TWI643183B - Scale recognition module - Google Patents

Abstract

一種音階辨識模組包含一電路載板、一麥克風單元及一微處理單元。該麥克風單元設置於該電路載板，且接收一第一聲音信號及一第二聲音信號，並輸出一相關於該第一聲音信號與該第二聲音信號的電信號。該微處理單元設置於該電路載板且與該麥克風單元電連接。該微處理單元接收該電信號且對該電信號進行傅立葉轉換以獲得一相關於該第一聲音信號的基頻的第一音高及一相關於該第二聲音信號的基頻的第二音高，並比較該第一音高與該第二音高。當該微處理單元判斷該第一音高與該第二音高相同時，該微處理單元輸出一相關於該第一音高的音名的音階信號。

Description

音階辨識模組

本發明是有關於一種辨識模組，特別是指一種音階辨識模組。

一般來說，具有某一特定頻率且可被人耳所感知的聲音稱為一音高（pitch），為了使該音高具有再現性，不同的音高又各自有特定的命名，此命名即為音名（pitch name），例如：基頻為262 Hz的聲音的音名為C或Do、基頻為330 Hz的聲音的音名為E或Mi、基頻為440 Hz的聲音的音名為A或La，諸如此類。另外，若是不間斷地連續奏出或發出數個不同的音高，則可稱為一音階（scale），是構成音樂的基本要素。

現有如TW發明專利證書號第I229845號所揭示的一種電子樂譜裝置，該電子樂譜裝置包括一麥克風（microphone）、一聲音辨識單元及一微處理單元。該麥克風接收聲音後，由該聲音辨識單元進行音頻辨識，接著輸出一音符至該微處理單元與一樂譜進行比對，以便找出該音符在該樂譜中對應記載的位置。

然而，該電子樂譜裝置僅適用於辨識單一聲源所發出的聲音，也就是只能辨識出單一聲源所依序發出的音高，卻無法在多聲源的情況下，例如兩支樂器合奏時，成功辨識出音階，原因在於：聲音為空氣振動波，若兩個聲源同時發出聲音，由該麥克風接收後，該聲音辨識單元將會無法判斷應該輸出哪個聲源的基頻（音高）去對應該樂譜的資料。

因此，本發明的目的，即在提供一種能在複數樂器合奏時進行音階辨識的音階辨識模組。

於是，本發明音階辨識模組包含一電路載板、一麥克風單元及一微處理單元。

該麥克風單元設置於該電路載板。該麥克風單元接收一第一聲音信號及一第二聲音信號，並輸出一相關於該第一聲音信號與該第二聲音信號的電信號。

該微處理單元設置於該電路載板且與該麥克風單元電連接。該微處理單元接收該電信號且對該電信號進行傅立葉轉換以獲得一相關於該第一聲音信號的基頻的第一音高及一相關於該第二聲音信號的基頻的第二音高，並比較該第一音高與該第二音高。當該微處理單元判斷該第一音高與該第二音高相同時，該微處理單元輸出一相關於該第一音高的音名的音階信號。

於是，本發明音階辨識模組包含一電路載板、一麥克風單元及一微處理單元。

該麥克風單元設置於該電路載板。該麥克風單元接收一第一聲音信號，並輸出一相關於該第一聲音信號的電信號。

該微處理單元設置於該電路載板且與該麥克風單元電連接。該微處理單元接收該電信號且對該電信號進行傅立葉轉換以獲得一相關於該第一聲音信號的基頻的第一音高，並輸出一相關於該第一音高的音名的音階信號。

本發明的功效在於：利用該微處理單元對相關於該第一聲音信號的基頻的該第一音高及相關於該第二聲音信號的基頻的該第二音高進行比較，且只有在該第一音高及該第二音高實質上相同時，該微處理單元才會輸出該音階信號，如此一來，就能避免多個樂器合奏時，該微處理單元識別出複數音高卻無法確認何者應該輸出的混亂情形。此外，由於只有在該第一音高與該第二音高相同時，該微處理單元才會輸出該音階信號，因此該音頻辨識模組實質上也具有確認複數合奏的樂器所發出的音調是否相同的功能。

參閱圖1，為本發明音階辨識模組的一實施例，該音階辨識模組包含一電路載板1、一麥克風單元2、一微處理單元3、一指示燈單元4，及一無線傳輸單元5。

在本實施例中，該電路載板1是一多層印刷電路板（multilayer printed circuit board, multilayer PCB），但不以此為限。

該麥克風單元2設置於該電路載板1。在本實施例中，該麥克風單元2包括一微機電（microelectromechanical system, MEMS）麥克風21，及一與該微機電麥克風21電連接的運算放大器22（operational amplifier, OPA）。

該微處理單元3設置於該電路載板1且與該麥克風單元2的運算放大器22電連接。在本實施例中，該微處理單元3包括一與該運算放大器22電連接的類比數位轉換器31（analog-to-digital converter, ADC）、一與該類比數位轉換器31電連接的數位信號處理器32（digital signal processor, DSP）、一與該數位信號處理器32電連接的記憶體組33，及一與該數位信號處理器32電連接的傳輸介面組34。

該指示燈單元4設置於該電路載板1且與該微處理單元3的傳輸介面組34電連接。在本實施例中，該指示燈單元4包括一與該傳輸介面組34電連接的驅動電路組41，及一與該驅動電路組41電連接的發光二極體（light-emitting diode, LED）組42。該發光二極體組42具有兩個三原色發光二極體421（RGB LED）。可以理解的是，在本實施例中該等三原色發光二極體421的數目雖然是兩個，但並不限於此，其數目也可以是一個或兩個以上。

該無線傳輸單元5設置於該電路載板1且與該微處理單元3的傳輸介面組34電連接。在本實施例中，該無線傳輸單元5是一藍牙（Bluetooth）系統單晶片（system-on-chip, SoC）組，但不限於此。

要說明的是，在本實施例中，由於該麥克風單元2、該微處理單元3與該無線傳輸單元5皆採用微型化積體電路（miniature integrated circuits），並搭配高密度、多層佈線的該電路載板1，使該音階辨識模組的整體尺寸並不會大於一常見的杯墊。

參閱圖1與圖2，本發明音階辨識模組的運作流程詳述於後。要說明的是，在此僅以兩個聲源或樂器合奏時的情形為例，在實際應用上，該音階辨識模組也可以在兩個以上的聲源或樂器同時發出聲音的情形下進行音階辨識。

首先，當該等聲源或樂器同時發出聲音時，該麥克風單元2的微機電麥克風21同時接收到一來自其中一聲源的第一聲音信號及一來自另一聲源的第二聲音信號（步驟S1），並輸出一相關於該第一聲音信號與該第二聲音信號的電壓信號（步驟S2）。該運算放大器22接收且放大該電壓信號的振幅（amplitude），並輸出一相關於該電壓信號的電信號（步驟S3）。

接著，該微處理單元3的類比數位轉換器31接收該電信號，並將該電信號轉換為一相關於該電信號的數位信號後輸出（步驟S4）。該數位信號處理器32接收該數位信號且對該數位信號進行傅立葉轉換（Fourier transform）以獲得一相關於該第一聲音信號的基頻的第一音高及一相關於該第二聲音信號的基頻的第二音高（步驟S5），並比較該第一音高與該第二音高是否相同（步驟S6）。

要說明的是，在該數位信號處理器32判斷該第一音高與該第二音高是否相同的判定條件中，可設定一誤差容許值。舉例來說，假設該第一音高及該第二音高的基頻分別為261.6 Hz及262.2 Hz，若設定該誤差容許值為1 Hz，則該數位信號處理器32會判斷該第一音高及該第二音高為相同；若設定該誤差容許值為0.5 Hz，則該數位信號處理器會判斷該第一音高及該第二音高並不相同。

所以，當該數位信號處理器32判斷該第一音高與該第二音高實質上相同時（即基頻的差值未超出該誤差容許值），該數位信號處理器32輸出一相關於該第一音高的音名的音階信號。其中，該音階信號可以表示出至少以下七種音高的音名：C（Do）、D（Re）、E（Mi）、F（Fa）、G（Sol）、A（La）、B（Si）。

該記憶體組33接收並儲存該音階信號，以讓該數位信號處理器32可隨時讀取該音階信號。該傳輸介面組34接收該音階信號，並將該音階信號輸出至該指示燈單元4及該無線傳輸單元5。

最後，該指示燈單元4的驅動電路組41接收該音階信號，並根據該音階信號所表示的不同音名去驅動該發光二極體組42的該等三原色發光二極體421發出特定顏色的光線（步驟S71）。舉例來說，若該音階信號表示音名為C（Do），則該等三原色發光二極體421發出紅色光；若該音階信號表示音名為D（Re），則該等三原色發光二極體421發出橙色光；若該音階信號表示音名為B（Si），則該等三原色發光二極體421發出紫色光，以此類推。

同時，該無線傳輸單元5也將該音階信號透過藍牙的無線傳輸技術發送至其他裝置（步驟S72），例如：手機、個人電腦等電子裝置，可配合行動應用程式（mobile apps）或電腦軟體執行後續應用，如節奏訓練、旋律編排等功能。

可以理解的是，該音階辨識模組同樣也能用於辨識單一聲源或單一樂器所發出的聲音，運作流程如圖3所示，於此不再贅述。

經由以上的說明，可再將本發明的優點歸納如下：

一、本發明利用該微處理單元3的數位信號處理器32對分別來自兩個聲源或樂器的該第一音高與該第二音高進行比較，且只有在該第一音高及該第二音高實質上相同時，該微處理單元3才會輸出該音階信號，相較於現有的電子樂譜裝置，本發明能避免當多個樂器合奏時，縱使該微處理單元3識別出數個音高，卻無法確認應該輸出何者作為該音階信號的混亂情形。

二、本發明僅在該第一音高與該第二音高被該數位信號處理器32判定為相同時，該微處理單元3才會輸出該音階信號，相較於現有的電子樂譜裝置，本發明具有確認複數合奏的樂器所發出的音調是否在誤差容許的範圍內的功能。

三、本發明藉由該麥克風單元2、該微處理單元3與該無線傳輸單元5皆採用微型化積體電路，並搭配高密度且多層佈線的該電路載板1，相較於現有的電子樂譜裝置，本發明的整體尺寸相對縮小很多，便於隨身攜帶及隨處使用。

綜上所述，本發明音階辨識模組不僅能在複數樂器合奏時進行音階辨識，還能比對多個樂器所發出的音調是否相同，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1‧‧‧電路載板

2‧‧‧麥克風單元

21‧‧‧微機電麥克風

22‧‧‧運算放大器

3‧‧‧微處理單元

31‧‧‧類比數位轉換器

32‧‧‧數位信號處理器

33‧‧‧記憶體組

34‧‧‧傳輸介面組

4‧‧‧指示燈單元

41‧‧‧驅動電路組

42‧‧‧發光二極體組

421‧‧‧三原色發光二極體

5‧‧‧無線傳輸單元

S1‧‧‧步驟

S2‧‧‧步驟

S3‧‧‧步驟

S4‧‧‧步驟

S5‧‧‧步驟

S6‧‧‧步驟

S71‧‧‧步驟

S72‧‧‧步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明音階辨識模組的一實施例的一電路方塊圖； 圖2是一流程示意圖，說明該實施例接收到一第一聲音信號及一第二聲音信號時的運作；及 圖3是一類似於圖2的示意圖，說明該實施例只接收到該第一聲音信號時的運作。

Claims (7)

1. 一種音階辨識模組，包含：一電路載板；一麥克風單元，設置於該電路載板，該麥克風單元接收一第一聲音信號及一第二聲音信號，並輸出一相關於該第一聲音信號與該第二聲音信號的電信號；及一微處理單元，設置於該電路載板且與該麥克風單元電連接，該微處理單元接收該電信號且對該電信號進行傅立葉轉換以獲得一相關於該第一聲音信號的基頻的第一音高及一相關於該第二聲音信號的基頻的第二音高，並比較該第一音高與該第二音高，當該微處理單元判斷該第一音高與該第二音高相同時，該微處理單元輸出一相關於該第一音高的音名的音階信號。
2. 如請求項1所述的音階辨識模組，其中，該音階信號可以表示出至少以下七種音高的音名：C(Do)、D(Re)、E(Mi)、F(Fa)、G(Sol)、A(La)、B(Si)。
3. 如請求項2所述的音階辨識模組，還包含一設置於該電路載板且與該微處理單元電連接的指示燈單元，該指示燈單元接收該音階信號，並根據該音階信號所表示的不同音名而對應發出不同顏色的光線。
4. 如請求項3所述的音階辨識模組，還包含一設置於該電路載板且與該微處理單元電連接的無線傳輸單元，該無線傳輸單元將該音階信號透過無線傳輸技術發送至其他裝置。
5. 如請求項4所述的音階辨識模組，其中，該微處理單元包括一與該麥克風單元電連接的類比數位轉換器、一與該類比數位轉換器電連接的數位信號處理器、一與該數位信號處理器電連接的記憶體組，及一與該數位信號處理器電連接的傳輸介面組，該類比數位轉換器接收該電信號並將該電信號轉換為一相關於該電信號的數位信號後輸出，該數位信號處理器接收該數位信號且對該數位信號進行傅立葉轉換以獲得該第一音高及該第二音高，並比較該第一音高與該第二音高，當該數位信號處理器判斷該第一音高與該第二音高相同時，該數位信號處理器輸出該音階信號，該記憶體組接收並儲存該音階信號，該傳輸介面組接收該音階信號並將該音階信號輸出至該指示燈單元及該無線傳輸單元。
6. 如請求項1所述的音階辨識模組，其中，該麥克風單元包括一微機電麥克風，及一與該微機電麥克風電連接的運算放大器，該微機電麥克風接收該第一聲音信號及該第二聲音信號，並輸出一相關於該第一聲音信號與該第二聲音信號的電壓信號，該運算放大器接收且放大該電壓信號的振幅，並輸出相關於該電壓信號的該電信號。
7. 如請求項3所述的音階辨識模組，其中，該指示燈單元包括一與該微處理單元電連接的驅動電路組，及一與該驅動電路組電連接的發光二極體組，該發光二極體組具有至少一三原色發光二極體，該驅動電路組接收該音階信號，並 根據該音階信號驅動該發光二極體組的該至少一三原色發光二極體發出對應音名而具有顏色的光線。