鋼琴識(shí)別軟件的原理

1 引言

鋼琴是最理想的多聲樂(lè)器，它的音域?qū)拸V、巨大的音量變化幅度，使它可以獨(dú)自成為一個(gè)完整的音樂(lè)世界。鋼琴是屬于鍵盤樂(lè)器，原理是用錘敲擊弦發(fā)聲，它的鍵盤頻率比較固定，而像小提琴這種也是比較常見(jiàn)的高音樂(lè)器，原理是使用手指按壓來(lái)定音準(zhǔn)的，小提琴的音準(zhǔn)特征是準(zhǔn)許一定的自由的，每個(gè)演奏者都有其個(gè)人的發(fā)音方法、自己的標(biāo)準(zhǔn)，而這取決于演奏者對(duì)音樂(lè)的個(gè)人理解，但是鋼琴是沒(méi)有什么音準(zhǔn)問(wèn)題的，它是單一種音律，就是十二平均律。因此本文考慮到鋼琴的特性，以及如何從中識(shí)別音符的問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 鋼琴樂(lè)理

2.1 十二平均律

所謂十二平均律就是指假設(shè)我們把一個(gè)八度的音程按倍頻平均成十二等分，那么每?jī)蓚€(gè)批次相鄰的音之間的頻率比就是21/12。按照此定律,鋼琴的音符對(duì)應(yīng)的基頻范圍為: 27.50Hz到4186.00Hz的，其基音頻率數(shù)值決定了音符的音高。用半音比例公式推導(dǎo)出全部音符的基頻頻率,從基頻中可以看出，在低音部分的兩個(gè)琴鍵之間的頻率差值只有2、3Hz。在中間的頻率差值在40Hz附近，到高音部分的頻率差值在150Hz附近。

2.2 音高和音符

音高和音符是樂(lè)理的基本概念，主要是研究其中的物理特性。

音高是指各種不同高低的聲音，就是聲音的高度，是一種發(fā)音的基本特征。聲音的高低取決于振動(dòng)的頻率，頻率振動(dòng)的次數(shù)多聲音就高，頻率振動(dòng)的次數(shù)少聲音就低。而音符是一種記錄符號(hào)的工具，記錄不同長(zhǎng)、短的聲音。是樂(lè)音的一種基本的要素，其中存在基本音符，是指一個(gè)四分音符的長(zhǎng)度。

3 有關(guān)端點(diǎn)檢測(cè)方法

3.1 樂(lè)音端點(diǎn)檢測(cè)

一段音樂(lè)的前后音符高低有變化，前后的頻率變化很大，樂(lè)音端點(diǎn)檢測(cè)就是從一段音樂(lè)中找出按鍵的起點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，排除無(wú)效的噪音段，然后對(duì)有效的信號(hào)段進(jìn)行檢測(cè)。鋼琴信號(hào)同語(yǔ)言信號(hào)是一個(gè)原理，短時(shí)間內(nèi)相對(duì)平穩(wěn)，所以對(duì)信號(hào)的處理上是建立在短時(shí)內(nèi)。過(guò)零率特征門限值和短時(shí)能量的端點(diǎn)檢測(cè)方法流程如下:第一,短時(shí)能量,短時(shí)過(guò)零率參數(shù)設(shè)置;第二步,確定樂(lè)音狀態(tài);第三步,從第一幀到最后一幀循環(huán)檢測(cè),初始狀態(tài)為0,樂(lè)音長(zhǎng)度為0。

短時(shí)平均過(guò)零率在語(yǔ)音信號(hào)在分析中一般多應(yīng)用于是清/濁音判斷。發(fā)清音時(shí)，聲帶不振動(dòng)，聲道的某部分阻塞氣流產(chǎn)生類白噪聲，其能量集中于較高的頻率范圍。相反，發(fā)濁音時(shí)，聲帶振動(dòng)，這個(gè)振動(dòng)頻率的聲壓波在聲道中共振，盡管有若干個(gè)共振峰，但其能量集中于低于3kHz的頻率范圍內(nèi)；因此用過(guò)零率可以定量的分析清/濁音。

3.2 基于高頻分量進(jìn)行的端點(diǎn)檢測(cè)

上面的方法在信號(hào)能量較大的時(shí)候比較精準(zhǔn)，但是在信號(hào)能量極小的靜音段或者聲音小的時(shí)候，還需要結(jié)合頻域分析來(lái)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)。通過(guò)對(duì)鋼琴的頻譜圖進(jìn)行分析得出結(jié)論是：利用這些高頻分量來(lái)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)，由于它的幅度分量較小，消失的較快。這些特征，非常適合于鋼琴演奏的端點(diǎn)檢測(cè)。

4 鋼琴識(shí)別軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)使用的是C#開(kāi)發(fā)整個(gè)系統(tǒng)，采用WAV聲音文件作為系統(tǒng)的輸入，可以使用MIDI直接播放分析結(jié)果。并可查看每個(gè)音符片段的音高分析步驟的結(jié)果，便于對(duì)文中端點(diǎn)檢測(cè)和基音識(shí)別的方法進(jìn)行分析。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文的目的是希望能通過(guò)一個(gè)軟件，方便音樂(lè)愛(ài)好者們對(duì)鋼琴曲進(jìn)行打譜。因此圍繞如何從一段鋼琴音樂(lè)中分析其演奏的音符這一問(wèn)題開(kāi)展了研究工作。受作者知識(shí)的局限性,研究能力等因素的原因,研究工作存在不足,還需要解決的有以下幾個(gè)方面:

1、本文所測(cè)試的只針對(duì)部分音符進(jìn)行研究，并沒(méi)有對(duì)全部音符進(jìn)行檢測(cè)，所以結(jié)論有些偏差。

2、計(jì)算機(jī)輔助的部分較少，下一步工作中會(huì)加入計(jì)算機(jī)軟件的功能去實(shí)現(xiàn)全硬件檢測(cè)。

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2、潘陽(yáng).鋼琴校音計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì).2011.4

3、馬英,石小榮,李海新等.基于CEP和LPC譜提取語(yǔ)音信號(hào)基音周期的方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32(20): 150-15l,154.

4、張曉東、吳捷.文本文件的語(yǔ)音識(shí)別中漢語(yǔ)音節(jié)的特征分析.《巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)》，2004-05-25

5、單偉.《無(wú)線互聯(lián)科技》，2012-11-15