А мне нужно, допустим, определить какие музыкальные инструменты используются, какие ноты, заменить их дорожками тяжелых инструментов..
Ну так вот декомпозиция же..
Вот и начните с задачи "распознавание нот в соло-мелодии". Уже нетривиально.
Но вообще скорее всего можно просто накинуть дисторшн. Это есть даже в каких нибудь библиотеках. Т.е. не сводить все к нотам - процессоры эффектов то на ноты не раскладывают.