一种基于物联网的智能钢琴调音系统

本发明涉及物联网，更具体地涉及一种基于物联网的智能钢琴调音系统。

背景技术：

1、传统的钢琴调音方式通常由人工完成，需要调音师具备专业的技能和经验，然而，由于人类的听觉和操作误差，调音师可能会出现误判或操作不当的情况，从而导致钢琴的音准和音色受到影响，甚至可能损坏钢琴，智能钢琴调音系统的出现是为了解决这些问题，物联网技术是一种将物理设备、传感器、执行器等通过网络连接，实现数据采集、传输、处理和控制的技术，音频处理技术是一种对音频信号进行采集、传输、处理和分析的技术，智能钢琴调音系统则是运用音频处理技术和物联网技术实现对钢琴音准的智能调控，提高调音效率和准确性，减少人工干预和错误。

2、但是，智能钢琴调音系统也存在一些不足，包括：调音精度不够高：传统的智能钢琴调音系统虽然可以自动或半自动地调整钢琴的音准，但由于机械、电子和计算机技术的限制，其调音精度往往不如专业调音师手动调整的高；调音设置不完善：传统的智能钢琴调音系统对钢琴的音频通过算法统一计算，以此判断钢琴的音准，缺乏对钢琴音域的检测，不同的音域采用同样的检测方法得出的判断结果并不精准。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于物联网的智能钢琴调音系统，以解决上述背景技术中存在的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种基于物联网的智能钢琴调音系统，包括：信息采集模块、信息去噪模块、音频监测模块、低频段计算模块、高频段计算模块、波形模拟模块，波形对比模块，以及修正调节模块；

3、所述信息采集模块，利用传感器采集钢琴弦产生的音频信号，并将音频信号平均分为n帧，标记为1，2，3，...，i，...，n，采集的音频信号中包括低频段音频和高频段音频，并将采集到的音频信号传输至信息去噪模块；

4、所述信息去噪模块，包括数据预处理单元和去噪算法单元，数据预处理单元对音频信号进行预处理操作，去噪算法单元将音频信号输入至去噪模型中，并将去噪后的音频信号传输至音频监测模块；

5、所述音频监测模块，接收信息去噪模块传输的去噪后的音频信号，确定音频频段，将低频段信号传输至低频段计算模块，将高频段信号传输至高频段计算模块；

6、所述低频段计算模块，基于音频监测模块传输的低频段信号，通过低频段计算数学模型计算得出低频段信号的谐波系数，并将计算得出的谐波系数传输至波形模拟模块；

7、所述高频段计算模块，基于音频监测模块传输的高频段信号，通过高频段计算数学模型计算得出高频段信号的谐波系数，并将计算得出的谐波系数传输至波形模拟模块；

8、所述波形模拟模块，基于低频段信号的谐波系数和高频段信号的谐波系数计算得出模拟波形指数，并将计算得出的模拟波形指数传输至波形对比模块；

9、所述波形对比模块，接收波形模拟模块传输的模拟波形指数，系统自动生成二维图形与预设的标准波形图形对比，判断是否吻合，并将判断结果传输至修正调节模块；

10、所述修正调节模块，接收波形对比模块传输的判断结果，自动对判断结果为不吻合的部分系统分析，并进行调音操作。

11、优选的，所述信息采集模块中传感器包括电子传感器和光学传感器，通过感应钢琴弦的振动并将振动转换成电信号，然后通过线路传输到后续的处理设备中进行处理；采集的音频信号中低频段音频包括低频段信号误差值、各帧低频段信号实测频率值、钢琴琴弦的线密度以及低频段音频总帧数，高频段音频包括高频段信号误差值、各帧高频段信号实测频率值、钢琴琴弦的线密度以及高频段音频总帧数。

12、优选的，所述信息去噪模块中预处理操作包括数据清洗：删除或填充无效或缺失的数据；数据规范化：将数据转换成统一的尺度或范围；数据转换：将原始数据转换成适合算法处理的格式；

13、去噪模型的计算公式为：，其中表示经过去噪模型去噪后的输出信号，表示输入信号，表示时间窗口的长度。

14、优选的，所述音频监测模块中确定音频频段具体操作如下：

15、特征提取：从去噪后的音频信号中提取特征，提取的特征包括时间域特征、频率域特征和其他类型的特征；音频段分类：根据提取出的特征，对音频信号进行分类，包括根据音频的类型、音频的来源、音频的情感进行分类；分类后低频段音频为a帧，高频段音频为b帧，并且a+b=n。

16、优选的，所述低频段计算模块中计算得出的低频段信号的谐波系数的计算步骤如下：

17、步骤s01：计算低频段信号误差值，计算公式为：，其中表示低频段信号误差值，表示各帧低频段信号实测频率值，表示各帧低频段信号标准频率值；

18、步骤s02：计算低频段信号的谐波系数，计算公式为：，其中表示低频段信号的谐波系数，表示低频段信号误差值，表示各帧低频段信号实测频率值，表示钢琴琴弦的线密度，表示低频段音频总帧数。

19、优选的，所述高频段计算模块中计算得出的高频段信号的谐波系数的计算步骤如下：

20、步骤s01：计算高频段信号误差值，计算公式为：，其中表示高频段信号误差值，表示各帧高频段信号实测频率值，表示各帧高频段信号标准频率值；

21、步骤s02：计算高频段信号的谐波系数，计算公式为：，其中表示高频段信号的谐波系数，表示高频段信号误差值，表示各帧高频段信号实测频率值，表示钢琴琴弦的线密度，b表示高频段音频总帧数。

22、优选的，所述波形模拟模块中计算得出的模拟波形指数的计算公式为：，其中表示模拟波形指数，表示低频段信号的谐波系数，表示高频段信号的谐波系数，和表示常数。

23、优选的，所述波形对比模块自动生成二维图形，与预设的标准波形图形对比，依据对比结果判断钢琴音准，若二维图形与预设的标准波形图形完全吻合，则音准正常无需调整，若二维图形与预设的标准波形图形不完全吻合，则音准出现偏差需要调整。

24、优选的，所述修正调节模块在接收到音准出现偏差需要调整的请求时自动调整调音参数，直至二维图形与预设的标准波形图形完全吻合。

25、本发明的技术效果和优点：

26、本发明通过设有信息采集模块、信息去噪模块、音频监测模块、低频段计算模块、高频段计算模块、波形模拟模块，波形对比模块，以及修正调节模块，信息采集模块利用传感器采集音频信号，信息去噪模块对音频信号进行预处理和去噪操作，音频监测模块确定音频频段，低频段计算模块计算得出低频段信号的谐波系数，高频段计算模块计算得出高频段信号的谐波系数，波形模拟模块计算得出模拟波形指数，波形对比模块将系统自动生成二维图形与预设的标准波形图形对比，判断是否吻合，修正调节模块对判断结果为不吻合的部分进行调音操作，总之，一种基于物联网的智能钢琴调音系统将钢琴的音域分为低频段和高频段，智能识别钢琴的音准，并通过算法进行自动调整，确保音准准确，提高演奏效果。

技术特征：

1.一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：包括：信息采集模块、信息去噪模块、音频监测模块、低频段计算模块、高频段计算模块、波形模拟模块，波形对比模块，以及修正调节模块；

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述信息采集模块中传感器包括电子传感器和光学传感器，通过感应钢琴弦的振动并将振动转换成电信号，然后通过线路传输到后续的处理设备中进行处理；采集的音频信号中低频段音频包括低频段信号误差值、各帧低频段信号实测频率值、钢琴琴弦的线密度以及低频段音频总帧数，高频段音频包括高频段信号误差值、各帧高频段信号实测频率值、钢琴琴弦的线密度以及高频段音频总帧数。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述信息去噪模块中预处理操作包括数据清洗：删除或填充无效或缺失的数据；数据规范化：将数据转换成统一的尺度或范围；数据转换：将原始数据转换成适合算法处理的格式；

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述音频监测模块中确定音频频段具体操作如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述低频段计算模块中计算得出的低频段信号的谐波系数的计算步骤如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述高频段计算模块中计算得出的高频段信号的谐波系数的计算步骤如下：

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述波形模拟模块中计算得出的模拟波形指数的计算公式为：，其中表示模拟波形指数，表示低频段信号的谐波系数，表示高频段信号的谐波系数，和表示常数。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述波形对比模块自动生成二维图形，与预设的标准波形图形对比，依据对比结果判断钢琴音准，若二维图形与预设的标准波形图形完全吻合，则音准正常无需调整，若二维图形与预设的标准波形图形不完全吻合，则音准出现偏差需要调整。

9.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能钢琴调音系统，其特征在于：所述修正调节模块在接收到音准出现偏差需要调整的请求时自动调整调音参数，直至二维图形与预设的标准波形图形完全吻合。

技术总结
本发明涉及物联网技术领域，本发明公开了一种基于物联网的智能钢琴调音系统，包括信息采集模块、信息去噪模块、音频监测模块、低频段计算模块、高频段计算模块、波形模拟模块，波形对比模块，以及修正调节模块，信息采集模块利用传感器采集音频信号，信息去噪模块对音频信号进行预处理和去噪操作，音频监测模块确定音频频段，低频段计算模块计算得出低频段信号的谐波系数，高频段计算模块计算得出高频段信号的谐波系数，波形模拟模块计算得出模拟波形指数，波形对比模块将系统自动生成二维图形与预设的标准波形图形对比，判断是否吻合，修正调节模块对判断结果为不吻合的部分进行调音操作。

技术研发人员：张珈瑞
受保护的技术使用者：山东石油化工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24