Arduino音樂(lè)：音符和和弦檢測(cè)器

描述

問(wèn)題：

由于內(nèi)存和處理能力有限，很難在 Arduino 上從音頻信號(hào)中檢測(cè)音符。檢測(cè)精度因儀器而異。有些樂(lè)器（如鋼琴）在有限的范圍內(nèi)是準(zhǔn)確的，而有些樂(lè)器（如口琴）則準(zhǔn)確度較低。

此代碼使用了以前開(kāi)發(fā)的稱(chēng)為 EasyFFT 的 FFT 代碼。鏈接：https ://create.arduino.cc/projecthub/abhilashpatel121/easyfft-fast-fourier-transform-fft-for-arduino-9d2677

音符檢測(cè)算法

如上一步所述，由于音頻樣本中存在多個(gè)頻率，因此檢測(cè)很困難。

該程序按以下流程工作：

1、數(shù)據(jù)采集：

- 本部分從音頻數(shù)據(jù)中提取 128 個(gè)樣本，兩個(gè)樣本之間的間隔（采樣頻率）取決于感興趣的頻率。在這種情況下，我們使用兩個(gè)樣本之間的間距來(lái)應(yīng)用 Hann 窗函數(shù)以及振幅/RMS 計(jì)算。此代碼還通過(guò)從 analogread 值中減去 500 來(lái)進(jìn)行粗調(diào)歸零。如果需要，可以更改此值。對(duì)于典型情況，這些值運(yùn)行良好。此外，需要添加一些延遲以獲得大約 1200Hz 的采樣頻率。在1200Hz采樣頻率的情況下最大可以檢測(cè)到600HZ的頻率。

for(int i=0;i<128;i++)
          {
            a=analogRead(Mic_pin)-500;     //rough zero shift
            sum1=sum1+a;              //to average value
            sum2=sum2+a*a;            // to RMS value
            a=a*(sin(i*3.14/128)*sin(i*3.14/128));   // Hann window
            in[i]=4*a;                // scaling for float to int conversion
            delayMicroseconds(195);   // based on operation frequency range
          }

2.快速傅里葉變換：

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，將使用EasyFFT執(zhí)行 FFT 。此 EasyFFT 函數(shù)已修改為固定 128 個(gè)樣本的 FFT。還修改了代碼以減少內(nèi)存消耗。原來(lái)的 EasyFFT 函數(shù)設(shè)計(jì)為最多 1028 個(gè)樣本（使用兼容板），而我們只需要 128 個(gè)樣本。與原始 EasyFFT 函數(shù)相比，此代碼減少了大約 20% 的內(nèi)存消耗。

FFT 完成后，代碼會(huì)返回前 5 個(gè)最主要的頻率峰值以供進(jìn)一步分析。該頻率按振幅降序排列。

3.音符檢測(cè)：對(duì)于每個(gè)峰，代碼檢測(cè)可能與之關(guān)聯(lián)的音符。此代碼最多只能掃描 1200 Hz。不必注意與最大幅度相同的頻率。

所有頻率都映射在 0 到 255 之間，

這里檢測(cè)到第一個(gè)八度，例如，65.4 Hz 到 130.8 代表一個(gè)八度，130.8 Hz 到 261.6 Hz 代表另一個(gè)。對(duì)于每個(gè)八度音程，頻率從 0 映射到 255。這里映射從 C 開(kāi)始到 C'。

if(f_peaks[i]>1040){f_peaks[i]=0;}
           if(f_peaks[i]>=65.4   && f_peaks[i]<=130.8) {f_peaks[i]=255*((f_peaks[i]/65.4)-1);}
           if(f_peaks[i]>=130.8  && f_peaks[i]<=261.6) {f_peaks[i]=255*((f_peaks[i]/130.8)-1);}
           if(f_peaks[i]>=261.6  && f_peaks[i]<=523.25){f_peaks[i]=255*((f_peaks[i]/261.6)-1);}
           if(f_peaks[i]>=523.25 && f_peaks[i]<=1046)  {f_peaks[i]=255*((f_peaks[i]/523.25)-1);}
           if(f_peaks[i]>=1046 && f_peaks[i]<=2093)    {f_peaks[i]=255*((f_peaks[i]/1046)-1);}

NoteV 數(shù)組值用于將音符分配給檢測(cè)到的頻率。

byte NoteV[13]={8,23,40,57,76,96,116,138,162,187,213,241,255};

一種。注檢測(cè)：

4. 在為每個(gè)頻率計(jì)算音符后，可能存在多個(gè)暗示相同音符的頻率。要有準(zhǔn)確的輸出代碼還要考慮重復(fù)。該代碼根據(jù)振幅順序和重復(fù)次數(shù)將所有頻率值相加，并以最大振幅使音符達(dá)到峰值。

B：和弦檢測(cè)：

for (int i=0;i<12;i++)
{  
in[20+i]=in[i]*in[i+4]*in[i+7];  
in[32+i]=in[i]*in[i+3]*in[i+7];  //all chord check
}

此部分通過(guò)根據(jù)主要和次要代碼組合將音符值相互相乘來(lái)檢查所有和弦。本節(jié)還使用相同的輸入數(shù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

此外，選擇顯示具有最大可能性（最大乘法）的和弦。

應(yīng)用

使用代碼很簡(jiǎn)單，但是，在使用時(shí)也需要牢記多個(gè)限制。代碼可以復(fù)制，因?yàn)樗糜诩垘艡z測(cè)。使用它時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)。

1. 引腳分配：

根據(jù)所附的引腳分配需要修改。對(duì)于我的實(shí)驗(yàn)，我將其保留在模擬引腳 7 上，

void setup() 
{Serial.begin(250000);
Mic_pin = A7;  
}

2.麥克風(fēng)靈敏度：

需要修改麥克風(fēng)靈敏度，這樣可以生成具有良好振幅的波形。大多數(shù)情況下，麥克風(fēng)模塊帶有靈敏度設(shè)置。選擇適當(dāng)?shù)撵`敏度，使信號(hào)既不會(huì)太小，也不會(huì)因振幅較高而被削掉。

3.振幅閾值：

僅當(dāng)信號(hào)幅度足夠高時(shí)，此代碼才會(huì)激活。此設(shè)置需要由用戶手動(dòng)設(shè)置。該值取決于麥克風(fēng)靈敏度和應(yīng)用。

if(sum2-sum1>5){
.
.

在上面的代碼中，sum2 給出 RMS 值，而 sum 1 給出平均值。所以這兩個(gè)值之間的差異給出了聲音信號(hào)的幅度。在我的例子中，它在 5 左右的振幅值下正常工作。

4. 默認(rèn)情況下，此代碼將打印檢測(cè)到的注釋。但是，如果您打算將票據(jù)用于其他目的，則應(yīng)使用直接指定的號(hào)碼。例如 C=0；C#=1，D=2，D#=3 及以后。

5. 如果儀器有更高的頻率，代碼可能會(huì)給出錯(cuò)誤的輸出。最大頻率受采樣頻率限制。所以你可以在延遲值以下進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳輸出。在下面的代碼延遲 195 微秒。可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以獲得最佳輸出。這將影響整體執(zhí)行時(shí)間。

{           a=analogRead(Mic_pin)-500;     //rough zero shift
            sum1=sum1+a;              //to average value
            sum2=sum2+a*a;            // to RMS value
            a=a*(sin(i*3.14/128)*sin(i*3.14/128));   // Hann window
            in[i]=4*a;                // scaling for float to int conversion
            delayMicroseconds(195);   // based on operation frequency range
          }

6. 此代碼只能工作到 2000Hz 頻率。通過(guò)消除采樣之間的延遲，可以獲得大約 3-4 kHz 的采樣頻率。

防范措施：

• 正如 EasyFFT 教程中提到的，F(xiàn)FT 會(huì)占用 Arduino 的大量?jī)?nèi)存。因此，如果您有一個(gè)需要存儲(chǔ)一些值的程序，建議使用具有更高內(nèi)存的板。

• 此代碼可能適用于一種樂(lè)器/歌手，但不適用于另一種樂(lè)器/歌手。由于計(jì)算限制，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)是不可能的。

夏日的

音符檢測(cè)是一項(xiàng)計(jì)算密集型工作，獲得實(shí)時(shí)輸出非常困難，尤其是在 Arduino 上。此代碼可以提供大約 6.6 個(gè)樣本/秒（添加 195 微秒延遲）。此代碼適用于鋼琴和其他一些樂(lè)器。

我希望這段代碼和教程對(duì)您與音樂(lè)相關(guān)的項(xiàng)目有所幫助。如有任何疑問(wèn)或建議，請(qǐng)隨時(shí)溝通。