基于LabVIEW的乐器数字调音系统

摘要： 该系统采用虚拟仪器思想，利用基于图形化的编程软件LabVIEW开发了乐器数字调音系统。主要内容包括模拟钢琴，钢琴及吉它音频的基频检测，音频的采集和存储、音频的参数测量、音频的谱分析及图形化显示等内容。该系统利用LabVIEW中NI模块通过搭积木式编程方法实现了对钢琴和吉它2种乐器的音准调音。实现钢琴模拟调律过程，满足实际吉它调音的需要。

关键词： LabVIEW； 虚拟仪器； 模拟钢琴； 乐器调音； 基频检测

中图分类号： TN919?34； TM935 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）06?0141?04

0 引 言

钢琴和吉它是人们喜闻乐见的乐器，其共同的特点是它们的琴弦都具有金属的延展性，使用过一段时间后其音准会发生变化，从而要周期性地对钢琴和吉它进行调律（调音）。

此类乐器特别是钢琴的调音，传统上都是由专业调音师来完成的。随着电脑技术的发展，寻求一种科学的，普通人可以掌握的调音工具已经受到广泛的关注。本文应用EPMC?505C嵌入式平台，设计的乐器数字调音系统可以使钢琴和吉他的调音变得简单而有趣。通过该系统用户可以准确地判断出音准是否有偏差，快速完成调音。

另外，本设计作品参加了2012全国大学生电子设计竞赛嵌入式大赛（获三等奖），为了满足现场演示需要，系统中还设计了模拟钢琴，用以模拟钢琴调音的全过程。

1 系统组成与功能

1.1 系统组成

本乐器数字调音系统可实现钢琴模拟调律过程，并可完成实际吉它调音的任务。

1.2 系统功能

1.2.1 模拟钢琴

（1）按键发音（音高可调）；

（2）琴键变色；

（3）声卡、音箱输出。

1.2.2 音频信号处理

（1）音阶校准功能：提取信号基音频率，与标准音阶信号对比，实现音阶校准。并通过表头显示差别；

（2）频谱分析图功能；

（3）示波器功能。

2 基音频率检测原理

乐器调音系统的核心问题是乐音信号的基音频率检测（基频检测），通过检测乐音的基频，比对标准频率，从而判断钢琴和吉它的音准。

钢琴是敲击弦乐器，吉他是弹拨弦乐器。不论弹拨弦，还是敲击弦，弦的振动是由多阶谐波分量叠加而成的。弹拨和敲击位置不相同，其振动的频率分量将不同，即泛音不同，但基频是不变的。事实上，像吉他一类的乐器对于每一个音敲击弦的位置是大致固定的，所以一旦基频确定，其谐波组成分量也就确定。因此对弦乐器进行校音时，最为关心的是基波分量的频率，也就是所谓的基音频率[1?4]。

3 系统实现[10]

3.1 模拟钢琴

图5 模拟钢琴测试图

3.2 调音系统实现

钢琴的调音方法类似，但是由于钢琴的按键较多，因此需要的频率也较多，一一列举过于繁琐，可以直接通过调用程序中生成的标准频率作为比较的基准，每个键的调音由旋钮完成，旋钮生成的改变量所构成的数组相加，之后用索引数组vi将对应的已经改变的频率输入到正弦波生成vi中，从而实现单键声音的改变，由于只有一个数值输入控件（即旋钮），要实现改一个键时，其他键的音不发生变化，使用调用节点中的“重新初始化为默认值”并将默认值设置为零，通过对索引号是否相同和是否为默认C音的索引号的判断来决定是否执行该调用节点，就能实现每个键的单独调音，不会对其他键造成影响。

图9 钢琴调音界面

3.3 波形频谱模块实现

为更好地对生成的声音进行加工和调整，需要了解所生成的声音的时域波形和频谱，系统设计了波形和频谱实时显示功能模块，模拟钢琴弹奏过程中的波形及频谱可清晰地显示在前面板上。

4 结 语

本系统采用虚拟仪器思想，利用基于图形化的编程软件LabVIEW开发了乐器数字调音系统，该系统可以完成模拟钢琴和乐器调音的工作。但本文的研究工作对于钢琴调音领域的研究仅仅只是一个初步探索，存在很多的不足，还有很多后续工作要做。

（1）由于真实钢琴的频谱谐波分量非常复杂，目前还难以实现模拟钢琴的乐音与真实钢琴达到完全一致。

（2）此调音系统能够直观显示钢琴键音的误差值，供调音者参考，但是调整琴弦张力尚需人工完成，后续工作可以将琴弦误差值与琴弦张紧力直接对应起来，设计硬件如机械手，控制其完成调音工作，实现完全自动化。

参考文献

[1] 易克初，田斌，付强.语音信号处理[M].北京：国防工业出版社，2000.

[2] PARSON T W.语音信号处理[M]. 文成义，译.北京：国防工业出版社，2000.

[3] 管善群.音乐声学基础[M].上海：上海音乐出版社，1988.

[4] 姚亚平.音高结构历史演化概要[J].中国音乐学，2000（1）：99?109.

[5] HATONETAL J P. Automatic speech analysis and recognition [M]. Reidel Publishing Company， 1982： 49?67.

[6] 雷静.语音识别技术的研究及基本实现[D]. 武汉：武汉理工大学，2002.

[7] 付青青，吴爱平.基于Matlab 的语音信号自相关基音检测[J].长江大学学报：自然科学版，2006，3（4）：99?103.

[8] 苏江峰.钢琴调音软件的设计[D].西安：西安电子科技大学，2008.

[9] 曹政.基于时频分析的乐音识别算法研究[D].合肥：中国科技大学，2006.

[10] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[11] 王浩，杨刚.LabVIEW下数字序列输出的设计与实现[J].电子科技，2009（3）：33?36.

[12] 李爱勤，张绪坤.基于TCS230与LabVIEW的颜色测量系统[J].电子科技，2009（3）：26?29.