[发明专利]一种高精度高稳定度的弦乐器基波频率检测方法

说明书

本发明公开一种高精度高稳定度的弦乐器基波频率检测方法，为乐器校音提供客观的依据，涉及弦乐器校音技术领域。该方法融合了频域谱分析、时域循环相关和循环残差等技术。对音频进行傅里叶变换和频谱细化算法，确定候选最大基波频率，在时域利用循环相关运算，确定候选最小基波频率，由候选最大及最小基波频率确定最大谐波次数，计算最大谐波次数的所有约数，根据约数对应的周期或样点数，计算循环残差，并将循环相关与循环残差的比值作为置信系数，置信系数越大，说明该约数对应的频率作为音频的基波频率可能性越大。该方法精度高、鲁棒性好、适用面广。

技术领域

本发明涉及弦乐器校音技术领域，具体涉及一种高精度高稳定度的弦乐器基波频率检测方法，为乐器校音提供直观且客观的标准。

背景技术

如今，乐器已进入越来越多的家庭，而钢琴作为弦乐器的代表，被誉为乐器之王，更是广受青睐。然而琴键音调失准会引起音质严重下降，因此常需要对其进行校音。目前弦乐器校音多数是根据人的感觉进行反复调试来校正，严重依赖专业调音师的听觉和经验。由于人与人之间存在个体差异性，以及受生理、心理、环境等诸多因素的影响，完成乐器的校音工作往往缺乏客观的标准。因此，迫切需要建立一种能够排除主观因素的客观标准。

视觉校音是指利用现代数字信号处理技术，通过软件算法检测乐音的基波频率，并将结果以直观的形式显示出来。相较于听觉调音，视觉调音更客观、稳定，且易操作。目前软件校音算法主要包括时域法和变换域法，时域方法主要有过零法、自相关函数和平均幅度差函数，变换域法主要有频谱压缩法、倒谱法以及小波变换等。由于乐音信号复杂多变，单一的方法往往难以实现高精度、高稳定度的基波频率检测，而多方法的简单组合会成倍地增加计算量，且未必能实现期望的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弦乐器基波频率检测方法，能实现高精度、高稳定度地检测弦乐器的基波频率。

为此，本发明提出一种时频域相结合的方法：频域的谱细化算法提供高精度的频率估计；频谱分析与循环相关相结合将基波频率的可能取值限定在极少数的几个数值，从而大大降低算法复杂度；最后，循环相关与循环残差相结合，能以最大概率确定基波频率。本发明的技术方案详述如下。

本发明提供一种高精度高稳定度的弦乐器基波频率检测方法，包括以下步骤：

步骤1、对音频流信号进行分帧处理，帧长为N，一帧音频信号记为x[n]，x[n]∈R^N；

步骤2、对一帧音频信号x[n]进行加窗，得到加窗后的音频帧信号x_w[n]，再对x_w[n]进行快速傅氏变换，得到傅里叶频谱X_w[k]；

步骤3、由X_w[k]确定峰值频率所在范围，并对峰值频率范围内的频谱进行谱细化分析，确定峰值频率F_max，峰值频率F_max为候选最大基波频率；

步骤4、计算x[n]的循环相关函数R_cx[m]，其中0≤m≤N-1，

其中x_c[n-m]表示x[n]的m位循环移位，取R_cx[m]在区间[(N-1)/10,N-1]内的最大值，计算出候选最大基波周期，得出候选最小基波频率F_min；

步骤5、由F_max和F_min确定最大谐波次数H_max，H_max＝round(F_max/F_min)，其中round()为四舍五入到最近整数的算子；