本發(fā)明涉及音樂(lè)教育，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于聲樂(lè)教學(xué)中聲音可視化分析方法。

背景技術(shù)：

1、聲樂(lè)教學(xué)作為音樂(lè)教育領(lǐng)域的重要分支，旨在通過(guò)系統(tǒng)的訓(xùn)練和指導(dǎo)，提升學(xué)生的聲音控制能力、演唱技巧和音樂(lè)表現(xiàn)力，隨著音樂(lè)教育的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，聲樂(lè)教學(xué)領(lǐng)域也在不斷探索和應(yīng)用新的技術(shù)手段，以提高教學(xué)效果和滿足學(xué)生的個(gè)性化需求。

2、在當(dāng)前的聲樂(lè)教學(xué)中，現(xiàn)有的技術(shù)手段主要側(cè)重于聲音信號(hào)的分析與處理，具體而言，這些技術(shù)通常通過(guò)專(zhuān)業(yè)的音頻錄制設(shè)備采集學(xué)生的演唱聲音，然后利用音頻分析軟件對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的解析和處理，這一過(guò)程包括聲音信號(hào)的濾波、降噪、頻譜分析、音高檢測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)，旨在提取出與演唱表現(xiàn)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，如音量、音調(diào)、音色、共鳴效果等，教師基于這些分析結(jié)果，可以對(duì)學(xué)生的演唱技巧進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)和改進(jìn)。

3、盡管現(xiàn)有的聲樂(lè)教學(xué)技術(shù)在一定程度上提高了教學(xué)的客觀性和準(zhǔn)確性，但仍存在一些明顯的不足之處，首先，這些技術(shù)主要關(guān)注聲音信號(hào)的分析，而忽略了與聲音產(chǎn)生密切相關(guān)的生理因素，如頸部和喉部肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這限制了對(duì)學(xué)生演唱技巧的深入理解和全面評(píng)估，其次，現(xiàn)有技術(shù)的分析結(jié)果通常以數(shù)字和圖表的形式呈現(xiàn)，對(duì)于非音樂(lè)專(zhuān)業(yè)背景的學(xué)生來(lái)說(shuō)，理解起來(lái)具有一定的難度，不利于教學(xué)效果的提升，此外，現(xiàn)有技術(shù)還缺乏對(duì)學(xué)生演唱過(guò)程中的實(shí)時(shí)反饋和個(gè)性化指導(dǎo)，難以滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求，因此，聲樂(lè)教學(xué)領(lǐng)域仍然需要探索更為全面、直觀且易于理解的教學(xué)方法和技術(shù)手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種用于聲樂(lè)教學(xué)中聲音可視化分析方法，通過(guò)以下方案，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種用于聲樂(lè)教學(xué)中聲音可視化分析方法，包括：

3、步驟1：傳感器設(shè)置：包括麥克風(fēng)陣列和頸部與喉部肌肉光纖傳感器的設(shè)置，用于聲音采集和生理數(shù)據(jù)采集；

4、步驟2：數(shù)據(jù)采集：用于采集聲音數(shù)據(jù)和生理數(shù)據(jù)；

5、步驟3：聲音數(shù)據(jù)分析：用于對(duì)步驟2采集的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到動(dòng)態(tài)范圍與音色變化數(shù)據(jù)、共鳴與發(fā)聲效率數(shù)據(jù)以及技巧與適應(yīng)性數(shù)據(jù)；

6、步驟4：多維關(guān)聯(lián)分析：通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法和時(shí)間序列分析結(jié)合，綜合分析聲音數(shù)據(jù)與頸部、喉部肌肉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；

7、步驟5：可視化：包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儀表盤(pán)和歷史數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)趨勢(shì)對(duì)比圖，用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀形式展示。

8、優(yōu)選的，所述聲音采集采用多指向性麥克風(fēng)陣列，環(huán)繞演唱者布置在一個(gè)半圓形的軌道上，距離演唱者約0.8-1.2米，并配備專(zhuān)業(yè)級(jí)音頻接口，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。

9、優(yōu)選的，所述生理數(shù)據(jù)采集通過(guò)在頸部和喉部的肌肉群周?chē)p繞光纖傳感器，用于感知肌肉形變和張力變化。

10、優(yōu)選的，所述光纖傳感器具體為基于光纖布拉格光柵原理制成的特制光纖傳感器，核心部件為一段經(jīng)過(guò)特殊處理的光纖，纖芯內(nèi)周期性地分布著折射率調(diào)制區(qū)域，形成布拉格光柵，光纖傳感器的外層采用貼合人體皮膚的生物相容性材料，用于確保在長(zhǎng)時(shí)間佩戴過(guò)程中不會(huì)對(duì)演唱者皮膚造成刺激或不適，內(nèi)部的光纖則被封裝。

11、優(yōu)選的，所述聲音數(shù)據(jù)通過(guò)在演唱者進(jìn)行聲樂(lè)練習(xí)或演唱不同曲目片段時(shí)，麥克風(fēng)陣列以48khz的采樣率和24位量化精度持續(xù)采集聲音信號(hào)，采集過(guò)程中，根據(jù)演唱的不同階段進(jìn)行分段標(biāo)記，用于后續(xù)針對(duì)性分析。

12、優(yōu)選的，所述生理數(shù)據(jù)通過(guò)頸部與喉部肌肉光纖傳感器以1000hz的采樣率記錄肌肉的形變和張力數(shù)據(jù)。

13、優(yōu)選的，所述動(dòng)態(tài)范圍與音色變化數(shù)據(jù)包括最低音至最高音的音量衰減比、音色亮度指數(shù)、音域跨越時(shí)的音色一致性以及顫音速率與幅度比，共鳴與發(fā)聲效率數(shù)據(jù)包括頭腔共鳴比例、發(fā)聲時(shí)聲帶閉合度、氣息流量與音高穩(wěn)定性系數(shù)以及共鳴腔體轉(zhuǎn)換靈活性，技巧與適應(yīng)性數(shù)據(jù)包括裝飾音準(zhǔn)確性、節(jié)奏靈活性指數(shù)、聲音力度控制精度以及聲音疲勞度指數(shù)。

14、優(yōu)選的，所述最低音至最高音的音量衰減比的分析方法具體為：對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，識(shí)別最低音和最高音的起始與結(jié)束位置，計(jì)算兩者之間的音量均方根值，通過(guò)公式得出音量衰減比，其中是最低音的音量均方根值，是最高音的音量均方根值，音色亮度指數(shù)的分析方法具體為：利用傅里葉變換將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，根據(jù)人耳對(duì)不同頻率聲音的感知特性，為不同頻率段分配權(quán)重，通過(guò)公式計(jì)算音色亮度指數(shù)，其中是第k個(gè)頻率段的權(quán)重，是該頻率段的能量占比，m表示劃分的頻率段數(shù)量，音域跨越時(shí)的音色一致性的分析方法具體為：在音域跨越的關(guān)鍵過(guò)渡點(diǎn)，提取聲音的梅爾頻率倒譜系數(shù)特征向量，通過(guò)計(jì)算相鄰特征向量之間的余弦相似度，使用公式得出音色一致性指標(biāo)，其中和分別是兩個(gè)相鄰過(guò)渡點(diǎn)的第i個(gè)mfcc系數(shù)，n是mfcc系數(shù)的維度，顫音速率與幅度比的分析方法具體為：通過(guò)希爾伯特變換提取聲音信號(hào)的瞬時(shí)頻率，檢測(cè)出顫音部分，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)頻率波動(dòng)的次數(shù)得到顫音速率，頻率波動(dòng)的最大幅度與平均頻率的比值作為顫音幅度比，即，，表示顫音速率，表示頻率波動(dòng)次數(shù)，表示時(shí)間，表示幅度比，表示最大頻率波動(dòng)幅度，表示平均頻率。

15、優(yōu)選的，所述頭腔共鳴比例的分析方法具體為：基于聲音信號(hào)的共振峰分析，利用線性預(yù)測(cè)編碼技術(shù)確定共振峰的頻率和強(qiáng)度，通過(guò)比較頭腔共鳴共振峰的能量與總聲音能量，使用公式計(jì)算頭腔共鳴比例，表示頭腔共鳴相關(guān)共振峰的能量，表示聲音信號(hào)的總能量，發(fā)聲時(shí)聲帶閉合度的分析方法具體為：分析聲音信號(hào)的諧波結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算諧波與基波的幅度比以及相位關(guān)系，利用經(jīng)驗(yàn)公式估算聲帶閉合度，和表示第j次諧波的幅度和相位，和表示基波的幅度和相位，和表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，p表示諧波的數(shù)量，氣息流量與音高穩(wěn)定性系數(shù)的分析方法具體為：結(jié)合呼吸傳感器采集的氣息流量數(shù)據(jù)和聲音信號(hào)的音高變化，計(jì)算音高的標(biāo)準(zhǔn)差與平均氣息流量的比值，公式為，表示音高的標(biāo)準(zhǔn)差，表示平均氣體流量，共鳴腔體轉(zhuǎn)換靈活性的分析方法具體為：通過(guò)監(jiān)測(cè)聲音信號(hào)在不同頻段能量的快速變化以及共振峰的遷移情況，計(jì)算相鄰時(shí)間段內(nèi)共振峰頻率和強(qiáng)度變化的速率，作為共鳴腔體轉(zhuǎn)換靈活性的指標(biāo)，公式，和分別是第t時(shí)刻的共振峰頻率和強(qiáng)度，q表示分析的總時(shí)間段數(shù)，表示共鳴腔體轉(zhuǎn)換靈活性，表示第t+1時(shí)刻的共振峰頻率，表示第t+1時(shí)刻的強(qiáng)度。

16、優(yōu)選的，所述裝飾音準(zhǔn)確性的分析方法具體為：將演唱的裝飾音部分與標(biāo)準(zhǔn)樂(lè)譜中的裝飾音進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算兩者在音高、時(shí)長(zhǎng)、起始時(shí)間方面的誤差，使用公式計(jì)算準(zhǔn)確性指標(biāo)，、以及分別表示標(biāo)準(zhǔn)裝飾音的音高、時(shí)長(zhǎng)以及起始時(shí)間，、以及分別表示實(shí)際演唱裝飾音的音高、時(shí)長(zhǎng)以及起始時(shí)間，、以及分別表示所有裝飾音參數(shù)的音高、時(shí)長(zhǎng)以及起始時(shí)間的最大值，、以及分別表示所有裝飾音參數(shù)的音高、時(shí)長(zhǎng)以及起始時(shí)間的最小值，s表示裝飾音的數(shù)量，節(jié)奏靈活性指數(shù)的分析方法具體為：利用節(jié)拍跟蹤算法確定演唱的實(shí)際節(jié)奏，與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)奏進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算在一定時(shí)間窗口內(nèi)節(jié)奏偏差的統(tǒng)計(jì)量，通過(guò)公式計(jì)算節(jié)奏靈活性指數(shù)，表示節(jié)奏偏差的方差，聲音力度控制精度的分析方法具體為：分析聲音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，并劃分為多個(gè)等級(jí)，計(jì)算實(shí)際演唱中力度在不同等級(jí)之間轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和細(xì)膩程度，通過(guò)公式計(jì)算，表示第u次力度轉(zhuǎn)換是否準(zhǔn)確，準(zhǔn)確為1，不準(zhǔn)確為0，v表示力度轉(zhuǎn)換的總次數(shù)，聲音疲勞度指數(shù)的分析方法具體為：監(jiān)測(cè)聲音信號(hào)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，包括基頻的漂移和諧波的衰減，通過(guò)建立聲音疲勞模型，使用公式計(jì)算聲音疲勞度指數(shù)，表示基頻的變化量，和分別表示第w次諧波幅度和相位的變化量，表示初始時(shí)刻第w次諧波的幅度，、以及為模型系數(shù)，x為諧波總次數(shù)。

17、優(yōu)選的，所述機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)聲音特征向量為，頸部與喉部肌肉運(yùn)動(dòng)特征向量為，通過(guò)訓(xùn)練得到的預(yù)測(cè)函數(shù)為，表示聲音特征對(duì)應(yīng)的權(quán)重，表示頸部與喉部肌肉運(yùn)動(dòng)特征對(duì)應(yīng)的權(quán)重，b為偏置項(xiàng)，n1表示聲音特征向量中元素的個(gè)數(shù)，si1表示聲音特征向量中第i1個(gè)特征，k1表示頸部與喉部肌肉運(yùn)動(dòng)特征向量中元素的個(gè)數(shù)，mj1表示頸部與喉部肌肉運(yùn)動(dòng)特征向量中第j1個(gè)特征。

18、優(yōu)選的，所述時(shí)間序列分析根據(jù)聲音疲勞度指數(shù)ft和頸部喉部肌肉運(yùn)動(dòng)的任一參數(shù)建立arima(p，d，q)模型，設(shè)ft經(jīng)過(guò)d次差分后為，建立模型，表示自由回歸系數(shù)，表示移動(dòng)平均數(shù)，表示白噪聲項(xiàng)，p1表示自回歸階數(shù)，i2用于在自回歸部分遍歷從1到p1的每一個(gè)滯后階數(shù)，q1表示移動(dòng)平均階數(shù)，j2用于在移動(dòng)平均部分遍歷從1到q1的每一個(gè)滯后階數(shù)，t1表示當(dāng)前時(shí)刻。

19、優(yōu)選的，所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儀表盤(pán)將步驟3和步驟4輸出的指標(biāo)以可視化的方式展示出來(lái)，每個(gè)指標(biāo)都用一個(gè)圓形表盤(pán)表示，指針實(shí)時(shí)指向當(dāng)前的數(shù)值位置，表盤(pán)上根據(jù)設(shè)定的閾值范圍，劃分不同顏色的區(qū)域，綠色表示正常范圍，黃色表示接近預(yù)警范圍，紅色表示超出預(yù)警范圍。

20、優(yōu)選的，所述歷史數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)趨勢(shì)對(duì)比圖通過(guò)繪制一個(gè)綜合的圖表，展示演唱者的歷史數(shù)據(jù)和多維度關(guān)聯(lián)模型對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)趨勢(shì)，圖表的橫軸表示時(shí)間，縱軸表示各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值，用不同顏色的線條分別表示歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和模型預(yù)測(cè)的未來(lái)趨勢(shì)，藍(lán)色線條表示過(guò)去一個(gè)月內(nèi)聲音的共鳴效果指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)變化，紅色線條表示基于模型預(yù)測(cè)的未來(lái)兩周內(nèi)該指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)，在圖表上，添加標(biāo)注和注釋?zhuān)奖闶褂谜呃斫鈹?shù)據(jù)的變化情況，對(duì)于預(yù)測(cè)趨勢(shì)中可能出現(xiàn)的異常情況，提前進(jìn)行預(yù)警標(biāo)注，當(dāng)預(yù)測(cè)到聲音疲勞度指數(shù)在未來(lái)一周內(nèi)將超過(guò)預(yù)警閾值，在圖表上用一個(gè)黃色的三角形標(biāo)注，并提示“請(qǐng)注意，聲音疲勞度可能在未來(lái)一周內(nèi)達(dá)到危險(xiǎn)水平，請(qǐng)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃”，并利用圖形化的方式展進(jìn)行詳細(xì)分析，具體為通過(guò)一個(gè)樹(shù)形圖，展示聲音特征和頸部喉部肌肉運(yùn)動(dòng)參數(shù)中每個(gè)因素對(duì)異常指標(biāo)的貢獻(xiàn)度，并用不同的顏色和線條粗細(xì)表示影響程度，點(diǎn)擊樹(shù)形圖中的每個(gè)因素，還可以顯示詳細(xì)的歷史數(shù)據(jù)。

21、本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

22、本發(fā)明通過(guò)設(shè)置多指向性麥克風(fēng)陣列和頸部與喉部肌肉光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)了聲音信號(hào)和生理數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，麥克風(fēng)陣列能夠全方位捕捉演唱者的聲音，而光纖傳感器則能精確感知頸部和喉部肌肉的形變與張力，為后續(xù)分析提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；在數(shù)據(jù)采集階段，系統(tǒng)以高采樣率持續(xù)記錄聲音和生理數(shù)據(jù)，并根據(jù)演唱的不同階段進(jìn)行分段標(biāo)記，同時(shí)，還記錄下曲目名稱(chēng)、演唱者信息等元數(shù)據(jù)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的分類(lèi)管理和深入分析，這一步驟確保了數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性；聲音數(shù)據(jù)分析是該方法的核心環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)采集到的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析，包括動(dòng)態(tài)范圍、音色變化、共鳴效果、發(fā)聲效率以及聲樂(lè)技巧和適應(yīng)性等方面，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確評(píng)估演唱者的聲樂(lè)水平和存在的問(wèn)題，這為后續(xù)的個(gè)性化教學(xué)和訓(xùn)練提供了科學(xué)依據(jù)；通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法和時(shí)間序列分析，深入探究聲音特征與頸部、喉部肌肉運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)，這不僅能夠揭示發(fā)聲機(jī)理的奧秘，還能夠預(yù)測(cè)聲音指標(biāo)在未來(lái)可能的變化趨勢(shì)，基于這些分析結(jié)果，教師可以為演唱者制定個(gè)性化的訓(xùn)練計(jì)劃，以提高其聲樂(lè)技巧和表演水平；將分析結(jié)果以直觀、易懂的方式展示出來(lái)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儀表盤(pán)和歷史數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)趨勢(shì)對(duì)比圖，演唱者和教師可以清晰地看到各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值和變化趨勢(shì)，同時(shí)，系統(tǒng)還能夠提供預(yù)警和詳細(xì)分析窗口，幫助演唱者及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃，這種可視化的呈現(xiàn)方式使得分析結(jié)果更加直觀、易懂，便于教學(xué)和訓(xùn)練實(shí)踐中的應(yīng)用。