一种乐器音色品质分析方法及相关装置

本发明涉及音色特征评价分析领域，更具体地说，本发明涉及一种乐器音色品质分析方法及相关装置。

背景技术：

1、音乐是全球通用的语言，代表了几千年来的文化发展。音乐研究对于音乐的音质评估非常重要，特别是对中国传统乐器的音质评估。西洋乐器已经建立了一定的音质标准，但中国传统乐器一直缺乏这方面的规范。

2、目前，对中国传统乐器音质的评价主要依赖专家的主观判断，存在一定的主观性和不一致性。因此，需要制定客观的音质评估标准，有助于中国传统音乐在国际上更好地推广，并促进中国传统乐器市场的发展。

3、音色品质的评估指标，是对乐器音质评价的一套系统性群体性共识，是一种相对一致的主观评价，是乐器固有的音质属性，不因演奏者水平或乐曲特点而异。因此需要寻找不同乐器间独有和共有的音色特征。

4、鉴于此，本发明提供种一种乐器音色品质分析方法及相关装置。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的问题，本发明提出一种乐器音色品质分析方法及相关装置，用于解决现有乐器音色品质分析中主观性过强的问题。不同的人们对相同的音色大致评价是一致的，但缺乏一个客观的标准去评判。针对该问题提出了一种基于专家经验模型的音色品质分析系统和方法，能够帮助学者和演奏者更好的确定音色的好坏。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种乐器音色品质分析方法及相关装置，包括以下步骤：

3、将音频信号转换为频域数字信号并归一化，通过泛音列提取算法提取出所属音频信号的目标泛音列信号；

4、依据频域数字信号和目标泛音列信号，通过专家评价模型，计算音色特征结果，所述音色特征结果包括但不限于音色响度特征评价结果、音色聚度特征评价结果、音色和谐度特征评价结果、音色纯净度特征评价结果和音色主响频率特征评价结果；

5、基于音色特征结果输出到显示终端，并以雷达图的形式可视化出来，得出音频信号的音色品质。

6、作为本发明的一种优选方案，将音频信号转换为频域数字信号，包括：

7、在时域内，将所述音频信号转换为模拟信号，将所述模拟信号转换为时域数字信号；

8、将所述时域数字信号依据傅里叶变换，得到频域数字信号；

9、将得到的频域数字信号进行归一化。得到归一化后的频域数字信号；

10、将归一化后频域数字信号进行泛音列提取算法，提取出相应的目标泛音列，其中，第n个目标泛音列按照顺序被称为第n倍频。

11、作为本发明的一种优选方案，音色响度特征评价结果的专家评价模型为：

12、将待测试的目标泛音列信号的最大声压统一调至80db，通过声压计算公式获得待求声压值，声压计算公式为：

13、

14、其中：l为待求声压值，p为信号幅值，p0为设定的声压标准幅值。

15、通过响度-声压计算公式，分别计算出各个倍频下的10组声压和响度的对应关系，再使用三样条插值函数进行插值计算出此时声压条件下的响度值，对于小于0的响度值，将其设为0，得到倍频响度值集合phons。响度-声压计算公式如下：

16、

17、

18、式中:tf、lu，af均为常量。

19、计算ph ons中数值的总和：

20、loudness＝ln(0.036freq)∑phons；

21、其中：ph ons中数值的总和在乐音音高相同的情况下反映响度的相对关系，并对求和所得值进行如下操作，最终得到乐音的音色响度特征评价结果。

22、作为本发明的一种优选方案，音色聚度特征评价结果的专家评价模型为：

23、使用倍频响度集合的方差表示乐音的聚集程度aggregation，基于目标泛音列信号获得ph ons的均值，具体公式为：

24、

25、其中：μ为倍频响度集合phons的均值，σ2为倍频响度集合的方差；

26、这里需要说明的是：乐音的幅值进行了归一化处理，故此处不再对聚度进行归一化处理。

27、作为本发明的一种优选方案，音色和谐度特征评价结果的专家评价模型为：

28、先选取32以内的奇数作为基准，将频率分为不同组别，基准值及其倍数为一组，并计算各组别的不和谐指数：找到小于基准值的最大2的整数次幂，将基准值与之相乘即得不和谐指数；

29、计算各个组别响度之和，记为s＝[s1,s3,s5,…]；

30、用496减去各个组别的不和谐指数，再用所得差值与各个组别响度之和相乘，得到各组的和谐程度评分，最后将各组的和谐程度评分相加，得到乐音的和谐度评估值，具体公式为：

31、

32、式中：xi为基准为i的组别的不和谐指数值，i指的是基准为第i倍频的组别。

33、作为本发明的一种优选方案，音色纯净度特征评价结果的专家评价模型为：

34、对于音频中的杂音，选用除去倍频所在频段之后，频谱中的其他频段的能量总值占全频段能量总值的比例进行表征，记为noise1；

35、对于乐音中的高倍泛音，选择使用24-32倍频的响度之和占所有倍频响度总和的比例进行表征，记为noise2；

36、将0.5倍noise1和noise2相加以表征总噪声值，再用1减去总噪声值得到纯净度表征：

37、purity＝1-(0.5noise1+noise2)；

38、式中：purity为音色纯净度；n为；

39、作为本发明的一种优选方案，音色主响频率特征评价结果的专家评价模型为：

40、将倍频响度集合标记为phons’，其中所有倍频响度集合中所有值之和为1；倍频响度集合对应的倍频频率值f；

41、倍频响度集合对倍频频率值f＝[f1,f2,…]进行加权求和即得主响频率值：

42、

43、其中，i指的是第i倍频，fi即第i倍频的频率值。

44、根据本发明的另一个方面，提供了一种乐器音色品质分析系统，基于一种乐器音色品质分析方法的实现，包括：

45、音频信号采集单元，将音频信号转换为频域数字信号并归一化，通过泛音列提取算法提取出所属音频信号的目标泛音列信号；

46、信号运算控制单元，依据频域数字信号和目标泛音列信号，通过专家评价模型，计算音色特征结果，所述音色特征结果包括但不限于音色响度特征评价结果、音色聚度特征评价结果、音色和谐度特征评价结果、音色纯净度特征评价结果和音色主响频率特征评价结果；

47、结果输出单元，基于音色特征结果输出到显示终端，并以雷达图的形式可视化出来，得出音频信号的音色品质。

48、作为本发明的一种优选方案，还包括数据存储单元，用于存储频域数字信号和目标泛音列信号。

49、根据本发明的又一个方面，提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序执行所述的一种乐器音色品质分析方法。

50、根据本发明的又一个方面，提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的一种乐器音色品质分析方法。

51、本发明一种乐器音色品质分析方法及相关装置的技术效果和优点：

52、本发明旨在将乐器的音色主观评价通过建立模型客观量化出来，使主观的音色评价具有一定的客观标准，以跨学科研究视野为通用的量化音质评价标准提供方法、数据基础。本发明的突出意义在于通过沟通主管和客观评价技术，构建乐器音色品质评价的静、动态特征评估的智能算法，实现音色评估的智能化、人性化。

53、该发明在未来还可以通过建立不同乐器的音色特征数据集，从而用以构建乐器识别算法，或者根据音色的评价品质，指导乐器的生产演奏，实现乐器的进一步改良和创新等目标。又或者从乐器音色拓展到声音音色，对声音的音色品质进行评估。