CN103544945B - 便携式压电陶瓷乐器识音系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式压电陶瓷乐器识音系统，为解决现有设备不方便携带问题，其包括压电陶瓷识音装置和安装有识音软件的智能手机；压电陶瓷识音装置的输出端通过导线或者无线传输方式与智能手机相连。识音软件主要由通讯模块、快速傅里叶变换模块、音调识别模块、常见乐器音调标准频率库、音调评价模块和用户介面组成；内置的乐器音调存储在手机中的常见乐器音调标准频率库内。识音软件用于分析压电陶瓷识音装置采集的电信号，并与内置的乐器音调进行匹配，同时还会评价乐器音调的精确度。压电陶瓷识音装置由压电陶瓷、触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块和电源模组组成。其具有方便携带、能够自动评判常见乐器发出的乐音音调的优点。有了它，人们就可以方便快捷的在演奏前，对乐器的基本音调进行精确的调试。

Description

便携式压电陶瓷乐器识音系统

技术领域

本发明涉及一种识音设备，特别是涉及一种便携式压电陶瓷乐器识音系统。

背景技术

在当今人类的生活中，乐器的普及范围越来越广，人们对乐器的需求越来越高，由此衍生出的新兴职业与科学技术也越来越多。为了满足人们对乐器音调及音色的识别需求，历史上出现过音叉工具。而随着科学技术水平的提高，各种各样的电子乐音音调辨别技术也在日趋发展，例如，市面上销售的吉他拾音器、唱片播放器等，就是通过电磁技术，将乐音的音调、音色等进行准确表达。但是，现有识音设备普遍存在的不方便便携带的问题。

压电陶瓷是一种人工制造的具有压电效应的多晶压电材料。在受到外力而产生拉伸或压缩时，压电陶瓷的内部会产生极化现象，使材料相对的两个表面出现等量异号电荷，外力越大，则表面电荷越多，这种效应一般称为正压电效应，表面电荷的符号视外力的方向而定。而当这些材料遇到电场时，则会产生机械形变，如果是交变电场，则会交替出现伸长或压缩，即发生机械振动，这种现象称之为逆压电效应。

发明内容

本发明目的在于提供一种方便携带、能够自动评判常见乐器发出的乐音音调的便携式压电陶瓷乐器识音系统。有了它，人们就可以方便快捷的在演奏前，对乐器的基本音调进行精确的调试，而不需要依靠其它笨拙的装置或个人经验来调音。

为实现上述目的，本发明便携式的压电陶瓷乐器识音系统包括压电陶瓷识音装置和安装有识音软件的智能手机；所述压电陶瓷识音装置的输出端通过导线或者无线传输方式与所述智能手机相连。该发明的主要功能包括两个方面，一是自动乐器音调识别，二是音调误差评价。弹奏者只需简单将压电陶瓷识音装置粘贴在乐器的共振箱上，另一端则通过线缆或者无线的方式连接到智能手机上，就可以打开乐器识音手机软件进行识音、调音，非常方便。当弹奏者拨动一个音调时，压电陶瓷识音装置的会检测到压电陶瓷产生的电信号，并放大、消除噪音，将模拟信号转换成数字信号，然后传输给智能手机上的乐器识音手机软件。通过比对数字信号的测得频率和内置的标准频率，就可以自动识别出当前乐器所弹奏的音调，并通过音调评价模块给出具体的评价指数，这样就可以指导弹奏者对该音调进行适当的微调，直到满意为止。具有方便携带、能够自动评判常见乐器发出的乐音音调的优点。

作为优化，所述识音软件用于分析压电陶瓷识音装置采集的电信号，并与内置的乐器音调进行匹配，同时还会评价乐器音调的精确度。

作为优化，所述识音软件主要由通讯模块、快速傅里叶变换模块、音调识别模块、常见乐器音调标准频率库、音调评价模块和用户介面组成；所述内置的乐器音调存储在手机中的常见乐器音调标准频率库内。

作为优化，所述通讯模块用于实现与压电陶瓷识音装置交互、传递采集的数字信号；所述快速傅里叶变换模块用于计算数字信号的频谱，从而能够测得输入信号的频率；所述常见乐器音调标准频率库储存的是软件内置的多种常见乐器音调的标准频率；所述音调识别模块采用就近原则，匹配经过快速傅里叶变换测得的频率，以及内置的标准频率库，从而可以方便的识别当前乐器弹奏的音调；所述音调评价模块用于对测得频率与标准频率之间存在误差的程度进行评价；所述用户介面用于实现软件系统与操作者之间的交互和信息交换。常见乐器能够发出的所有乐音音调的频率是不连续的，每两个相邻乐音音调之间存在一定的频率差。为了能够让常见乐器发出的声音，都可被压电陶瓷所发出的电信号频率反映并识别，采用“就近原则”，即选取与测得频率最相近的标准频率所对应的音调作为测得音调，并对两者之间的误差进行评价。

作为优化，以所述存在误差程度进行评价指导弹奏者对乐器进行精确的调音，只有当误差小到一定程度的时候，软件才会提示调音完成。评价体系采用简单的表格形式，例如当吉他C音调的误差大于10HZ时，评价为差，10HZ-5HZ时，评价为中等，小于5HZ时，评价为好；所述通讯模块用于实现与压电陶瓷识音装置的数据传输模块交互、传递采集的数字信号。

作为优化，所述压电陶瓷识音装置由压电陶瓷、触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块和电源模组组成；所述压电陶瓷用于粘贴到乐器上，将乐器的声音振动转换成电信号；当压电陶瓷产生电信号后，会引起触发电路以及后面的模块开始工作；所述功率放大模块用于放大压电陶瓷产生的微弱电信号；所述噪音消除模块采用低通滤波的方式来消除噪音；模数转换模块用于将模拟的电信号转换成方便传输和软件处理的数字信号；所述数据传输模块用于将数字信号通过线缆或者无线的方式传输给智能手机；所述电源模组用于向除了压电陶瓷以外其它所有模块提供电源驱动。

作为优化，所述压电陶瓷、触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块依次相连；所述电源模组通过供电线路分别与触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块相连；所述数据传输模块通过无线传输方式与所述智能手机相连或者通过数据线与所述智能手机信号输入端相连。

作为优化，所述压电陶瓷为由两面外层和中间层组成的三层结构。

作为优化，所述两面外层为正极、中间层为负极，所述两极分别接连接通所述触发电路的两根导线。

作为优化，所述压电陶瓷配有用于临时固定在乐器共振部分或者共振区域的固定机构。所述固定机构为不干胶粘贴。

本系统充分利用了目前普及的智能手机，由软硬件两部分组成：硬件部分称为压电陶瓷识音装置，在使用时，它会被粘贴在乐器上，通常是共振箱的位置；软件部分为安装在智能手机上的软件，它用于分析压电陶瓷识音装置采集的电信号，并与内置的乐器音调进行匹配，同时还会评价乐器音调的精确度。

当弹奏者拨动一个音调时，压电陶瓷识音装置的触发电路会检测到压电陶瓷产生的电信号，并启动功率放大、噪音消除等模块，将模拟信号转换成数字信号，然后传输给智能手机上的乐器识音手机软件。通过比对数字信号的测得频率和内置的标准频率，就可以自动识别出当前乐器所弹奏的音调，并通过音调评价模块给出具体的评价指数，这样就可以指导弹奏者对该音调进行适当的微调，直到满意为止。

采用上述技术方案后，本发明便携式压电陶瓷乐器识音系统具有方便携带、能够自动评判常见乐器发出的乐音音调的优点。有了它，人们就可以方便快捷的在演奏前，对乐器的基本音调进行精确的调试，而不需要依靠其它笨拙的装置或个人经验来调。

附图说明

图1是本发明便携式压电陶瓷乐器识音系统使用状态的结构示意图；

图2是本发明便携式压电陶瓷乐器识音系统中压电陶瓷识音装置的结构原理示意图；

图3是本发明便携式压电陶瓷乐器识音系统中的软件原理示意图；

图4-5是本发明便携式压电陶瓷乐器识音系统用于民谣吉它其中一根弦识音所获得的C、E音调波形图；

图6-7是本发明便携式的压电陶瓷乐器识音系统用于民谣吉它其中一根弦识音所获得的C、E音调频率图。

具体实施方式

如图所示，本发明便携式的压电陶瓷乐器识音系统包括压电陶瓷识音装置1和安装有识音软件的智能手机2；所述压电陶瓷识音装置1的输出端通过导线或者无线传输方式与所述智能手机2相连。本系统充分利用了目前普及的智能手机，由软硬件两部分组成：硬件部分称为压电陶瓷识音装置，在使用时，它会被粘贴在乐器上，通常是共振箱的位置；软件部分为安装在智能手机上的软件，它用于分析压电陶瓷识音装置采集的电信号，并与内置的乐器音调进行匹配，同时还会评价乐器音调的精确度。

所述识音软件用于分析压电陶瓷识音装置1采集的电信号，并与存储在手机中的常见乐器音调标准频率库内的内置乐器音调进行匹配，同时还会评价乐器音调的精确度。所述识音软件主要由通讯模块、快速傅里叶变换模块、音调识别模块、常见乐器音调标准频率库、音调评价模块和用户介面组成。所述通讯模块用于实现与压电陶瓷识音装置的数据传输模块交互，传递采集的数字信号；所述快速傅里叶变换模块用于计算数字信号的频谱，从而能够测得输入信号的频率；所述常见乐器音调标准频率库是软件内置的多种常见乐器音调的标准频率，例如前面提到过的吉他C大调音阶标准频率；所述音调识别模块采用就近原则，匹配经过快速傅里叶变换测得的频率，以及内置的标准频率库，从而可以方便的识别当前乐器弹奏的音调；所述音调评价模块用于对测得频率与标准频率之间存在误差的程度进行评价；以所述存在误差程度进行评价指导弹奏者对乐器进行精确的调音，只有当误差小到一定程度的时候，软件才会提示调音完成。评价体系采用简单的表格形式，例如当吉他C音调的误差大于10HZ时，评价为差，10HZ-5HZ时，评价为中等，小于5HZ时，评价为好。所述用户介面用于实现软件系统与操作者之间的交互和信息交换。

所述压电陶瓷识音装置1由配有用于临时固定在乐器3共振部分(或者共振区域)不干胶粘贴的压电陶瓷、触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块和电源模组组成；所述压电陶瓷用于粘贴到乐器3上，将乐器的声音振动转换成电信号；当压电陶瓷产生电信号后，会引起触发电路以及后面的模块开始工作；所述功率放大模块用于放大压电陶瓷产生的微弱电信号；所述噪音消除模块采用低通滤波的方式来消除噪音；模数转换模块用于将模拟的电信号转换成方便传输和软件处理的数字信号；所述数据传输模块用于将数字信号通过线缆或者无线的方式传输给智能手机2；所述电源模组用于向除了压电陶瓷以外其它所有模块提供电源驱动。

所述压电陶瓷、触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块依次相连；所述电源模组通过供电线路分别与触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块相连；所述数据传输模块通过无线传输方式与所述智能手机相连或者通过数据线与所述智能手机信号输入端相连。

所述压电陶瓷为由两面外层和中间层组成的三层结构。所述两面外层为正极、中间层为负极，所述两极分别接连接通所述触发电路的两根导线。具体可以为PZT5H压电陶瓷。

图2为压电陶瓷识音装置的结构，从左到右依次为

压电陶瓷：和前面做的实验一样，会有一片压电陶瓷粘贴到乐器上，从而将乐器的声音振动转换成电信号；

触发电路：当压电陶瓷产生了电信号后，会引起触发电路以及后面的模块开始工作，这样做的目的是为了节省电力，以及减少与智能手机的通讯量；

功率放大模块：压电陶瓷只能产生微弱的电信号，必须首先将其功率放大，才能进行后续的处理；

噪音消除模块：噪音无处不在，尤其是功率放大之后，噪音更加明显，必须要将其消除，才能提高音调识别的准确率，这里我们采用低通滤波的方式来消除噪音；

模数转换模块：将模拟的电信号转换成方便传输和软件处理的数字信号；

数据传输模块：将数字信号通过线缆或者无线的方式传输给智能手机。

另外，除了压电陶瓷不需要电源外，其它所有的模块都需要通过电源模组进行驱动。

图3为乐器识音手机软件的结构，具体如下

通讯模块：与压电陶瓷识音装置的数据传输模块交互，传递采集的数字信号；

快速傅里叶变换模块：该模块计算数字信号的频谱，从而能够测得输入信号的频率；

常见乐器音调标准频率库：软件内置了多种常见乐器音调的标准频率，例如前面提到过的吉他C大调音阶标准频率；

音调识别模块：采用就近原则，匹配经过快速傅里叶变换测得的频率，以及内置的标准频率库，从而可以方便的识别当前乐器弹奏的音调；

音调评价模块：由于测得频率与标准频率之间往往会存在一定的误差，陔模块会对这种误差的程度进行评价，以此来指导弹奏者对乐器进行精确的调音，只有当误差小到一定程度的时候，软件才会提示调音完成，评价体系采用简单的表格形式，例如当吉他C音调的误差大于10HZ时，评价为差，10HZ-5HZ时，评价为中等，小于5HZ时，评价为好；

用户界面。

该发明的主要功能包括两个方面，一是自动乐器音调识别，二是音调误差评价。弹奏者只需简单将压电陶瓷识音装置粘贴在乐器的共振箱上，另一端则通过线缆或者无线的方式连接到智能手机上，就可以打开乐器识音手机软件进行识音、调音，非常方便。

当弹奏者拨动一个音调时，压电陶瓷识音装置的触发电路会检测到压电陶瓷产生的电信号，并启动功率放大、噪音消除等模块，将模拟信号转换成数字信号，然后传输给智能手机上的乐器识音手机软件。通过比对数字信号的测得频率和内置的标准频率，就可以自动识别出当前乐器所弹奏的音调，并通过音调评价模块给出具体的评价指数，这样就可以指导弹奏者对该音调进行适当的微调，直到满意为止。

为了能更好的说明本发明的基本原理，我们用吉他C大调音阶的波形实验来介绍。

本实验使用民谣吉他上的六根弦作为乐音的声源，弹奏者通过拨弦获得不同音调的乐音。所选取的声源已进行过精确的调音，能准确发出C大调音阶中从C到B的七个音。将压电陶瓷识音装置的压电陶瓷粘贴在吉他的共鸣箱内部。

本实验采集了在一根弦上弹奏C大调音阶时，智能手机所显示的压电陶瓷电信号波形。实验时，每次弹奏后立刻将所述安装有识音软件的智能手机定格。图4-5给出了部分具有代表性的音调波形。图6-7显示的就是压电陶瓷所发出的电信号频谱。

下表为采用快速傅里叶变换测得的C大调音阶频率和国际标准音高频率之间的比对。可以看到，所有测得的数据与标准频率之间的误差都在10HZ以内。所述快速傅里叶变换是离散傅里叶变换的快速算法，也可用于计算离散傅里叶变换的逆变换。快速傅里叶变换有广泛的应用，如数字信号处理、计算大整数乘法、求解偏微分方程等。快速傅里叶变换是可以观察信号的频谱。

测得频率和国际标准音高频率比对(HZ)

音调	测得频率	国际标准音高频率	误差绝对值
				C	260.4	261.63	1.23
D	298.3	293.66	4.64
				E	333.3	329.63	3.67
F	357.1	349.63	7.47
				G	384.6	392.00	7.40
A	434.5	440.00	5.50
				B	500.0	493.88	6.12

事实上，常见乐器能够发出的所有乐音音调的频率是不连续的，每两个相邻乐音音调之间存在一定的频率差。为了能够让常见乐器发出的声音，都可被压电陶瓷所发出的电信号频率反映并识别，我们采用了“就近原则”，即选取与测得频率最相近的标准频率所对应的音调作为测得音调，并对两者之间的误差进行评价。

下表列出了七个待识别的音调，以及分别相邻的前后两个音调，根据国际标准音高频率转换表，将它们与测得的音调频率求差，并取绝对值，再根据就近原则识别音调。以C音调的测得频率为例，它与B(低八度)和升C(降D)标准频率之间的误差绝对值分别为13.46HZ和16.78HZ，远大于其与自身标准频率之间的误差绝对值1.23HZ。也就是说，基于就近原则的压电陶瓷是可以用来识别常见乐器的音调的。

音调识别(HZ)

Claims (7)

1.一种便携式压电陶瓷乐器识音系统，其特征在于包括压电陶瓷识音装置和安装有识音软件的智能手机；所述压电陶瓷识音装置的输出端通过导线或者无线传输方式与所述智能手机相连；

所述识音软件用于分析压电陶瓷识音装置采集的电信号，并与内置的乐器音调进行匹配，同时还会评价乐器音调的精确度；

所述识音软件主要由通讯模块、快速傅里叶变换模块、音调识别模块、常见乐器音调标准频率库、音调评价模块和用户介面组成；所述内置的乐器音调存储在手机中的常见乐器音调标准频率库内；

所述通讯模块用于实现与压电陶瓷识音装置交互、传递采集的数字信号；所述快速傅里叶变换模块用于计算数字信号的频谱，从而能够测得输入信号的频率；所述常见乐器音调标准频率库储存的是软件内置的多种常见乐器音调的标准频率；所述音调识别模块采用就近原则，匹配经过快速傅里叶变换测得的频率，以及内置的标准频率库，从而可以方便的识别当前乐器弹奏的音调；所述音调评价模块用于对测得频率与标准频率之间存在误差的程度进行评价；所述用户介面用于实现软件系统与操作者之间的交互和信息交换。

2.根据权利要求1所述识音系统，其特征在于以所述存在误差程度进行评价指导弹奏者对乐器进行精确的调音，只有当误差小到一定程度的时候，软件才会提示调音完成；所述通讯模块用于实现与压电陶瓷识音装置的数据传输模块交互、传递采集的数字信号。

3.根据权利要求1所述识音系统，其特征在于所述压电陶瓷识音装置由压电陶瓷、触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块和电源模组组成；所述压电陶瓷用于粘贴到乐器上，将乐器的声音振动转换成电信号；当压电陶瓷产生电信号后，会引起触发电路以及后面的模块开始工作；所述功率放大模块用于放大压电陶瓷产生的微弱电信号；所述噪音消除模块采用低通滤波的方式来消除噪音；模数转换模块用于将模拟的电信号转换成方便传输和软件处理的数字信号；所述数据传输模块用于将数字信号通过线缆或者无线的方式传输给智能手机；所述电源模组用于向除了压电陶瓷以外其它所有模块提供电源驱动。

4.根据权利要求3所述识音系统，其特征在于所述压电陶瓷、触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块依次相连；所述电源模组通过供电线路分别与触发电路、功率放大模块、噪音消除模块、模数转换模块、数据传输模块相连；所述数据传输模块通过无线传输方式与所述智能手机相连或者通过数据线与所述智能手机信号输入端相连。

5.根据权利要求4所述识音系统，其特征在于所述压电陶瓷为由两面外层和中间层组成的三层结构。

6.根据权利要求5所述识音系统，其特征在于所述两面外层为正极、中间层为负极，所述两极分别接连接通所述触发电路的两根导线。

7.根据权利要求3-6任一所述识音系统，其特征在于所述压电陶瓷配有用于临时固定在乐器共振部分或者共振区域的固定机构。