易受气候条件影响、操作简朴易学等长处,特别有助于各种乐器初学者迅速掌握该乐器定音技术和提高听辨音高能力。随着技术进步,当前有电子调音器又同步具备节拍器功能,并且增设了音频接口,可觉得电声乐器提供内部信号传播,使得电声乐器校音变得更加以便,虽然在很嘈杂外界环境下亦能不受干扰。但调音器仅合用于二胡、吉她、小提琴等弦少乐器,绝大多是乐器并不合用且定价较高3。1.2 乐器校音系统意义普通对于乐器初学者来说校正乐器音准是一件很困难并难以胜
13、任工作,而通过上节阐述不难看出,对于专业校音师,在校音过程中往往是依托定音哨及自己耳朵来判断,这使整个校音过程布满了主观色彩,不易校准;而当前市场上电子校音设备,往往价位较高。那么如何才干让每一人都能轻松而有效实现乐器校音工作呢?于是,开发一种操作简朴,价位适中,误差率小乐器校音软件绝对是乐器初学者福音,这种将电脑音频技术与老式校音技术有机结合在一起办法,也是21世纪电脑音乐时代规定。1.3 本设计重要内容本文以钢琴为例,简要简介了音、律基本特点及原理。用过PC机录入钢琴88个音。在得到琴音信息后,合理运用这些信息,运用MATLAB语言对88个键乐音进行迅速傅里叶变换,再通过谐波峰值法对其进行
14、计算、分析,从而得到钢琴音实际频率。然后通过离散频谱分析对实际音频进行校正,算出相对误差,调律,最后达到乐器校音目。截至当前资料显示,使用机器实现对钢琴音律辅助调律思想是较新鲜,而整个系统设计到实现,也是电子技术与音乐理论合理结合,信号解决、多媒体、模式辨认良好应用。2 乐器校音基本知识当今社会,音乐与人们生活息息有关。音乐与人语言、行为、审美情趣、人际关系、生活情趣等均有一定联系。人们通过音乐来抒发感性、表达感情、寄托感情,无论什么样音乐都蕴涵着关联人们千丝万缕情感因素。在物质条件越来越发达今天,音乐已成为人们精神文明大餐。音乐作为国际语言,其乐音体系拟定有其共同原则。2.1 音音即声音,一
15、切发音物体如声带、琴弦、簧片等通过物理振动、共鸣后来产生成果都称为音,音有四个最重要基本性质,即音高低、长短、强弱及音色。由于发音体形制及振动形态不同,所有音又可划分为三类:纯音、乐音和噪音。 音是由于物体振动而产生。在自然界中能为咱们人听觉所感受音是非常多,但并不是所有音都可以作为音乐材料。在音乐中所使用音,是人们在长期生产斗争和阶级斗争中为了体现自己生活和思想感情而特意挑选出来。这些音被构成为一种固定体系,用来体现音乐思想和塑造音乐形象。音有高低、强弱、长短、音色等四种性质。音高低是由于物体在一定期间内折振动次数(频率)而决定。振动次数多,音则高;振动次数少,音则低。音长短是由于音延续时间
16、不同而决定。音延续时间长,音则长;音延续时间短,音则短。 音强弱是由于振幅(音振动范畴幅度)大小而决定。振幅大,音则强;振幅小,音则弱。音色则由于发音体性质、形状及其泛音多少等不同。以上四种性质,在音乐体现中都是非常重要,但音高低和长短则具备更为重大意义。试以某首歌曲为例,不论你用人声来演唱或用乐器来演奏,用小声唱或是大声唱,虽然音强弱及音色均有了变化,依然很容易辨认出这支旋律。但是,如果将这首歌音高或音值加以变化话,则音乐形象就会及时受到严重破坏。因而,不论创作也好,演奏演唱也好,对音高和音值应加以特别注意。 由于音振动状态规则与不规则,音被分为乐音与噪音两类。音乐中所使用重要是乐音,但噪音
17、也是音乐体现中不可缺少构成某些4。2.2 律“律”即是指定声音高度法则,亦称律制,律是构成律制基本单位。常用律制有十二平均律、纯律和五度相生律,这三种律制实际是规定如何在一种长是8度(2倍频率)尺子上打刻度,以用来度量声音不同解决办法。五度相生率和纯率都是按照实际操作2倍频率、3倍频率和5倍频率来打刻度,打出来是一种不平均刻度,而十二平均律则是用对数计算出来一种人为但均匀刻度。在乐器定律中,重要应用律学中五度相生律、十二平均律。2.2.1 五度相生律五度相生律是依照复合音第二分音和第三分音纯五度关系,即由某一音开始向上推一纯五度,产生次一律,再由次一律向上推一纯五度,产生再次一律,如此继续相生
18、年定出音律叫做五度,产生再次一律,如此继续相生所定出音律叫做五度相生律。 例如五度相生律所订出七个基本音级间音高关系,和十二平均律中七个基本音级音高关系是不同。西方,早在公元前6世纪古希腊哲学家、科学家毕达哥拉斯及其学派就提出了“五度相生律”,因而,五度相生律又被称为“毕达哥拉斯律”。毕达哥拉斯及其学派以为宇宙和谐基本是完美数比例,音乐与宇宙天体存在类似。以为弦长比分别为2:1、3:2、4:3时发出相隔纯八度、纯五度、纯四度音程定为完美协和音程。她们将纯五度作为生律要素,由此产生“五度相生律”。五度相生律以一音为基音,然后将频率比为3:2纯五度音程作为生律要素,分别向基音两侧同步生音。下面以C
19、为例,来阐述五度相生律生律原理。如果C为基音,按照五度相生原理向上可生出G、D、A、E、B,向下可生出F、降B、降E、降A、降D、降G,将连同基音在内十二个音写在一种八度之内。2.2.2 十二平均律十二平均律,亦称“十二等程律”,它是指将八度音程(二倍频程)按频率等比例地提成十二等份,每一等份称为一种半音即小二度。一种大二度则是两等份。将一种八度提成12等份有着惊人某些凑巧。它纯五度音程两个音频率比(即27/12次方)与1.5非常接近,人耳基本上听不出“五度相生律”和“十二平均律”五度音程差别。同步,“十二平均律”纯四度和大三度,两个音频率比分别与4/3和5/4比较接近。也就是说,“十二平均律
20、”几种重要和弦音符,都跟自然泛音序列中几种音符相符合,只有极小差别,这为小号等按键吹奏乐器在乐队中使用提供了必要条件,由于这些乐器是靠自然泛音级来形成音阶。半音是十二平均律组织中最小音高距离。十二平均律在交响乐队和键盘乐器中得到广泛使用,当前钢琴即是依照十二平均律来定音,由于只有“十二平均律”才干以便地进行移调。曲调由音阶构成,音阶由音构成。音有绝对音高和相对音高。 半音是十二平均律组织中最小音高距离。十二平均律在交响乐队和键盘乐器中得到广泛使用,当前钢琴即是依照十二平均律来定音,由于只有 “十二平均律”才干以便地进行移调。曲调由音阶构成,音阶由音构成。音有绝对音高和相对音高。声音是靠振动(声
21、带、琴弦等)发出,而振动频率(每秒振动次数),就决定了音绝对高度。不同音有不同振动频率。人们选用一定频率音来形成音乐体系所需要音高。举钢琴为例。钢琴是十二平均律制乐器。国际原则音规定,钢琴a1(小字一组a音,相应钢琴键是49A)频率是为440Hz;又规定每相邻半音频率比值为122=1.059463,(解释:这表达“2十一半次方”),依照这规定,就可以得出钢琴上每一种琴键音频率。如与a1右边相邻a1频率是4401.059463466.16372Hz;再往上,b1频率是493.088321Hz;c2频率是523.25099。同理,与a1左边相邻g1频率是4401.059463415.030473H
22、z。这种定音方式就是“十二平均律”。钢琴上每相邻两个琴键(黑白都算)频率差别,音乐上即为半音。例如说C和#C相差半音,C和D相差两个半音(或曰一种全音),以此类推。如果B再往上升半音,会发现这个音频率刚好是C一倍,而在音乐上称为一种八度,这两个音听起来“很相象”。用小写c来表达它,依次有#c,d再往上走可以用c1,c2来表达,而往下走可以用大写C1,C2来表达4。2.2.3 五度相生律与十二平均律比较十二平均律:各音阶频率比均匀增长。一种八度频率比是2,全音程共有12个半音,故全音 增量是22/12次方,半音增量是21/12次方,计算如下:已知:A1= 440HzC1=440/power (2
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