Signal Processing in a Semi-Automatic Piano Tuning System

Abstract

Tuning a piano is a complicated and time-consuming process, mostly done by professional tuners. To make the process faster and non-dependent on the skills of a professional tuner, a semi-automatic piano tuning system is developed. The system composes of a stepper motor, an aluminium frame, an Arduino Uno, a microphone and a computer. The stepper motor changes the tune of piano strings by turning pins connected to them, the aluminium frame holds the motor in place and the Arduino controls the motor. The microphone and the computer are used as a part of a closed loop control system to tune the strings automatically. The control system requires the current fundamental frequency as well as the optimal, “in tune”, fundamental frequency. In this thesis, literature as well as algorithms on finding the current fundamental frequency are reviewed and a novel tuning process for calculating the optimal fundamental frequency is developed. The novel tuning process is compared against a tuning done by a professional tuner. The process is well suited for the tuning of a piano, as there is very little difference between the tuning done by the process and the tuner. Between keys A0 and G#5 the difference between the tunings is 2.5 cents and above that, in a region where the pitch of a string is much harder to hear, the difference is 8.1 cents.

Pianon viritys on monimutkainen ja aikaa vievä prosessi, jonka pääosin tekevät ammattilaisvirittäjät. Pianon virittämisen helpottamiseksi sekä viritysajan lyhentämiseksi on kehitetty puoliautomaattinen pianonviritysjärjestelmä. Järjestelmä koostuu askelmoottorista, alumiinikehikosta, Arduino Uno mikroprosessorista, mikrofonista sekä tietokoneesta. Askelmoottori ja alumiinirunko mahdollistavat pianon kielien vireen säätämisen ja Arduino, mikrofoni sekä tietokone toimivat osina takaisinkytkettyä säädintä, jonka avulla kielet pystytään virittämään automaattisesti. Kielen virettä hallitaan säätämällä kielen perustaajuutta. Tässä työssä tutkitaan miten pianon kielen perustaajuuden saa selvitettyä sekä kehittää uuden menetelmän, jonka avulla saadaan laskettua perustaajuus, jossa kieli on parhaassa mahdollisessa vireessä. Kun tätä menetelmää verrataan ammattilaisvirittäjän tekemään viritykseen, niiden välillä on eroa vain 2,5 senttiä koskettimien A0 sekä G#5 välillä, sekä 8,1 senttiä koskettimien A5 ja C8 välillä. Ylemmillä koskettimilla oleva suurempi ero johtuu siitä, että kielien virettä on vaikeampi kuulla näillä koskettimilla.