一种数字音准检测模块及音准检测系统的制作方法

本实用新型涉及乐器检测领域，特别是涉及一种数字音准检测模块及音准检测系统。

背景技术：

目前的音准检测主要应用于乐器调律与电子乐器音高验证这两个场景。

在乐器调律的场景，对结果的精度要求并不严格，允许音分级的误差。用户注重使用感受，需要能应对各种检测场景；需要结果的实时响应、随时响应。目前已经有很多现成的解决方案了。

在电子乐器音高验证的场景，对结果的精度要求十分严格，需要达到音分级甚至更高的精度。检测方式可以标准化，对同一信号测量多次，结果应该是可重复的；不需要实时，更需要关注发音后的平稳阶段。目前现有的解决方案昂贵，且依旧存在一些问题。

例如国家轻工业乐器质量监督检测中心(广州)在检测音高时所使用的Tuning-Set CTS-32-C音准仪，其售价到达了万元以上，但在精度、抗噪性、读数稳定与客观性上都有较大的问题：

1、目前音准仪的一个最大的问题就在读数稳定与客观性上，传统音准仪基本都是实时读数，但实际乐器的音高往往是摇摆的。这样就造成测量结果始终带有人的主观因素，根本无法确认一个确定的客观读数，且不同仪器存在音分级的误差后，没有标准能判断究竟哪个才是对的。

2、在精度上，以Tuning-Set CTS-32-C音准仪为例，它能达到的最高精度为0.1音分。

3、在抗噪性方面，对一个信号加上粉噪音(-14db)后，音准仪得出的结果与标准值偏差很大，不能正确的测出结果。

因此，如何提高电子乐器音高验证场景中的音准检测的客观性、精确性及抗噪性已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种数字音准检测模块及音准检测系统，用于解决现有技术中的电子乐器音高验证场景中音准检测的客观性、精确性及抗噪性低等问题。

实用新型为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种数字音准检测模块，所述数字音准检测模块至少包括：

适于检测输入的数字信号，进而确定待测信号的音头的端点检测单元；

连接于所述端点检测单元的输出端，适于以所述音头为起始点获取主要发音阶段，进而确定所述待测信号的主要发音阶段获取单元；

连接于所述主要发音阶段获取单元的输出端，适于对所述待测信号进行第一基音检测，得到第一精度的基频的第一基音检测单元；

连接于所述第一基音检测单元的输出端，适于滤除所述第一精度的基频所在频率区间以外的频率，以滤除噪声及谐波干扰的滤波单元；

连接于所述滤波单元的输出端，适于对滤波后的所述待测信号进行第二基音检测，得到第二精度的基频的第二基音检测单元，所述第二精度的基频的值即为音准的值，所述第二精度大于所述第一精度。

优选地，所述滤波单元为滤波器。

更优选地，所述滤波单元为低通滤波器或带通滤波器。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型还提供一种音准检测系统，所述音准检测系统至少包括：

信号采集设备及上述数字音准检测模块；

所述信号采集设备接收待测音频信号，对所述待测音频信号进行数据采集；

所述数字音准检测模块连接于所述信号采集设备的输出端，对所述信号采集设备输出的数字信号进行音准检测，以得到所述待测音频信号的音准检测结果。

优选地，所述待测音频信号为模拟信号或数字信号。

优选地，所述信号采集设备包括存储器、电脑或声卡。

如上所述，本实用新型的数字音准检测模块及音准检测系统，具有以下有益效果：

1、本实用新型采用非实时检测的方法，能得出准确稳定的读数，解决了现有音准仪中读数一直变化，造成结果不准确、不客观的问题。

2、本实用新型采用数字信号处理的方式，最后得出的基频精度高，能达到0.01音分级的精度，远远高于现有的解决方案。

3、本实用新型在检测过程中，排除噪声干扰，提高了结果的准确性。

附图说明

图1显示为本实用新型的数字音准检测技术的原理示意图。

图2显示为本实用新型的数字音准检测模块的结构示意图。

图3显示为本实用新型的音准检测系统的结构示意图。

元件标号说明

S1～S5 步骤

S11～S13、S31～S32、S51～S52 步骤

1 数字音准检测模块

11 端点检测单元

12 主要发音阶段获取单元

13 第一基音检测单元

14 滤波单元

15 第二基音检测单元

2 待测乐器

3 声卡

4 音准检测系统

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实用新型提供一种数字音准检测技术，所述数字音准检测技术至少包括：

步骤S1：对输入的数字信号进行端点检测，以确定待测信号的音头。

具体地，输入的信号为数字信号，同一个音输入的数字信号是相同的，以确保输入的数字信号中不带入人为的因素(力度、按压时间等)，以提高检测结果的客观性。基于所述音头将输入的数字信号中的音乐信号时段及非音乐信号时段区分开，以准确定义音乐信号的起始点。在本实施例中，默认输入的数字信号为单声道，采样率fS＝44100Hz；若要对双通道信号进行检测，则需要分左右通道分别进行检测，在此不一一赘述。

具体地，所述端点检测具体包括以下步骤：

步骤S11：依次计算所述数字信号各采样点的能量。

更具体地，在本实施例中，能量为信号的绝对值。

步骤S12：将所述数字信号各采样点的能量与其之前设定数量个采样点的平均能量进行比较。

更具体地，当所述设定数量越多的时候，抗噪声干扰的能力就越弱；当所述设定数量太少的时候，可能检测不到端点，进而无法确定所述待测信号的音头。因此，在本实施例中，所述设定数量为1024，也可适当放大或缩小至128～4096(包括128及4096)。在实际应用中，可根据设备及环境因素确定所述设定数量的值，以能获取准确的音头位置为准，不以本实施例为限。

步骤S13：若两者的比值超过设定比值，则判定当前采样点的能量产生突变，将当前采样点定义为所述待测信号的音头。

更具体地，当所述设定比值越大的时候，端点检测对突变产生的响应就越慢，当所述设定比值越小的时候，抗噪声干扰的能力就越弱。在本实施例中，两者的比值设定为：当前采样点的能量/前设定数量个采样点的平均能量，在本实施例中，所述设定比值设定为8，也可适当放大或缩小至4～16(包括4及16)。两者的比值也可以设定为：前设定数量个采样点的平均能量/当前采样点的能量，则所述设定比值的范围为上一种情况的倒数，在此不一一赘述。在实际应用中，可在响应速度和抗噪声干扰能力之间进行权衡，以确定所述设定比值的数值，不以本实施例为限。

步骤S2：以所述音头为起始点获取主要发音阶段，进而确定所述待测信号。

具体地，在本实施例中，默认输入的数字信号的采样率为44100的情况下，取所述音头起始点之后65536个采样点作为主要发音阶段的信号，以主要发音阶段的信号作为所述待测信号，在本实施例中，所述主要发音阶段的时长为1.5秒，当采样率发生变化的时候，所取的采样点数目也需要进行相应的变化，可适当放大或缩小至1～2s。在实际应用中，可根据输入信号的发音长短设定不同的主要发音阶段时长，不以本实施例为限。

步骤S3：对所述待测信号进行第一基音检测，得到第一精度的基频。

具体地，所述第一基音检测具体包括以下步骤：

步骤S31：获取所述待测信号的频谱图，将所述待测信号的频谱图在X轴方向上分别压缩整数倍，以得到多个压缩频谱图。

更具体地，在本实施例中，对所述待测信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)，获取所述待测信号的频谱图，频谱图的X轴为频率，Y轴为功率。将所述待测信号的频谱图在X轴方向上分别压缩2、3、4、5倍(即对其X轴除以2、3、4、5)，以得到4个压缩频谱图。通过对频谱图在X轴方向上的压缩可将二次谐波、三次谐波、四次谐波、五次谐波压缩并搬移到一次谐波的位置，在实际应用中，压缩的倍数可根据实际需要进行设置，不以本实施例为限。

步骤S32：将原频谱图及各压缩频谱图以原点为参考点叠加在一起，即各谐波均在一次谐波的位置重叠。

具体地，将原频谱图与各压缩频谱图叠加，使原频谱图上的坐标点与其整数倍坐标点附近区域内幅值最大值所对应的坐标点叠加，叠加后幅值最大值所对应的X轴坐标定义为所述第一精度的基频。所述第一精度为低精度。在本实施例中，所述附近区域为[0.9f1，1.1f1]，其中，f1为各次谐波在各压缩频谱图X轴上的坐标，即原频谱图上坐标点的整数倍。在实际应用中，可根据频谱图的变化频率设定所述附近区域，不以本实施例为限。特殊地，当所述待测信号的谐波频率固定为基频的整数倍时，附近区域内幅值最大值所对应的坐标点就是原频谱图上的坐标点的整数倍。

步骤S4：滤除所述第一精度的基频所在频率区间以外的频率，以消除噪声及谐波干扰。

具体地，在本实施例中，采用三阶带通巴特沃兹(Butterworth)滤波器以滤除所述第一精度的基频所在频率区间以外的所有频率，以排除谐波与噪音对基频的干扰。所述第一精度的基频所在频率区间设定为[0.8f2，1.25f2]，其中，f2为所述第一精度的基频所在频率，即上文提到的重合点或最大值对应的X轴坐标。在实际应用中，可根据精度、准确性要求设定所述第一精度的基频所在频率区间，不以本实施例为限。

步骤S5：对滤波后的所述待测信号进行第二基音检测，得到第二精度的基频，所述第二精度的基频的值即为音准的值。

具体地，所述第二基音检测具体包括以下步骤：

步骤S51：获取滤波后的所述待测信号的频谱图，对滤波后的所述待测信号的频谱图中各功率的绝对值进行重采样。

更具体地，在本实施例中，对滤波后的所述待测信号进行快速傅里叶变换，获取滤波后的所述待测信号的频谱图，频谱图的X轴为频率，Y轴为功率。根据奈奎斯特(Nyquist)抽样定理，有公式(1)：

在本实施例中，采样间隔Ts设定为1，整数n的取值范围设定为-20～20包括(-20及20)。

则有公式(2)：

其中，x(fn)为滤波后的所述待测信号的频谱图中功率的绝对值，xa(f)为x(fn)重采样后频谱图中功率的绝对值，fn为整数，f为重采样点。

利用公式(2)对滤波后的所述待测信号频谱图中功率的绝对值x(fn)进行128倍的重采样，以此提高结果精度。

步骤S52：重采样后功率绝对值最大的点对应的X轴坐标即为所述第二精度的基频。所述第二精度为高精度，所述第二精度远大于所述第一精度。

实施例二

如图2所示，本实用新型提供一种数字音准检测模块1，用于实现实施例一中所述的数字音准检测技术。

如图2所示，所述数字音准检测模块1包括端点检测单元11、主要发音阶段获取单元12、第一基音检测单元13、滤波单元14及第二基音检测单元15。

具体地，所述端点检测单元11用于检测输入的数字信号，进而确定待测信号的音头。

具体地，所述主要发音阶段获取单元12连接于所述端点检测单元11的输出端，以所述音头为起始点获取主要发音阶段，进而确定所述待测信号。

具体地，所述第一基音检测单元13连接于所述主要发音阶段获取单元12的输出端，用于对所述待测信号进行第一基音检测，得到第一精度的基频。

具体地，所述滤波单元14连接于所述第一基音检测单元13的输出端，用于滤除所述第一精度的基频所在频率区间以外的频率，以滤除噪声及谐波干扰。在本实施例中，所述滤波单元14为三阶带通巴特沃兹(Butterworth)滤波器，在实际应用中，可采用低通滤波器或其他带通滤波器，不以本实施例为限。

具体地，所述第二基音检测单元15连接于所述滤波单元14的输出端，用于对滤波后的所述待测信号进行第二基音检测，得到第二精度的基频，所述第二精度的基频的值即为音准的值，所述第二精度大于所述第一精度。

各单元的具体功能参见实施例一所记载的内容，在本实施例中不一一赘述。

实施例三

如图3所示，本实用新型还提供一种音准检测系统4，包括待测音频信号、信号采集设备、声卡3及所述数字音准检测模块1。

具体地，在本实施例中，由待测乐器2提供所述待测音频信号，所述待测乐器2输出乐音的模拟信号，也可以是数字信号。

具体地，所述信号采集设备接收所述待测音频信号，用于对所述待测音频信号进行数据采集。所述信号采集设备包括但不限于存储器、电脑及声卡。在本实施例中，采用声卡3实现数据采集，所述声卡3连接于所述待测乐器2的输出端，用于将所述模拟信号转化为数字信号。

具体地，所述数字音准检测模块1连接于所述声卡3的输出端，用于对所述数字信号进行音准检测，以得到所述待测乐器2的音准检测结果。所述数字音准检测模块1的具体结构及工作原理参见实施例一及实施例二所记载的内容，在本实施例中不一一赘述。

本实用新型采用非实时检测的方法，能得出准确稳定的读数，解决了现有音准仪中读数一直变化，造成结果不准确、不客观的问题；本实用新型采用数字信号处理的方式，最后得出的基频精度高，能达到0.01音分级的精度，远远高于现有的解决方案；本实用新型在计算过程中，排除噪声干扰，提高了结果的准确性。

综上所述，本实用新型提供一种数字音准检测模块及音准检测系统，包括：适于检测输入的数字信号，进而确定待测信号的音头的端点检测单元；连接于所述端点检测单元的输出端，适于以所述音头为起始点获取主要发音阶段，进而确定所述待测信号的主要发音阶段获取单元；连接于所述主要发音阶段获取单元的输出端，适于对所述待测信号进行第一基音检测，得到第一精度的基频的第一基音检测单元；连接于所述第一基音检测单元的输出端，适于滤除所述第一精度的基频所在频率区间以外的频率，以滤除噪声及谐波干扰的滤波单元；连接于所述滤波单元的输出端，适于对滤波后的所述待测信号进行第二基音检测，得到第二精度的基频的第二基音检测单元，所述第二精度的基频的值即为音准的值，所述第二精度大于所述第一精度。本实用新型采用非实时检测的方法，结果准确、客观；且本实用新型采用数字信号处理的方式，得出的基频精度高，能达到0.01音分级的精度，远远高于现有的解决方案；此外本实用新型在计算检测中，排除噪声干扰，可有效提高结果的准确性。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。