基于MATLAB乐器校音系统的设计

******本科毕业设计（论文）乐器校音方法的研究学院（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：2011年6月10日乐器校音方法的研究I摘要乐器校音对一般人而言是一项难以胜任的工作，而现有的校音设备又存在着诸多弊端。开发一种操作简单，价位适中，误差率小的乐器校音软件已成为21世纪电脑音乐时代的要求。本文简要介绍了钢琴调律的基础知识、以及运用MATLAB语言对声音信号进行分析的过程。利用基于傅里叶变换的谐波峰值法检测基频。通过分析，提高基频的检测精度，结合音律确定声音的调整方向。通过MATLAB仿真结果表明，运用此方法可达到的5高频精度较好，而高频精度相对较差。乐器校音系统的设计很好地综合了音乐和技术领域的知识，初步实现了机器检测音律的功能。随着科学技术的不断发展，运用多媒体技术校音的手法必将成为乐器校音的主流。关键字：乐器校音；谐波峰值法；频率校正；音律乐器校音方法的据研究IITheMethodOfTuningMusicalInstrumentTuningAbstractMusicalInstrumentsTuningFormostpeopleitisverydifficult,andexistingequipmentoftuningdevicehasmanymalpractice.Sodevelopasimple,affordable,smallerrorratesoftwareofinstrumenttuningistherequirementsofcomputermusictimesin21stcentury.ThispaperintroducesthebasicsofpianotuningandtheprocessofusingMATLABtoanalysisthesoundsignals.AndusingthemethodofharmonicpeakalgorithmbasedonFFTtodetectionthefundamentalfrequency.Byanalyzing，increasethedetectionaccuracyofbaseband,combinedwithtemperamentdeterminethedirectionofthesoundadjustment.MATLABsimulationresultsshowthatthismethodcanmaketheaccuracybatterforlowfrequencybuthighfrequencyispoor.Instrumenttuningsystemcombinestheknowledgeofmusicandtechnology.Theinitialrealizationofthefunctionofmachinedetectthetemperament.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,Useofmultimediatechnologywillbecomethewaytomusicalinstrumenttuning.Keywords:InstrumentTuning;HarmonicPeakAlgorithm;FrequencyCorrection;Temperament乐器校音方法的据研究III目录摘要..................................................................IAbstract.................................................................II1绪论....................................................................11.1课题背景............................................................11.1.1为什么乐器需要校音............................................11.1.2近现代的主要调音方法..........................................21.2乐器校音系统的意义..................................................21.3本设计的主要内容....................................................32乐器校音的基础知识......................................................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的比较..................................62.3音高频率............................................................73基频检测................................................................93.1系统框图............................................................93.2检测方法............................................................93.2.1时域的算法....................................................93.2.2频域的算法...................................................103.3时域分析...........................................................113.4频域分析...........................................................134离散频谱分析的校正.....................................................164.1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..................................................错误!未定义书签。参考文献.................................................................21致谢.................................................................22乐器校音方法的研究11绪论1.1课题背景人类制造的任何发声物都可称为乐器，所有乐器都有“特定音色，或发出一种声音，或某一确定音高的若干声音，或至少是提供材料在一定时间内连续发出噪声”（舍夫纳,A.Schaeffner,1946）。现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。本文主要针对弦鸣乐器即弦乐器的校音加以说明[1]。1.1.1为什么乐器需要校音弦乐器是乐器家族内的一个重要分支，其发音方式是依靠机械力量使张紧的弦线振动发音，故弦线的张力很容易影响弦乐器的音准。长期的磨损、空气中不同的温度、湿度都会影到弦线的张力。以钢琴为例，钢琴的音准变化是由其构造和材料的固有属性决定的，是不可避免的，钢琴共有200多根弦，靠弦轴、弦轴板和铁骨张紧，弦的总拉力近20吨。弦列通过琴码压在穹形的音板上，10余吨的张力作用在琴上必然引起相应的变形，其中音板的变形对音高影响最大，钢琴出厂以前，一般经过4—8次的拨音和调音以抵消这种变形。新生产的钢琴其所使用的各种材料内应力相对会大一些,(这里主要是指琴体、琴弦、钢板，这些主要部件在生产的过程中已经进行了人工时效与自然时效处理)，随着时间的持久，钢琴各零部件的内应力会慢慢的释放出来从而使钢琴的稳定性愈来愈趋于稳定，这就是为什么年代久一些的琴总比新琴要稳定的原因。钢琴在演奏的过程中，击弦机要反复敲击琴弦，琴弦受到了外力的冲击再加上材料本身的内应力，自然就会加大了音准发生变化的趋势，钢琴在使用一段时间后，钢琴的击弦机构经过成千上万次的动作，部分易磨损的部件都不同程度磨损，导致击弦机构的行程比例、配合失调，引起触感不良，温湿度的变化也会导致钢琴的一些部件运行不良，所以钢琴在定期调律的同时也要进行调整。由于木材本身的粘弹性(像和好的面团一样，既有弹性，又有随时间延续发生变形的性质)，音板的变形是随时间延续而缓慢发生的。尽管木材粘弹性造成的这种变形报其缓慢，它对音高的影响还是明显的，所以钢琴从制成到报废都得为抵消这种变形而调律。另外弦线具有金属的延展性，在长期持续的巨大张力下会发生延长和变形导致音高降低，这也是弦乐音准变化的一个原因。所以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，以延长弦线的使用寿命。有时在演奏一场交响乐时，为配合整场的乐器或某首曲子的曲调演奏者们也会对其乐器加以调整，来使演奏达到最佳的效果[2]。乐器校音方法的据研究21.1.2近现代的主要调音方法传统调音手段是通过专业的调音师对乐器进行调音。调音师是专门从事调律这项工作的人员。调音师通过自己的耳朵和所掌握的调律知识把乐器律制调准，同时还包括对一些乐器的机械整调，零件修理和更换。但在乐器的生产中技术人员只要知乐器是否合格，零件的配合是否适当就足够了，而在技术文献中涉及调律的内容又少之又少。所以调音工作就成为一项极其专业的工作，一般人很难掌握。尤其我国因为调音行业发展的比较缓慢，所以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。由于调音师是根据自身所学来进行调音，所以其调音效果就必定与标准存在一定的误差，又因为其调音具有一定的主观意识，造成每个调音师所调出的乐器音律又并非完全一致。由于现代可以的不断发展和调音师调律的诸多弊端，预示着调音师必定将在科技的长河中被淘汰，成为历史。音叉是呈“Y”形的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的纯音。用音叉取“标准音”是钢琴调律过程中十分重要的手段之一。但音叉易受环境条件的影响，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的一种仪器。它采用乐音的振动频率识别程序来显示乐器音高的电子产品，现已广泛应用于各种乐器的调音中。根据适用乐器的不同，又分为吉他调