小提琴音准练习软件设计

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1、小提琴音准练习软件设计　　引言　　音准是小提琴的“灵魂”和“生命”，是小提琴学习过程中最难突破的问题。小提琴与其它乐器不同，没有确定音准的键盘，也没有品位，而是根据演奏者手指按弦的位置决定。传统小提琴音准练习一般都是反复练习音阶，或通过对比钢琴声音，提高人耳的分辨能力，进而帮助练习者判断音准情况。这样的训练方式需要有专业人员实时指导，不断纠正，逐渐提高。对于普通练习者来说，无法保证随时都能够得到指导，只能自己揣摩，经常事倍功半。　　音高是人耳区分声音振动频率高联盟低的一个度量。虽然音高和频率并不成正比关系，但音高与频率仍然有一一对应的

2、关系。小提琴的音高分析即估计每个音的基频。基频估计方法很多，有时域的短时自相关法[1]、短时平均幅度差法，有频域的谐波峰值法[2]，还有时频域的小波分析[3]，各种常用方法比较见参考文献[4]。其中，频域分析方法相对稳定，且精度高。　　本文基于C#编程平台，应用Windows的低级波形音频函数实时采集音乐信号，经离散傅里叶变换后，采用带置信度的谐波峰值法初步估计基频，进而引入插值算法提高基频估计精度。　　1音乐信号采集　　声卡是计算机的一种多媒体设备，可以用Windows的MCI命令来控制声卡。MCI命令提供了一组与设备无关的控制命令

3、，是一种访问多媒体设备的高层方法。利用MCI命令来控制声卡录音时，程序员不能在录音过程中访问内存中的采样数据，无法应用在实时性要求比较高的场合。Windows的低级波形音频函数提供了对声卡的灵活操作，允许在采样过程中实时访问内存中的采样数据。　　采集流程　　使用波形音频函数控制声卡，应遵循以下步骤：①打开波形输入设备；②为波形输入设备准备缓存区；③向波形输入设备添加一个输入缓冲区；④启动波形输入设备，开始录音；⑤录音结束后，清除由waveInPrepareHeader函数准备的缓存区；⑥停止录音；⑦关闭录音设备。　　使用波形音频函数实

4、时录音时，应注意以下两点：　　如果只为波形输入设备准备和添加一个缓冲区，当该缓冲区被采样数据填满后，波形输入设备无缓冲区可用，采样就停止了。所以应至少为波形输入设备准备和添加两个或以上的缓冲区，以保证采样过程的连续性。　　采集的数据格式包括采样频率、采样位数等内容。由于小提琴的音域从g到a4，基频从196Hz到520Hz。由采样定理可知，采样频率应大于最大基频的两倍以上。采样频率越高所记录的音质就越清晰，采集的数据量也越大，本文采用一般声卡设置好的2050Hz的采样频率。采样位数决定了采样信号幅值的精细程度，位数越高，分辨率也越高，数

5、据运算量也越大。为了保证实时分析小提琴的音准，本文采用8位的采样位数。　　消息响应机制　　在Windows中发生的一切都可以用消息来表示，消息用于告诉操作系统发生了什么。所有的Windows应用程序都是消息驱动的，不同的消息由应用程序的不同部分来处理。MFC库将很多底层的消息都屏蔽了，使用户更加方便、简易地处理消息。调用各个低级波形音频函数将产生相应的Windows消息，包括：①MM_WIM_OPEN：表示波形输入设备开启成功，此时可以准备缓冲区，并分配给波形输入设备；②MM_WIM_DATA：表示缓冲区已满，此时应该重新分配缓冲区，

6、处理已经采集到的声音数据；③MM_WIM_CLOSE：表示波形输入设备关闭成功，应当释放缓冲区内存。　　2带置信度的谐波峰值法　　由于小提琴的音域范围较宽，从g到a4，各个音的频谱结构也不尽相同。高音的频谱结构中基频的幅值最大，可以直接应用谐波峰值法估计基频。而低音的频谱结构中幅值最大的可能是二次谐波，直接应用谐波峰值法将导致倍频错误。综合考虑小提琴各个音的频谱结构，本文采用带置信度的谐波峰值法估计基频。　　频谱结构中，幅值最大的峰要么是基频，要么是某次谐波。最大峰对应频率的1/n就是基频，称最大峰对应频率的1/n为“候选基频”，一般

7、n不超过3。　　式中L为候选基音，f-p为最大峰值频率。将某个“候选基频”视作实际基频，其各次谐波的幅值之和称为该“候选基频”作为实际基频的“置信度”。　　式中B为置信度，M为谐波的个数，P表示某次谐波的幅度在所有“候选基频”中。真正基频的各次谐波多，幅值大，相应的“置信度”也大。比较各“候选基频”的“置信度”，最大者对应真正基频。　　3插值算法　　采用谐波峰值法估计基频，如果基频正好在某一谱线上，得到的频率就是准确的。一般情况下，信号频率可能在两条谱线之间，由峰值谱线得到的基频就不准确了，最大偏差由频率的分辨率决定，分辨率Δf=f-

8、s/N=1/T。为了提高分辨率，减少估计误差，只能延长采样时间，但在很多情况下，信号的持续时间有限，难以满足采样时长的要求。采用插值算法可以在原有的采样时间内，提高估计精度[5]。FFT变换的频谱中，信号频率f-0=k-