[发明专利]一种高精度钢琴校音器及其校音方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢琴校音器，更具体地说，涉及一种高精度的钢琴校音器及其校音方法。

背景技术

钢琴的音高校准，关键是检测声音信号的基频。钢琴是一种大型的击弦乐器，结构复杂，仅打击系统就有一百多个零部件，由于影响因素很多，因而声音特征也多种多样。在低音区谐波结构中，基频幅度远小于其他谐波幅值，甚至在最低的几个音的谐波结构中基频幅值为零，完全不存在，基频丢失。在高音区频谱结构中只存在基频成分，其他谐波幅度很低甚至为零，谐波丢失。各次谐波的频率并非基频的整数倍，在频谱结构中，随着谐波次数的升高，谐波的频率间隔逐渐加大，存在谐波的不谐和性。另外，声音在不断衰减，并且各次谐波衰减的速度又不尽相同。

谐波结构存在的上述特殊性严重影响目前各种常用钢琴校音方法的测量精度，基频丢失现象将导致检测声音最大值的方法把某高次谐波当成基频而出现倍频现象，例如将a音当成a1音或e2音，不谐和现象将导致检测频谱间隔的算法产生较大误差，有时甚至完全错误，各次谐波衰减速度的不同将导致检测声音过零率的方法不稳定，不断抖动。

发明内容

为了克服现有的电子校音器的不稳定性，提高校音精度，本发明提供一种利用加权最小二乘法检测钢琴声音的方法，该方法充分考虑到钢琴声音存在的基频丢失，谐波丢失，谐波不谐和性以及衰减速度不一致的特点，显示稳定，分析精度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一个钢琴校音器，包括声音信号检测，信号的处理和变换，信号的分析和数据的显示单元。其内部电路连接关系是：信号检测单元输出端接信号处理单元的输入端，信号处理单元的输出端以及键盘的输出端接信号分析单元输入端，信号分析单元的输出端接数据显示单元。

本发明的有益效果是，充分考虑钢琴声音特点，采用加权最小二乘法计算声音的基频，分析精度高，特别适合要求精确校音的场合，频谱范围宽，完全覆盖钢琴88个音，显示稳定，校音可靠高效。

附图说明

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的谐波提取示意图。

图3是本发明的电路原理图。

具体实施方式

在图1中，声音信号检测单元1包括麦克风及其偏置电路，信号的处理和变换单元2包括放大电路21、滤波电路22和模数转换电路23，放大电路21具有自动增益控制功能，自动调整放大倍数，避免信号失真，滤波电路22选用带通滤波器，下限截止频率选在100Hz左右，避开交流电干扰，上限截止频率选在5000Hz左右，覆盖钢琴所有88个半音的基频，模数转换电路23选用采样频率为11025Hz，模拟信号转换为16位的数字信号，信号分析单元3包括傅立叶变换模块31、谐波提取模块32、加权最小二乘法模块33。傅立叶变换模块31对数字声音信号进行傅立叶变化，数据帧长度为1024，谐波提取模块32提取各次谐波的频率和幅值，加权最小二乘法模块33应用加权最小二乘法分析各次谐波的频率和幅值数据，获得最小误差的基频和不谐和系数，与标准值比较后，计算出音分偏差，数据显示单元4显示声音的基频和音分偏差，键盘输入单元5接收用户校音设置。

图2中说明了本发明所采用的谐波提取方法。声音信号经过傅立叶变换，比较所有谱线，确定最大幅值的谱线，以该最大幅值谱线乘以0.1作为谱线筛选的阈值，某条谱线的幅值小于该阈值，就忽略该谱线，某条谱线的幅值大于该阈值，就保留该谱线，图2中，谱线4、5、6被忽略掉，谱线1、2、3、7、8、9被保留下来，用来进一步提取谐波。当a_n＞a_n-1且a_n＞a_n+1时，a_n就是一个局部峰值，该局部峰值对应的频率除以当前调校音的标准频率，取比值最接近的整数k，则当前谐波记作第k次谐波，其频率为f_k，幅值为a_k，图2中，当调校a音时，谱线2对应于第1次谐波，其频率为218Hz，幅值为514，谱线8对应于第2次谐波，其频率为437Hz，幅值为339。

由于钢琴声音存在谐波不谐和性现象，各次谐波的频率并非基频的整数倍，谐波频率可以近似表示为：