专利名称：一种乐器音色高精度检测方法
技术领域：
本发明属于乐器的检测技术领域，具体涉及一种乐器音色高精度检测方法。
背景技术：
音色是声音的特色，声音的感觉特性，是乐音的品质特征；能够将音高、音强和音长都相同的两个音区别开来的一种声音的属性。每一种不同的乐器，由于生产过程不同或制造材料不同，做出的同一种乐器其音色也有所区别，是因为它们发出的声音除了一个基音外，还有许多不同频率的谐波音伴随，正是这些谐波音作用于人的听觉系统，人耳对这些谐波音频率进行分析、合成最后在大脑中生成不同音色的感觉，使人能辨别出是不同的乐器发出的声音。人耳主要通过分析声音的谐波音列结构和起时状态(乐音从无声到有声的一瞬间的状态)来识别音色。通常各类乐器的调音或定音都是由经验丰富的经过严格训练的专业人员(如校音师、调琴师、金耳朵)来完成。但这样一来对乐器的调音或定音存在较大的人为因素，难以保证调音的准确性，有时也会存在误差或错觉，而对于业余爱好者来说，就更无法准确的鉴定乐器的音色。虽然也有采用频率计或定音器来定音或调音，如ZL200610032982. 8定音器，采用单片机手段来检测，但都是通过采集基音的标准频率进行比对或检测，测得的结果不能全面的反映乐器所发出的音色，因此，检测效果不是很理想，不能达到很高的精度，往往还需要其他辅助手段来补充。
发明内容
本发明目的是解决现有乐器检测手段的检测效果不很理想，不能达到很高精度的问题，提供一种乐器音色高精度检测方法，以满足大批量生产高品质乐器的需要，也能为乐器工作者和使用者提供高效快捷的检测方法。本发明提供的乐器音色高精度检测方法包括第I步、将标准乐器和待检乐器发出的标准音信号输入到音频信号输入单元，将音频信号转换为电信号；随后将该信号送入信号采集单元进行采样处理，将模拟信号转为数字信号，并存入数据存储单元。第2步、在信号运算控制单元通过调用第I步中所述数据存储单元中的音频的数据时域信号，进行频谱解析，将标准乐器和待检乐器发出的音频信号的时域特性经过数学运算傅里叶变换处理得到相应的频谱特性，解析上述的音频信号频谱特性中标准音频率和各谐波音列的组成成分、相互的关系以及每个谐波音的强度值，然后将其结果送到数据存储单元。第3步、将第2步所述数据存储单元中的音频频谱数据调入信号运算控制单元进行比较分析，并设定相应的误差范围，然后比较标准乐器和待检乐器音频信号频谱数据中标准音频率、各谐波音列的组成成分、以及各谐波音列的之间的关系，音强的值的区别并比较第I步中数据存储单元的音频时域信号中信号从无到有变化的区别，将比较的结果存入数据存储单元。第4、通过结果显示单元将信号运算控制单元解析后的待检乐器与标准乐器的频谱特性以及待检乐器与标准乐器的标准音的时域特性分别从第I步和第2步所述的数据存储单元中调出进行显示，并将第3步数据存储单元中经过比较后的待检乐器与标准乐器的频谱特性和时域特性区别的结果显示出来，从而实现待检乐器音色的检测。可根据检测结果采用调整或优化所测量乐器的性能，找到相应的改进方法，以此来方便快捷的鉴定所用乐器的音色。所述的音色精确检测方法通过如下具体装置完成，如图1所示，该装置包括电源、音频信号输入单元、信号采集单元、数据存储单元、信号运算控制单元和结果显示单元；所述的音频信号输入单元依次连接信号采集单元和数据存储单元，数据存储单元双向连接信号运算控制单元，信号运算控制单元再和结果显示单元连接，音频信号输入单元、信号采集单元、数据存储单元、信号运算控制单元和结果显示单元同时连接电源；所述的音频信号输入单元，主要完成音频信号与电信号的转换，信号采集单元主要完成对信号进行采样量化；数据存储单元主要完成来自频信号输入单元的时域信号、信号采集单元的信号采样处理结果和信号运算控制单元进行频谱解析和频谱比较和时域比较运算结果的存储，信号运算控制单元进行频谱解析并比较待检乐器与标准乐器的频谱特性和时域特性的区别，结果显示单元显示待检乐器与标准乐器的频谱特性和时域特性以及最终的比较分析处理结果。本发明的原理前面说过人耳主要通过分析声音的谐波音列结构和起时状态(乐音从无声到有声的一瞬间的状态)来识别音色。乐器发出的音频信号如果从时域转换到频域就可发现除了标准音频率之外，还存在一些谐波音成分。例如，钢琴上的Cl键的频率为261. 6Hz，那么这个音还存在有以下频率的谐波音523. 2Hz，784. 8Hz, 1046Hz, 1308Hz, 1570Hz, 1831Hz,2093Hz，2354Hz，2616Hz，2878Hz，3139Hz。每个乐器音色的异同主要是由谐波音的三个因素决定一是谐波音的组成成分、二是每个谐波音的强度、三是各个谐波音列之间的关系，即各谐波音的频率比。如果谐波音的数量不同，音色感就会有差异；假如谐波音的数量相同，但每个谐波音之间的强度关系不同，音色也会发生变化。因此将乐器发出的标准音信号进行电信号采集，然后对采集到的信号的频域特性中的进行频谱解析，得到相应标准音频率和各谐波音成分、相互关系、每个谐波音强度值这些频谱特性，为了精确起见还可根据输入到音频信号的时域特性得到相应的起时状态，比较待测乐器与所设定的标准乐器频谱特性和时域特性的区别，据此乐器工作者采用调整或优化所测量乐器的性能，找到相应的改进方法，使发出的标准音信号的频谱特性和时域特性达到满意的效果。乐器使用者也可采用此方法方便快捷的鉴定所用乐器的音色音质，这样会大大减少乐器的调音或定音过程中存在较大的人为因素，减少误差，方便准确的检测乐器的音色。本发明的优点和积极效果本发明可以提高乐器工作者调谐乐器音色的工作效率，也大大提高了乐器音色检测的精确性，为乐器使用者提供了方便快捷精确的检测方法。
图1是本发明方法使用的检测装置原理框图。图2是本发明方法的实施流程。
具体实施方式
:如图1所示，本发明提供的乐器音色高精度检测方法，该方法是将标准乐器和待检乐器发出的音频信号的时域特性经过数学运算傅里叶变换处理得到相应的频谱特性，解析标准音频率和各谐波音列的组成成分和关系以及每个谐波音的强度值，比较标准乐器和待检乐器发出的音频信号的频谱特性和时域特性，从而得到标准乐器和待检乐器的音色区另IJ。该方法使用的装置包括:电源、音频信号输入单元、信号采集单元、数据存储单元、信号运算控制单元和结果显示单元；所述的音频信号输入单元依次连接信号采集单元和数据存储单元，数据存储单元双向连接信号运算控制单元，信号运算控制单元再和结果显示单元连接，音频信号输入单元、信号采集单元、数据存储单元、信号运算控制单元和结果显示单元同时连接电源；本发明提供的乐器音色高精度检测方法的具体过程包括:实施例1第I 步我们以对钢琴进行音色高精度检测为例，首先整个系统上电，电源系统采用外部独立供电以提高该装置的灵活性，如采用几节五号电池，经过改造也可采用直流变压器供电。例如将某国产钢琴作为标准乐器，按下其f3键，将该键发出的音频信号通过如无指向性的传声器或采用一些抗噪声性能好的麦克风，将音频信号输入，把音频信号转变为电信号，在本实施例中可采用44.1K采样频率，16bit量化的信号采集单元将该电信号送入进行采样处理(若要改变精度可根据实际需要改变所选信号采集单元的采样频率和量化位数)，将模拟信号转为数字信号，并存入数据存储单元。然后以同样的方法在同样的环境下将待检乐器的f3键发出的音频信号进行数据采集和采样处理，存入数据存储单元。第2 步计算机或FPGA或单片机或虚拟仪器等工具都可进行频谱解析和频谱特性和时域特性的比较，因此信号运算控制单元可根据需要选用以上的工具，在信号运算控制单元将第I步中数据存储单元中的标准乐器钢琴f3键的音频信号，进行频谱解析，将f3键发出的音频信号的时域特性经过数学运算傅里叶变换处理得到相应的频谱特性，f3键的频谱特性中可以包含以下信息即f3键的频率、各谐波音列、之间的关系、每个谐波音的强度值，我们可以得出某钢琴按下f3键的频谱特性如基频频率为176.8Hz，强度为-46dB，二次谐波频率为355Hz，强度为-50dB，三次谐波频率为531.9Hz，强度为_52dB，四次谐波频率为709.8Hz，强度为_48dB…….，各谐波音列之间构成近似的整数比关系即1:2:3:4……将以上解析结果送到数据存储单元进行存储，并以同样的方法可将待检乐器的f3键发出的第I步的数据存储单元中音频信号进行频谱解析，将结果送到数据存储单元，根据实际需要可增加或减少高次谐波成分的数量，谐波成分分析的越多，精度越高。第3 步将第2步中数据存储 单元中存储的标准乐器和待检乐器f3键发出的音频频谱解析后的数据调入信号运算控制单元进行进行比较分析，并设定相应的误差范围，然后判断标准乐器和待检乐器音频信号频谱数据中标准音频率、各谐波音列的组成成分、关系、音强的值的区别，如频谱各谐波音列的组成是否一致或在一定误差范围内，各谐波音列的组成关系是否符合要求，各谐波音列或指定谐波音列的音强是否符合要求，将比较的结果都存入数据存储单元。接下来将第I步中数据存储单元中存储的标准乐器和待检乐器f3键发出的音频信号调入信号运算控制单元进行进行比较分析，并设定相应的误差范围，然后判断标准乐器和待检乐器音频信号的时域信号的区别如时域信号从无到有所需时间，或从无到达到最大值所需时间等信息之间的差异，将比较的结果都存入数据存储单元。第4 步通过采用IXD (液晶显示)等显示终端作为结果显示单元将信号运算控制单元解析后的待检乐器与标准乐器的频谱特性和音频信号输入单元中的时域特性分别从第I步和第2步所述的数据存储单元中调出进行显示，进行显示，可以采用波形图显示结果，也可采用数值显示的方法，具体可根据需求来设定，并将第3步数据存储单元中经过比较的待检乐器与标准乐器的频谱特性和时域特性的区别的结果并将这些结果显示出来，从而实现待检乐器音色的检测。实施例2第I 步下面我们以小提琴进行音色高精度检测为例，首先整个系统上电，供电后将某小提琴作为标准乐器，采用分弓演奏E弦空弦，将发出的音频信号通过麦克风，将音频信号输入，把音频信号转变为电信号，如实施例1中第I步所示将模拟信号转为数字信号，并存入数据存储单元。然后以同样的方法在同样的环境下将小提琴采用跳弓演奏E弦空弦发出音频信号进行数据采集和采样处理，存入数据存储单元。第2 步在实施例1中第2步所示的信号运算控制单元将本实施例第I步中数据存储单元中的小提琴分弓演奏E弦空弦的音频信号，进行频谱解析，将分弓演奏E弦空弦的发出的音频信号的时域特性经过数学运算傅里叶变换处理得到相应的频谱特性，分弓演奏E弦空弦的的频谱特性中可以包含以下信息即分弓演奏E弦空弦的的频率、各谐波音列、之间的关系、每个谐波音的强度值，将以上解析结果送到数据存储单元进行存储，并以同样的方法可将小提琴的跳弓演奏E弦空弦的发出的第I步的数据存储单元中音频信号进行频谱解析，将结果送到数据存储单元。第3 步将本实施例第2步中数据存储单元中存储的小提琴分弓演奏和跳弓演奏E弦空弦发出的音频频谱解析后的数据调入信号运算控制单元进行进行比较分析，然后判断小提琴分弓演奏和跳弓演奏E弦空弦音频信号频谱数据中标准音频率、各谐波音列的组成成分、关系、音强的值的区别，分弓演奏和跳弓演奏E弦空弦音频频谱特性存在一定的差异，如它们的各谐波音频分量的组成成分如中、高频的差异较明显，而且各谐波音列的强度有所不同，将比较的结果都存入数据存储单元。接下来将本实施例第I步骤中数据存储单元中存储的小提琴采用分弓演奏和跳弓演奏E弦空弦发出的音频信号，调入信号运算控制单元，根据其时域信号的信息，我们可以选择得到标准乐器小提琴的时域信号的信息为相应的起时状态信息即振动从零开始到最大幅度所用的时间，可得出分弓演奏的约为O. 2秒，同样也会得到跳弓演奏的起时状态信息为O. 05秒，将这些数据进行比较分析，然后判断分弓演奏和跳弓演奏E弦空弦音频信号的时域信号的区别即起时时间差异，将比较的结果都存入数据存储单元。第4 步通过采用IXD (液晶显示)等显示终端作为结果显示单元将信号运算控制单元解析后的小提琴采用分弓演奏和跳弓演奏E弦空弦发出的音频信号频谱特性和音频信号输入单元中的时域特性分别从第I步和第2步所述的数据存储单元中调出，用直观的图形进行显示也可根据实际需求进行数值显示，也可将从第3步数据存储单元中进行比较的频谱特性和时域特性的区别的结果显示出来，从而实现该小提琴不同技法产生不同的音色的检测。由此可见本发明即可对不同乐器进行音色检测也可对相同乐器不同技法产生的不同音色进行检测。以上介绍了实施例，说明了本发明的发明精神实质后，具体实施方案可根据实际情况采用不同的实施方法，形成等效方案，不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种乐器音色高精度检测方法，其特征在于该检测方法是基于音色的频谱特性和时域特性的方法，具体包括:第I步、将标准乐器和待检乐器发出的标准音信号输入到音频信号输入单元得到音频的电信号，随后将该信号送入信号采集单元进行采样处理，并存入数据存储单元；第2步、在信号运算控制单元通过调用第I步数据存储单元中来自信号采集单元的数据信号，进行频谱解析，将标准乐器和待检乐器发出的音频信号的时域特性经过数学运算傅里叶变换处理得到相应的频谱特性，解析上述的音频信号频谱特性中标准音频率和各谐波音列的组成成分和关系以及每个谐波音的强度值，然后将其结果送到数据存储单元；第3步、将第2步所述数据存储单元中的音频频谱特性数据调入信号运算控制单元进行比较分析标准乐器和待检乐器音频信号频谱特性的区别以及来自第I步中数据存储单元音频信号输入单元的音频时域信号的区别，将比较的结果存入数据存储单元；第4步、通过结果显示单元将信号运算控制单元解析后的待检乐器与标准乐器的频谱特性以及待检乐器与标准乐器的标准音由音频信号输入单元输入的时域特性分别从第I步和第2步所述的数据存储单元中调出进行显示，并将信号运算控制单元中经过比较的待检乐器与标准乐器的频谱特性和 时域信号的区别的结果从第3步数据存储单元调出并显示出来，从而实现待检乐器音色的检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的音色高精度检测方法通过如下具体装置完成，该装置包括:电源、音频信号输入单元、信号采集单元、数据存储单元、信号运算控制单元和结果显示单元；所述的音频信号输入单元依次连接信号采集单元和数据存储单元，数据存储单元双向连接信号运算控制单元，信号运算控制单元再和结果显示单元连接；音频信号输入单元、信号采集单元、数据存储单元、信号运算控制单元和结果显示单元同时连接电源；所述的音频信号输入单元，主要完成音频信号与电信号的转换，信号采集单元主要完成对信号进行采样量化；数据存储单元主要完成来自信号采集单元的信号采样处理结果和信号运算控制单元进行频谱解析和频谱比较以及时域比较运算结果的存储，信号运算控制单元进行频谱解析并比较待检乐器与标准乐器的频谱特性和时域特性的区别，结果显示单元显示待检乐器与标准乐器的频谱特性和时域特性以及最终的比较分析处理结果。
全文摘要
一种乐器音色高精度检测方法。主要方法将乐器发出的标准音信号通过音频信号的时域特性经信号运算控制单元运算得到频谱特性中标准音频率和各谐波音成分的组成之间的关系和各谐波音的强度，通过比较待检乐器与标准乐器的时域特性和频谱特性的区别以此获得乐器音色的检测结果，将处理结果传送到结果显示单元。用户可根据检测结果采用调整或优化所测量乐器的性能，找到相应的改进方法，可用于方便快捷的鉴定所用乐器的音色。它包括电源、音频信号输入单元、信号采集单元、数据存储单元、信号运算控制单元、结果显示单元。本发明具有测量精度高、使用方便、直观准确，可用于各种乐器的定音器、调音器、节拍器等。为乐器音色检测提供一种可靠的方法。
文档编号G10H1/00GK103077698SQ201310009550
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月10日 优先权日2013年1月10日
发明者刘慧敏, 姜训勇 申请人:天津理工大学