1。2 MATLAB的发展与语音信号分析应用

MATLAB不仅是一种在数据分析、数据可视化领域以及数值计算卓有名气的高级技术计算语言，还会一款能够通过它完成算法开发的交互式环境教学软件。MATLAB的主要功能模块分为MATLAB和SimuLink。它对矩阵计算、数值分析、科学数据可视化和仿真等诸多强大的功能进行集成并且仅仅只是通过一块小小的面板。MATLAB由一系列的工具组成，使用户更加方便地调用内部的函数与文件，图形用户界面是利用率最高的工具。包括MATLAB桌面和命令窗口、工作空间、编辑器和调试器、历史命令窗口、路径搜索和用于用户浏览帮助、文件的浏览器。MATLAB发展至今，其用户界面越来越精致，在人机交互上更具有人性化，更加接近于Windows的标准界面，操作更为便捷。而且用户在使用MATLAB时可以非常方便地使用完整的联机查询、帮助系统。在600多个工程当中MATLAB都能够胜任其中要用到的数学运算函数，还可以实现使用者需要的几乎一切计算功能，集合了大量计算算法的程序。扩展程序系统和工具箱是MATLAB的最重要的一大特色，工具箱是函数的子程序库，某一学科和应用都拥有一个为其量身定制的工具箱，主要包括信号处理、小波分析、神经网络、控制系统、模糊逻辑和系统仿真等方面的应用。

在语音信号分析中，MATLAB不仅能够通过自身的程序自行生成语音信号或音频信号，还能够快速对语音信号模型进行分析、存储、传输、识别与合成等方面的处理。对于MIDI音频，MATLAB能够直接绘制出MIDI数据的谱图，并将其转化为波形数据，能够更加便捷地与初始音频作对比。MATLAB拥有非常强大的数字滤波器模型，能对合成、采集的各类音频信号信号进行滤波，并对其频谱进行分析。

1。3 设计的目的及意义

如今，交响乐已不再是往日的贵族文化，越来越普及成为人们茶余饭后的闲谈内容。编曲们将各类现代派作品改编成交响作品也成为一种潮流。但对于普通观众而言想区分清每首作品中由哪些乐器组成就有一定难度了，对于已有的一些音乐方面软件，更多的都是通过MIDI音频来获得所需的乐器配置或乐谱。而对于一些不会使用专业音乐软件的音乐爱好者，想分析出完整的交响乐配置就不那么容易了。而通过MATLAB的强大计算能力，可以分析出每种乐器的泛音列及谐波规律，从而尝试在常规的交响作品中分析出所有的乐器配置。

本设计在完成对某一种乐器音域内所能演奏出的所有常规音色分析完全透彻后，可以尝试通过分析结果模拟仿真乐器原本的音色。在编曲/作曲家们完成乐谱的撰写后，能够使用更加贴近真实音色的数字音频信号制作曲目模拟DEMO，不用花费重大代价邀请交响乐团演奏自己的作品检测其是否完美。

通过分析后的乐器的泛音列，将其包络加入集成的数字音频信号转化为模拟信号之中，得到的仿真音色将更加贴近于乐器的真实音色，比数字信号的MIDI导出冷冰冰的仿真音色更加适合完成在音乐领域所需要的模拟要求。

甚至于若干年以后，本设计能解析完现有的所有常规/非常规乐器比如管风琴、竖琴等稀有乐器，结合时下最为火热的人工智能，通过AI完成编曲及作曲工作也未必不可能实现。

1。4 设计思路及流程

本次设计的乐音分析功能的实现是使用录音笔在相同环境下录制管乐乐音后，在MATLAB程序编辑上，分别使用了双线性变换法的IIR滤波器和基于窗函数法的FIR滤波器，两种数字滤波器分别对采集的音频进行降噪处理，并对比两种方式的降噪效果之间对原音频失真效果。利用MATLAB的声音处理能力产生频谱图，通过横向比较不同种类管乐乐器，纵向比较同种类乐器中不同型号乐器的频谱来分析不同音色的乐器使用同种演奏法演奏音阶与泛音时的特点与区别。由于录制设备在录制过程中会产生一定底噪，在设计MATLAB分析频谱的过程中加入数字滤波器将不需要的杂音过滤，从而得到更加纯净的乐音信号进行频谱分析。