專利名稱：一種高精度鋼琴校音器及其校音方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼琴校音器，更具體地說，涉及一種高精度的鋼琴校音器及其校 音方法。
背景技術(shù)：
鋼琴的音高校準(zhǔn)，關(guān)鍵是檢測聲音信號的基頻。鋼琴是一種大型的擊弦樂器，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，僅打擊系統(tǒng)就有一百多個零部件，由于影響因素很多，因而聲音特征也多種多樣。在 低音區(qū)諧波結(jié)構(gòu)中，基頻幅度遠(yuǎn)小于其他諧波幅值，甚至在最低的幾個音的諧波結(jié)構(gòu)中基 頻幅值為零，完全不存在，基頻丟失。在高音區(qū)頻譜結(jié)構(gòu)中只存在基頻成分，其他諧波幅度 很低甚至為零，諧波丟失。各次諧波的頻率并非基頻的整數(shù)倍，在頻譜結(jié)構(gòu)中，隨著諧波次 數(shù)的升高，諧波的頻率間隔逐漸加大，存在諧波的不諧和性。另外，聲音在不斷衰減，并且各 次諧波衰減的速度又不盡相同。諧波結(jié)構(gòu)存在的上述特殊性嚴(yán)重影響目前各種常用鋼琴校音方法的測量精度，基 頻丟失現(xiàn)象將導(dǎo)致檢測聲音最大值的方法把某高次諧波當(dāng)成基頻而出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，例如將 a音當(dāng)成al音或e2音，不諧和現(xiàn)象將導(dǎo)致檢測頻譜間隔的算法產(chǎn)生較大誤差，有時甚至完 全錯誤，各次諧波衰減速度的不同將導(dǎo)致檢測聲音過零率的方法不穩(wěn)定，不斷抖動。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的電子校音器的不穩(wěn)定性，提高校音精度，本發(fā)明提供一種利用加 權(quán)最小二乘法檢測鋼琴聲音的方法，該方法充分考慮到鋼琴聲音存在的基頻丟失，諧波丟 失，諧波不諧和性以及衰減速度不一致的特點，顯示穩(wěn)定，分析精度高。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一個鋼琴校音器，包括聲音信號檢 測，信號的處理和變換，信號的分析和數(shù)據(jù)的顯示單元。其內(nèi)部電路連接關(guān)系是信號檢測 單元輸出端接信號處理單元的輸入端，信號處理單元的輸出端以及鍵盤的輸出端接信號分 析單元輸入端，信號分析單元的輸出端接數(shù)據(jù)顯示單元。本發(fā)明的有益效果是，充分考慮鋼琴聲音特點，采用加權(quán)最小二乘法計算聲音的 基頻，分析精度高，特別適合要求精確校音的場合，頻譜范圍寬，完全覆蓋鋼琴88個音，顯 示穩(wěn)定，校音可靠高效。


下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的原理框圖。圖2是本發(fā)明的諧波提取示意圖。圖3是本發(fā)明的電路原理圖。
具體實施例方式在圖1中，聲音信號檢測單元1包括麥克風(fēng)及其偏置電路，信號的處理和變換單元 2包括放大電路21、濾波電路22和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路23，放大電路21具有自動增益控制功能， 自動調(diào)整放大倍數(shù)，避免信號失真，濾波電路22選用帶通濾波器，下限截止頻率選在IOOHz 左右，避開交流電干擾，上限截止頻率選在5000Hz左右，覆蓋鋼琴所有88個半音的基頻，模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路23選用采樣頻率為11025Hz，模擬信號轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號，信號分析單元 3包括傅立葉變換模塊31、諧波提取模塊32、加權(quán)最小二乘法模塊33。傅立葉變換模塊31 對數(shù)字聲音信號進(jìn)行傅立葉變化，數(shù)據(jù)幀長度為1024，諧波提取模塊32提取各次諧波的頻 率和幅值，加權(quán)最小二乘法模塊33應(yīng)用加權(quán)最小二乘法分析各次諧波的頻率和幅值數(shù)據(jù)， 獲得最小誤差的基頻和不諧和系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)值比較后，計算出音分偏差，數(shù)據(jù)顯示單元4顯 示聲音的基頻和音分偏差，鍵盤輸入單元5接收用戶校音設(shè)置。圖2中說明了本發(fā)明所采用的諧波提取方法。聲音信號經(jīng)過傅立葉變換，比較所 有譜線，確定最大幅值的譜線，以該最大幅值譜線乘以0.1作為譜線篩選的閾值，某條譜線 的幅值小于該閾值，就忽略該譜線，某條譜線的幅值大于該閾值，就保留該譜線，圖2中，譜 線4、5、6被忽略掉，譜線1、2、3、7、8、9被保留下來，用來進(jìn)一步提取諧波。當(dāng)知> ^v1且知 > an+1時，％就是一個局部峰值，該局部峰值對應(yīng)的頻率除以當(dāng)前調(diào)校音的標(biāo)準(zhǔn)頻率，取比 值最接近的整數(shù)k，則當(dāng)前諧波記作第k次諧波，其頻率為fk，幅值為％，圖2中，當(dāng)調(diào)校a音 時，譜線2對應(yīng)于第1次諧波，其頻率為218Hz，幅值為514，譜線8對應(yīng)于第2次諧波，其頻 率為437Hz，幅值為339。由于鋼琴聲音存在諧波不諧和性現(xiàn)象，各次諧波的頻率并非基頻的整數(shù)倍，諧波 頻率可以近似表示為fk=kfJ\ + (k2-l)B(1)其中&是基頻，k是諧波次數(shù)，B是不諧和系數(shù)。利用一組提取的諧波的次數(shù)、諧 波的頻率便可以計算出基頻和不諧和系數(shù)。為了減小計算的誤差，采用最小二乘法。由于 采集到的聲音中包含環(huán)境噪聲以及諧波旁瓣的干擾，為了進(jìn)一步減小計算的誤差，運用加 權(quán)最小二乘法來計算基頻和不諧和系數(shù)，以諧波幅值的平方乘以諧波頻率的平方作為加權(quán) 系數(shù)。基頻和不諧和系數(shù)與諧波的次數(shù)、頻率以及幅值的關(guān)系可以表示為A · X = C(2)‘ΣΛ2炒 Σ+/Μ 爐-1)、其中，扣 眾,Λη/·ΛV kk 上y\ ° J‘ Yj^b2kXn Jk-Yj^b2kXnk 、C=-Dln^，式⑵的解就是聲音的基頻和不諧和系數(shù)V kk7X = A-1 · C (3)計算得到Inftl和B，進(jìn)而計算出基頻&和音分偏差。
權(quán)利要求
1.一種高精度鋼琴校音器，包括聲音信號的檢測1、信號的處理2、信號的分析3、數(shù)據(jù) 的顯示4和鍵盤輸入單元5，信號檢測單元1接收鋼琴聲音，信號處理單元2對聲音信號進(jìn) 行放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號分析單元3將聲音信號經(jīng)傅立葉變化到頻域，提取諧波后， 應(yīng)用加權(quán)最小二乘法計算聲音的基頻和音分偏差，數(shù)據(jù)顯示單元4顯示基頻和音分偏差， 鍵盤輸入單元5用來設(shè)置校音狀態(tài)，其內(nèi)部電路連接關(guān)系是信號檢測單元1的輸出端接信 號處理單元2的輸入端，信號處理單元2的輸出端以及鍵盤輸入5的輸出端接信號分析單 元3的輸入端，信號分析單元3的輸出端接數(shù)據(jù)顯示單元4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度鋼琴校音器，其特征是加權(quán)最小二乘法應(yīng)用提取到 的諧波的次數(shù)、諧波的頻率和諧波的幅值數(shù)據(jù)，計算鋼琴聲音的基頻和不諧和系數(shù)，進(jìn)而計 算聲音的音分偏差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度鋼琴校音器，其特征是加權(quán)最小二乘法采用提取的 諧波的幅值的平方乘以諧波頻率的平方作為加權(quán)系數(shù)，減小計算的均方誤差。
全文摘要
一種高精度鋼琴校音器，包括聲音信號的檢測、信號的處理、信號的分析、數(shù)據(jù)的顯示和鍵盤輸入單元，信號檢測單元接收鋼琴聲音，信號處理單元對聲音信號進(jìn)行放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號分析單元將聲音信號經(jīng)傅立葉變化到頻域，提取鋼琴聲音諧波的諧波次數(shù)、諧波頻率和諧波幅值，應(yīng)用加權(quán)最小二乘法計算聲音的基頻和音分偏差，數(shù)據(jù)顯示單元顯示基頻和音分偏差，鍵盤輸入單元用來設(shè)置校音狀態(tài)。本發(fā)明充分考慮鋼琴聲音特點，采用加權(quán)最小二乘法計算聲音的基頻，分析精度高，特別適合要求精確校音的場合，校音范圍寬，完全覆蓋鋼琴88個音，顯示穩(wěn)定不抖動，校音可靠高效。
文檔編號G10C9/00GK102054470SQ20091022135
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者石立新 申請人:大連民族學(xué)院