对所测乐音的频谱曲线的显示方法和设备及将其计算机程序录入计算机可读存储介质的方法

专利名称：对所测乐音的频谱曲线的显示方法和设备及将其计算机程序录入计算机可读存储介质的方法
技术领域：
本发明涉及乐器视觉调律所用到的对所测乐音的频谱曲线的显示方法。本发明还涉及 相应的显示设备和将其中的计算机程序录入存储介质的方法。
背景技术：
调律
由于钢琴弦的总张力很大，而且受力面积大，受力方向复杂，故容易受到各种因素的 影响。例如，气候变化对支撑弦张力构件的影响；钢琴搬动产生的振动对弦张力的影响； 材料在弦张力的高压下所产生的"应变"等等。原本正确的弦张力， 一定时间后就会产生 变化，从而影响音高，钢琴原有的音律、音程关系受到破坏。因此，钢琴需要经常进行调 律。同样地，钢琴在出厂前就需要进行多次调律。
许多乐器，例如提琴、二胡、吉它、古筝，跟钢琴一样，也经常需要进行调律。
乐音
声音按频率成分划分为纯音和复合音两种。纯音是指由一种频率构成的声音。物体做 简谐振动，产生正弦波，即发出纯音。纯音在自然界中比较少见。常见的发出纯音的物体 不多，有长笛(高音区)、音叉等。
复合音是指由两种以上振动频率构成的声音，其中由成整数倍比的多个频率构成的声 音在音乐界被称为乐音，例如，敲响钢琴的A2键，它发出的声音由110Hz、 220Hz、 330Hz、 440Hz、 550Hz、 660Hz、……的频率成分构成倍音列，其中110Hz频率成分被称为A2键的 基音，220Hz、 330Hz、 440Hz、……频率成分被依次称为二倍音、三倍音、四倍音、……。 同时，110Hz、 220Hz、 330Hz、 440Hz、……这些频率成分又可以依次被称为第一谐音、第 二谐音、第三谐音、第四谐音、……各频率成分名称的对应关系如下所列-
第一谐音基音；
二倍音；
110Hz 220Hz 330Hz 440Hz
第二谐音 第三谐音三倍音 第四谐音四倍音
又例如，比A2键高八度的A3键，其基音频率则为220Hz，倍音列为220Hz、 440Hz、 660Hz、......。
由一条理想的琴弦发出的乐音，其各个倍音的频率如上所述成精确的整数倍比关系。 但现实中的琴弦在振动时由于受到刚性或力劲的影响导致发音具有不协和性，其倍音列与理想琴弦的倍音列相比稍有偏移，例如， 一条现实中的A2键琴弦，其倍音列可能是109Hz、 220Hz、 331Hz、 442Hz、 553Hz、 665Hz、……。用于同一音符的两条实际琴弦，其偏移特性 比较接近，但偏移量并不完全相同。
对一条确定的琴弦，其发出的乐音含有的各个频率成分的音强(体现为振幅或能量的 大小)各不相同。总体而言，在钢琴中音和高音区，基音的音强往往是最大的；而在钢琴低 音区(例如A2)，音强最大的倍音往往是二倍音、三倍音或者其它倍音。
拍音
当两个频率相近的纯音(即单一频率音)叠加在一起时会发生干涉，如图1，在叠加后 的波形周期中，某些时刻两个波的波峰会重合，叠加波形在该时刻的总音强最大；另一些 时刻一个波的波峰和另一个波的波谷重合，叠加波形在该时刻的振幅最小，它们的波形叠 加之后总音强形成大小循环的包络，构成一种听起来声量周期性大小交替的不协和的"嗡 一嗡一"声，称为拍音。拍音的频率等于参与叠加的两个频率之差。
钢琴调律的任务就是尽量消除各种原因产生的拍音，包括进行同度调整和八度调整，
让声音听起来纯正。
(1) 同度调整
多数钢琴键由同一音符的三条或两条琴弦共同发声。同度调整的任务是把它们音强最 大的谐音频率调至相互一致，使得琴弦之间基本上听不出拍音。例如， 一个待调的A2键的 两条琴弦的倍音列中，第二谐音的音强最大，那么对其调整完毕后，两条琴弦的倍音列将
可能是
琴弦一108Hz、 220Hz、 331Hz、 441Hz、 553Hz、 664Hz、......
琴弦二 109Hz、 220Hz、 330Hz、 442Hz、 553Hz、 666Hz、......
两条琴弦只有第二谐音的频率一致，其它谐音频率略有偏差。世界上不存在完全相同 的两条(或更多条)琴弦，两条琴弦之间的频率偏差是无法彻底消除的。但因为存有频率偏 差的谐音的音强均低于音强最大的谐音(本例中为第二谐音)，而音强最大的谐音已经被调 成频率一致，音强较低的谐音所产生的拍音就会被掩盖，人耳基本上听不出这种音强较弱 的拍音。
(2) 八度调整
八度调整的操作顺序是，先调好中音区基准音组的音键，然后根据基准音组的倍音列 调整与之相差八度高音区和低音区的音键，再据此调节更高音区和更低音区的音符。如上 例，低音区的A2键同度调整完毕后，其倍音列为109Hz、 220Hz、 331Hz、 442Hz、 553Hz、 665Hz、……。然后调节更低音区的Al键比A2低八度的A1键的倍音列中，音强最大的 谐音可能是第六倍音，若然则其八度调整任务是，将A1键琴弦的第六谐音频率调至331Hz， 以对准A2键中的相应频率成分。与同度调整类似地，八度调整也存在着无法彻底消除的部 分谐音频率偏差。音准仪
要人耳听辩出乐音的高低，甚至听出音程关系，必须经过认识乐音的训练(视唱练耳) 而且应在童年开始，如果成人以后训练就多数不能形成固定音高。声音是用耳朵听的，无 法直接凭肉眼感知。调律时，调律师使用音准仪辅助判别琴弦振动发出的乐音的频率。音 准仪把所测得的乐音的频率以人眼可视的形式显示出来，调律师就能够利用视觉感知乐音 的频率进行调律，即进行视觉调律。
目前使用最方便的音准仪装有调律软件，能够构建频谱坐标系并在频谱坐标系中显示 所测乐音的频谱曲线，供使用者进行视觉调律。以对A2键进行同度调整为例，操作步骤如 下
A. 使用者首先输入选择A2键，音准仪据此以其基音频率110Hz作为工作频率，
B. 音准仪构建一个如图2的频谱坐标系，频谱坐标系取其对应的谐音频率值作为原 点的频率轴坐标(图2中为横坐标)，频率轴上的刻度标示的是与基音频率110Hz的音分偏 差值，
C. 设置该频谱坐标系在屏幕上的显示状态，要求工作频率的观察区间不超出屏幕显 示范围，具体地，对横坐标的设置应当避免所测乐音中的工作频率处的频率成分超出屏幕 左右两侧的显示范围(横坐标0刻度优选地位于屏幕中央)；纵坐标的设置也应当避免频谱 曲线中的工作频率处的频率成分音强超出屏幕上下两边的显示范围；
D. 显示所测乐音在该频谱坐标系中的频谱曲线，如图2所示，其中，所测乐音被取 样的时间越长，计算精度就越高，所显示频谱曲线的峰形也就越尖锐。
如果同时弹响两条以上的琴弦，由于两条琴弦中的部分频率成分互相存在频率偏差， 该观察区间的频谱曲线就会呈现诸如双峰等多峰形态，如图3所示。有的钢琴，其中的某 些琴弦与其琴板之间的振动频率存在偏差。有的钢琴，由于弦列或者音板制作上的毛病影
响到弦，即使在一根发音弦上也产生了拍，这个拍的产生是由于弦的各部分出现了不均等 的紧张度，所对应的谐音打乱了它的和谐性——称为"假拍"现象。上述情况下，其频谱 曲线也会呈现多峰形态。有时候，在接收乐音的同时，恰好周围环境中有噪声发出，如果 该噪声具有与该乐音的谐音频率相近的分量，则会干扰本次测试，所显示的频谱曲线就会
呈现异常的形状，使用者应当丢弃本次测试结果；如果该噪声不具有与该乐音的谐音相近 频率的分量，则不会干扰本次测试，所显示的频谱曲线就不会呈现异常的形状，使用者仍 可以釆纳本次测试结果。
图2中，屏幕只显示110Hz的观察区间，不显示其它谐音频率的观察区间，以保证使 用者所观察到的110Hz处频率偏差的精确程度，其缺点是，使用者要观察其它各个谐音的 频率偏差，就不得不分别重新选择工作频率，操作麻烦，也导致使用者不能尽快地比较出 各个谐音之间的音强从而确定音强最大的频率成分。虽然理论上可以根据使用者的输入确 定各谐音频率作为工作频率，然后压縮横坐标，使得位于同一频谱坐标系中的各个频率的 观察区间均不超出屏幕显示范围，供使用者同时观察多个谐音的频谱曲线，但这样一来受 屏幕长度所限，横坐标刻度的精确程度就被大大降低，甚至导致使用者无法看清楚各个倍音频率成分尤其是低倍音的频率偏差极性；二来各频率成分的频谱曲线相隔一定的距离， 比较它们的音强时仍略显得不够直接，因此这种方案仅停留在私下设想阶段，并未公开付 诸实践。为了让使用者能够同时观察各个倍音频率成分的频率偏差和比较它们的音强，另 一类调律软件采用数字标示结合柱状图的显示方式给出谐音频率偏移报告，如图4所示，
"Fund:" —栏显示基音频率的音强为0; "2:" —栏显示二倍音频率偏差为0.45，音强为 100;……(理论上，谐音频率成分的数量可以往高频区无限扩展，但因为一来人耳无法听 到频率太高的频率成分，二来倍音列在高频区的频率成分的音强往往已经非常微弱，所以 在实际应用中只需适当选取靠近中音区的有限数量的谐音频率)。但该报告一来不如频谱曲 线直观，二来不能准确反映频谱曲线的多峰形态，三来使用者无法通过频谱曲线是否产生 异变来判断本次测试是否受到环境噪声的干扰。

发明内容
本发明的目的是让使用者在进行乐器视觉调律时能够在屏幕上同时、直观、精确地观 察乐音的各个谐音(即基音+各个倍音)的频谱曲线并比较它们的频率偏差和音强。
本发明受以下思路的启发在几何上把频谱坐标系按照各个谐音频率的观察区间拆分 成各个子频谱坐标系，然后沿频率轴平移这些子频谱坐标系，使各子频谱坐标系中的对应 谐音频率值互相重合，那么各个谐音的频谱曲线就会被以区间重叠的方式同时显示，使用 者就可以直观地观察各个谐音的频率偏移并比较它们的音强。
为解决上述问题，给出对所测乐音的频谱曲线的显示方法，包括
A. 根据使用者的输入确定工作频率，
B. 根据该工作频率构建频谱坐标系，
c.设置上述频谱坐标系在屏幕上的显示状态至——频谱坐标系中，工作频率的观察
区间不超出屏幕显示范围，
D.显示所测乐音在上述频谱坐标系中的频谱曲线， 其特征是，A. 中，以待测乐音的各谐音频率作为工作频率，
B. 中，构建与各谐音频率一一对应的频谱坐标系作为所述的频谱坐标系，其中每个频 谱坐标系取其对应的谐音频率值作为原点的频率轴坐标，
C. 中，还调节所述的显示状态至——各频谱坐标系方向相同，原点互相重合，且音
强轴坐标互相重合。
D. 中，对所测乐音的各谐音的频谱曲线，分别在其对应的频谱坐标系中同时显示。 为解决上述问题，给出用于显示所测乐音的频谱曲线的显示设备，包括
A. 工作频率确定装置，用于根据使用者的输入确定工作频率，
B. 频谱坐标系构建装置，用于根据该工作频率构建频谱坐标系，
C. 显示状态设置装置，用于设置上述频谱坐标系在屏幕上的显示状态至——频谱坐标 系中，工作频率的观察区间不超出屏幕显示范围，D.频谱曲线显示装置，用于显示所测乐音在上述频谱坐标系中的频谱曲线， 其特征是，
A. 中，工作频率确定装置是以待测乐音的各谐音频率作为工作频率的装置，
B. 中，频谱坐标系构建装置是构建与各谐音频率一一对应的频谱坐标系作为所述的频
谱坐标系的装置，其中每个频谱坐标系取其对应的谐音频率值作为原点的频率轴坐标，
c.中，显示状态设置装置还包括调节装置，用于调节所述的显示状态至——各频谱坐
标系方向相同，原点互相重合，且音强轴坐标互相重合，
D.中，频谱曲线显示装置是对所测乐音的各谐音的频谱曲线，分别在其对应的频谱坐 标系中同时显示的装置。
该方法和设备在B.中为各谐音频率一一对应地构建了多个频谱坐标系，分别用于显示 频谱曲线在各谐音频率的观察区间，使得在c.中可以分别调节各谐音频率的观察区间使它 们既不超出屏幕显示范围，又能够保证使用者所观察到的该观察区间频率偏差的精确程度； 该方法和设备在C.中，把显示状态调节至各频谱坐标系方向相同，原点互相重合，且音强 轴坐标互相重合，又同时在D.中分别在各个频谱坐标系中分别显示其对应的谐音的频谱曲 线，使用者就可以方便地在重叠的坐标系中同时、直观地观察各谐音的频率偏移，比较它 们的音强，迅速确定所测乐音中音强最大的谐音。
上述方法和设备存在下述可以改进之处
(1) 多条频谱曲线同时显示在屏幕上，使用者需要判别各条频谱曲线分别代表的谐音 如果所测乐音在中音区或高音区，具有调律专业知识的使用者可以判定其中音强越大的频 谱曲线代表频率越低(或倍数越低)的倍音；但如果所测乐音在低音区，由于其音强最大的 谐音往往是二倍音、三倍音等倍音(即非基音)，使用者就难以判别出各条频谱曲线分别代 表的谐音。
(2) 各频率成分的偏差量不尽相同， 一般而言，偏差量的数量级与其频率的数量级大 致成正比关系，另外根据音乐上音律的定义观察区间的选定在其频谱坐标系中的频率轴长 度也应当与其谐音频率大致成正比关系。如果各频谱坐标系在频率轴方向上的显示比例互 无关联，则容易导致其中一些频谱坐标系的显示精度就达不到或只能勉强达到使用者的要 求。
作为对上述方法的第一个改进，其D.中，采用让使用者能够判别不同谐音的频谱曲线 的方式予以显示。
作为对上述设备的第一个改进，其D.中，频谱曲线显示装置是
采用让使用者能够判别不同谐音的频谱曲线的方式予以显示
的装置。
对上述方法和设备的第一个改进对不同谐音的频谱曲线采用不同的方式予以显示，能 够让使用者判别屏幕上显示的各条频率曲线所分别代表的谐音，从而确定音强最大的谐音。对上述方法和设备的第二个改进受以下思路的启发在几何上把频谱坐标系按照各个 谐音频率的观察区间一一拆分成多个子频谱坐标系，然后既沿频率轴平移这些子频谱坐标 系，使各子频谱坐标系中的对应谐音频率值互相重合，又分别对各子频谱坐标系的频率轴 进行尺度压縮，压縮比例正比于其对应的谐音频率的理想值，那么各谐音频率的观察区间 在频率轴方向上的长度就大致相等(或者完全相等——如果选取的观察区间在其频谱坐标 系中的频率轴长度与其谐音频率的理想值严格成正比关系的话)了。
作为上述方法的第二个改进，其C.中，还调节所述的显示状态至——各频谱坐标系在 频率轴方向上的显示比例之比等于其对应的谐音频率的理想值之比。
作为对上述设备的第二个改进，其C.中，调节装置也是
用于调节所述的显示状态至一一各频谱坐标系在频率轴方向上的显示比例之比等于 其对应的谐音频率的理想值之比 的装置。
对上述方法和设备的第二个改进按照各频谱坐标系对应的谐音频率的理想值之比设 置各频谱坐标系在频率轴方向上的显示比例，使得各谐音频率的观察区间在频率轴方向上 的屏幕显示长度大致相等(或者完全相等——如果选取的观察区间在其频谱坐标系中的频 率轴长度与其倍音频率的理想值严格成正比关系的话)，因此在屏幕上显示低倍谐音频率的 观察区间时，也能够充分利用屏幕显示资源，达到较高的显示精度。
对上述方法的第一和第二个改进可以一并采用作为该方法的第三个改进。对上述设备 的第一和第二个改进可以一并采用作为该设备的第三个改进。
给出把执行上述方法或者其任一个改进的计算机程序录入计算机可读存储介质的方法。
该方法把执行本发明方法的计算机程序录入了计算机可读存储介质，供音准仪或计算 机从该存储介质中调取该计算机程序，该音准仪或计算机就具有了执行该计算机程序从而 实施上述对所测乐音的频谱曲线的显示方法的功能。该计算机在调取了该计算机程序之后， 就成为了一台能够执行上述方法的音准仪，从而让使用者在调整乐音时能够在屏幕上同时、 直观、精确地观察乐音的各个谐音(即基音+各个倍音)的频谱曲线并比较它们的频率偏差和 音强。所述的计算机程序包括安装程序、已安装程序和免安装程序(俗称绿色软件)。


图l是拍音原理示意图。
图2是现有音准仪的频谱曲线显示示意图。
图3是双峰形态频谱曲线的示意图。
图4是现有音准仪给出的倍音频率偏移报告的截图。图5是具体实施方式
中的频谱曲线显示示意图。
具体实施例方式
视觉调律用音准仪作为用于显示所测乐音的频谱曲线的显示设备，其使用和工作过程
如下
A. 使用者输入A2键或输入110Hz，音准仪根据使用者的输入确定待测乐音的谐音频 率，确定谐音频率的方式包括进行倍数运算、从索引调取相关存储信息等。所需显示的谐 音频率按照现有技术在靠近中音区选取即可(理论上，谐音频率成分的数量可以往高频区无
限扩展，但因为一来人耳无法听到频率太高的频率成分，二来倍音列在高频区的频率成分 的音强往往已经非常微弱，所以在实际应用中只需适当选取靠近中音区的有限数量的倍音 频率)，例如，选取理想倍音列110Hz、 220Hz、 330Hz、 440Hz、 550Hz、 660Hz、 770Hz(也 可以选取例如109Hz、 220Hz、 331Hz、 442Hz、 553Hz、 665Hz的非理想倍音列)作为本次显 示的谐音频率。
B. 构建与各谐音频率一一对应的频谱坐标系作为所述的频谱坐标系，每个频谱坐标 系均取其对应的谐音频率的音强0值作为纵轴原点。
C. 设置上述频谱坐标系在屏幕上的显示状态至——频率轴为横轴，音强轴为纵轴； 各频谱坐标系均以屏幕右方作为横轴正方向，以屏幕上方作为纵轴正方向，则各频谱坐标 系的纵轴坐标互相重合，即横坐标为0处在基音所对应的频谱坐标系中表示的频率值为 110Hz，而在二倍音所对应的频谱坐标系中表示的频率值为220Hz，……。图5中标示的横 坐标刻度标示的是与基音频率理想值110Hz的偏差值，其观察区间不超出屏幕显示范围。 优选地，各频谱坐标系在横坐标方向上的显示比例之比等于其对应的谐音频率的理想值之 比，例如，三倍音(理想值为330Hz)的观察区间在频率轴方向上的长度为基音的三倍，如 果用音分刻度标示频率轴，因为音分单位长度与其所属谐音频率成正比，所以各频谱坐标 系就可以共用音分刻度，如图5，各频谱坐标系的观察区间以音分作为单位标示为-50 +50(音分)。
D. 使用者弹奏待测乐音，音准仪对所测乐音的各个谐音的频谱曲线，同时分别在其 对应的频谱坐标系中显示，如图5。优选采用让使用者能够判别分别位于各个观察区间的 频谱曲线的方式予以显示，例如图5中，对第一、二、三、四、五、六、七谐音的频谱曲 线分别用红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的线条表示(注限于专利文件规定的格式， 图5未能显示其原有色彩，其中色彩分别代表的含义可以在屏幕左下角给予注明，或者另 编写使用说明书给予说明)，图5所示的例子中，黄线所表示的三倍音音强最大。也可以对 不同频率成分的频谱曲线分别采用实线、虚线、点划线、粗线、闪亮线等不同方式予以显 示。
上述音准仪适用于对各种需要调律的乐器进行视觉调律，尤其适用于钢琴视觉调律。 上述对各个技术特征的改进和替代手段可以根据实际情况单独或结合采用。
权利要求
1.对所测乐音的频谱曲线的显示方法，包括A.根据使用者的输入确定工作频率，B.根据该工作频率构建频谱坐标系，C.设置上述频谱坐标系在屏幕上的显示状态至——频谱坐标系中，工作频率的观察区间不超出屏幕显示范围，D.显示所测乐音在上述频谱坐标系中的频谱曲线，其特征是，A.中，以待测乐音的各谐音频率作为工作频率，B.中，构建与各谐音频率一一对应的频谱坐标系作为所述的频谱坐标系，其中每个频谱坐标系取其对应的谐音频率值作为原点的频率轴坐标，C.中，还调节所述的显示状态至——各频谱坐标系方向相同，原点互相重合，且音强轴坐标互相重合。D.中，对所测乐音的各谐音的频谱曲线，分别在其对应的频谱坐标系中同时显示。
2. 根据权利要求1所述的对所测乐音的频谱曲线的显示方法，其D.中，采用让 使用者能够判别不同谐音的频谱曲线的方式予以显示。
3. 根据权利要求1或2所述的对所测乐音的频谱曲线的显示方法，其C.中，还 调节所述的显示状态至——各频谱坐标系在频率轴方向上的显示比例之比等于其 对应的谐音频率的理想值之比。
4. 用于显示所测乐音的频谱曲线的显示设备，包括A. 工作频率确定装置，用于根据使用者的输入确定工作频率，B. 频谱坐标系构建装置，用于根据该工作频率构建频谱坐标系，C. 显示状态设置装置，用于设置上述频谱坐标系在屏幕上的显示状态至—— 频谱坐标系中，工作频率的观察区间不超出屏幕显示范围，D. 频谱曲线显示装置，用于显示所测乐音在上述频谱坐标系中的频谱曲线， 其特征是，A.中，工作频率确定装置是以待测乐音的各谐音频率作为工作频率的装置，B. 中，频谱坐标系构建装置是构建与各谐音频率一一对应的频谱坐标系作为 所述的频谱坐标系的装置，其中每个频谱坐标系取其对应的谐音频率值作为原点 的频率轴坐标，C. 中，显示状态设置装置还包括调节装置，用于调节所述的显示状态至—— 各频谱坐标系方向相同，原点互相重合，且音强轴坐标互相重合，D. 中，频谱曲线显示装置是对所测乐音的各谐音的频谱曲线，分别在其对应 的频谱坐标系中同时显示的装置。
5. 根据权利要求4所述的用于显示所测乐音的频谱曲线的显示设备，其D.中， 频谱曲线显示装置是采用让使用者能够判别不同谐音的频谱曲线的方式予以显示 的装置。
6. 根据权利要求4或5所述的用于显示所测乐音的频谱曲线的显示设备，其C. 中，调节装置也是用于调节所述的显示状态至——各频谱坐标系在频率轴方向上的显示比例之 比等于其对应的谐音频率的理想值之比的装置。
7. 把执行权利要求l、 2或3的方法的计算机程序录入计算机可读存储介质的方法。
全文摘要
本发明涉及乐器视觉调律用音准仪的工作方法。为了让使用者在调整乐音进行乐器视觉调律时能够在屏幕上同时、直观、精确地观察乐音的各个谐音的频谱曲线并比较它们的频率偏差和音强，给出对所测乐音的频谱曲线的显示方法，其构建与待测乐音的各谐音频率一一对应的频谱坐标系作为所述的频谱坐标系，每个频谱坐标系取其对应的谐音频率值作为原点的频率轴坐标，调节所述的显示状态至各频谱坐标系方向相同，原点互相重合，且音强轴坐标互相重合，分别在各频谱坐标系中同时显示所测乐音的各谐音的频谱曲线。其适用于对各种需要调律的乐器进行视觉调律，尤其适用于钢琴视觉调律。本发明还涉及相应的显示设备和将其中的计算机程序编入存储介质的方法。
文档编号G10C9/00GK101625851SQ20091004156
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者肖智健, 玲 胡 申请人:肖智健