基于频率特征的共享钢琴自动调音系统设计_王家宁.pdf

收稿日期:2022-08-05基金项目:西安交通工程学院中青年基金项目共享经济背景下的共享钢琴及其配套系统研究(2022KY-83)作者简介:王家宁(1994-),女,山西忻州人,硕士研究生,讲师。基于频率特征的共享钢琴自动调音系统设计王家宁(西安交通工程学院,西安 710000)摘 要:针对传统共享钢琴琴弦音高检测方法准确率低的问题,导致钢琴自动调音效果差的问题,提出设计一个基于频率特征的共享钢琴自动调音系统。系统分别采用改进短时平均幅度端点检测方法和 Autocorrelation-自相关算法对钢琴音频进行端点检测和特征提取,获取各音频间的自相关信息,从而根据其信息实现钢琴琴弦音高准确检测;之后通过电机控制方法和无线通信方式进行系统快速调音和自动控制。实验结果表明,提出的端点检测方法可钢琴音弦信号和噪声进行分离,且相较于传统 FFT 算法和 Cepstrum-倒谱算法,提出的 Autocorrelation-自相关算法可提升钢琴音高准确检测。且将该算法应用到系统中发现,设计的自动调音系统运行十分稳定,调音范围较广,调音精度保持在5 音分范围内,调音时间低于 10 s,说明设计的系统调音速度快,效率高,满足自动调音需求。关键词:频率特征;共享钢琴;自动调音;端点检测;音高检测 中图分类号:TP392 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.172Design of Shared Piano Automatic tuning System Based on Frequency CharacteristicsWANG Jianing(Xian Traffic Engineering Institute,Xian 710000,China)Abstract:In view of the low accuracy of the traditional shared piano string pitch detection method,in this paper,a shared piano automatic tuning system based on frequency characteristics is proposed.The system adopts improved short-time average amplitude endpoint detection method and Autocorrelation-autocorrelation algorithm to conduct endpoint detection and feature extraction of piano audio to obtain autocorrelation information between each audio,so as to realize the accurate detec-tion of piano string pitch according to its information;then the system is quickly tuning and automatic control through the mo-tor control method and wireless communication mode.The experimental results show that the proposed endpoint detection method can separate the piano string signal and noise,and the proposed Autocorrelation-and self-autocorrelation algorithm can improve the traditional FFT algorithm and Cepstrum-inverted spectrum algorithm.Moreover,the application of the algo-rithm to the system is found that the designed automatic tuning system is very stable,with a wide range of tuning,the tuning accuracy is kept within the 5 tone range,and the tuning time is less than 10 s,indicating that the designed system has fast tuning speed,high efficiency,to meet the needs of automatic tuning.Key words:frequency characteristics;shared piano;automatic tuning;endpoint detection;pitch detection0 引言近年来,随着互联网和计算机技术的快速发展,计算机技术逐渐在音乐领域的乐器音频检测和识别方面得到广泛应用。然而,目前市场上存在的共享钢琴音频信号特征检测研究较少,存在的自动调音系统功能完善,对于共享钢琴的声音检测准确率较低,从而造成钢琴自动调音效果较差。如何提升共享钢琴的自动调音效果,对钢琴乐音进行准确检测是自动调音的关键,也是当前众多学者研究的重点。韩云霄等在复杂噪声环境中,针对钢琴弹奏时采集的音乐原始频谱信号,提出了基于梅尔倒谱系数(Mel-scaleFrequency Cepstral Coef-ficients,MFCC)的音乐信号端点检测方法,该方法通过提取原始音频信号的特征,去除语音段、噪声段和无声段,从而有效区分干扰弦音与非弦音,为后续的钢琴乐音检测提供有效的数据1;何甜田等为实现钢琴乐器中复调音频的准确检测和调节,提出了一种自适应谐波叠加方法,通过此方法对钢琴复调音乐主旋律进行特征提取,在一定程度上提升了复调音频检测率2;陈爱华等以三角钢琴为研究对象,提出了在深度学习中的卷积神经网络的基础上,加入多特征融合方法,通过此方法实现三角钢琴音乐的端点准确检测,实验发现,此方法具备一定的有效性3。以上学者的研究虽然取得了一定的效果,但在共享钢琴的自动调音方面,目前存在的自动调音系统的软件还无法满足钢琴声音准确检测和自动调节需求。因此,为实现共享钢琴的自动调音需求,提升钢琴声音调律效果,结合以上学者研究成果,基于钢琴音频特征提取方法,设计一个共享钢琴自动调音系统。通过此系统快速准确地进行自动调音控制,帮助普通用户对钢琴声音是否标准进行判断,可提升钢琴生产厂家生产效益,具有一定的实际应用意义。271基于频率特征的共享钢琴自动调音系统设计 王家宁1 系统整体设计为满足钢琴琴弦快速、准确的自动调音,设计一个基于钢琴音频特征的自动调音系统,该系统的核心处理平台选用 DE10-Nano-SoC 型号开发板,开发板采用 ARM Cortex A9 双核处理器和 SoC FPGA 芯片,并结合各硬件功能模块和软件功能模块,通过无线通信与 Android智能手机进行连接,从而实现共享钢琴的自动调音和无线控制4。系统结构如图 1 所示。图 1 系统结构系统包括硬件部分和软件部分,硬件部分负责信息采集、自动调弦、语音播报和无线通信;软件部分则包括端点检测、音高检测、电机控制和无线通信程序设计。2 系统功能设计2.1 硬件方案设计2.1.1 系统硬件框架设计 系统硬件选择 DE10-Nano-SoC 开发板和 ARM+FPGA 的 SoC 的架构进行设计,硬件部分包括音频采集模块、调弦控制模块、语音播报模块和网络通信模块四个部分,系统硬件结构展示如图 2 所示。图 2 系统硬件结构采用拾音器进行音频信号采集后,将采集信号传输至 HPS 端进行声音数据处理;然后利用无线网络与手机端进行通信,从而实钢琴调弦控制和语音播报显示5。2.1.2 音频采集模块音频采集模块主要分为拾音器和音频采集电路,根据钢琴音频信号特征,选择 WM8731 型号电路换芯片。其电路原理如图 3 所示。图 3 WM8731 芯片电路原理该电路中,系统采样频率设置为 44.1 kHz。2.1.3 调弦控制模块调弦控制模块可实现钢琴调音精度控制。该模块主要分为电机和电机驱动电路,为提高系统调音精度,选用控制精度高,负载能力小的 42HB47PL010R 型 42减速步进电机作为调弦模块的主要元件6。可满足系统高精度调音控制需求。步进电机驱动电路芯片选择具有保护机制、稳定性和可靠性强的 DRV8825 型号控制芯片,其可驱动步进电机进行正常工作。该型号电机电路原理如图 4 所示。图 4 DRV8825 芯片电路原理2.1.4 语音播报模块为提升共享钢琴自动调音系统的人机交互效果,将在系统中加入语音播报模块。通过此模块对用户进行琴弦调音过程中和调音结束时进行语音播报,帮助用户了解调音琴弦序号和当前调音状态7。该模块主要分为语音播报和扬声器部分。语音播报模块选择 RX-MP3-TF 型号芯片,该模块中含有 SD 卡槽,能够提前将待播放音频文件置入 SD 卡中,利用 FPGA 端设计相应的 IP 控制语音播报模块。2.1.5 网络通信模块根据 系 统 设 计 需 求,系 统 HPS 端 选 择 Micrel KSZ9021RN PHY 芯片和以太网 MAC 进行以太网传输,并选用 TP-LINK WR710N 无线路由器与 SoC 主控板HPS 端进行连接,并分别在嵌入式端和手机端进行程序编写,以实现无线网络通信和两端数据交互。2.2 软件设计2.2.1 软件整体设计系统软件包括嵌入式端和手机端部分,整体结构如图 5 所示。由图 5 可知,系统软件的嵌入式端主要包括端点检测、音高检测、电机控制和网络通信模块,通过四个功能模块的合作可实现共享钢琴的快速、准确地自动调音8。手机端软件设计可实现用户对调音系统进行功能选择和频率信息查看,帮助用户实时了解调音系统运行状态。371自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)图 5 系统软件设计框架2.2.2 嵌入式端程序控制设计共享钢琴自动调音系统中,嵌入式端的程序设计主要分为四个部分,具体流程如图 6 所示。图 6 嵌入式端系统自动调音流程系统获取共享钢琴弹奏的声音数据后,即可根据获取语音信号频谱特征进行端点和音高检测,通过获得当前音高与目标音高间的差值对电机进行控制,以实现音高调节9。2.2.3 端点检测端点检测的基本原理是对钢琴弦音和非弦音进行准确区分,端点检测具体步骤如下:(1)预处理,数据预处理即消除原始数据中的噪音等干扰信息,确定分帧帧长。为提升系统调音准确率,根据共享钢琴目标音高对应频率信号,将设置适宜的帧长。若待识别信号 x n()的目标音高对应频率表示为 fi,则可计算出帧长 Li:Li=0.068fs,fiT,则认为此段信号为弦音,反之则为非弦音。若信号前十帧短时平均幅度平均值表示为 Mave,则门限值可表示为:T=Mave(3)式(3)中,表示为经验值。由于传统的短时平均幅度端点检测方法设置的门限值参数过于固定,无法根据环境变化而变化,从而导致该方法无法准确地对语音段和弦音段进行区分11。因此,提出对传统端点检测方法从两个方面进行改进。(1)根据弦音特点确定弦音起始与终止门限将信号初始噪声特征值 T 与弦音统计门限 Ts相结合,计算出弦音起始门限 Ts。根据弦音衰减特性,采用Ts乘以一个适宜的衰减系数得到弦音结束门限 Te,则Ts和 Te的表达式为:Ts=Ts+T(4)Te=Ts(5)上式中,和 均表示经验值12。(2)动态更新门限动态更新 Ts和 Te,更新后的 Ts和 Te表达式为:Ts=Ts+Mi-T2(6)Te=Ts(7)上式中,和 均表示经验值,Mi表示负荷系统需求的非