計算器音樂系統(tǒng)的新思路探究

摘 要：在當前的計算機音樂領(lǐng)域，音源是最核心的部分。目前的音源大體分為合成器和采樣器兩類。合成器主要負責產(chǎn)生自然界不存在的聲音，而采樣器主要負責真實地還原各種樂器的音色。但無論是合成器還是采樣器，都存在著它們無法解決的難題。

關(guān)鍵詞：計算機；音樂系統(tǒng)；傳統(tǒng)音源的局限

[中圖分類號]：J628.2 [文獻標識碼]：A

[文章編號]：1002-2139（2013）-1--01

1、采樣器

采樣器的原理是錄制樂器在不同音階下不同力度的每個音色，然后進行鍵盤映射。為了最大限度地模擬真實樂器的效果，設(shè)計時往往需要針對一件樂器錄制大量音頻，這就造成了一個問題—越好的采樣器數(shù)據(jù)量越龐大。在使用中，通常需要用大容量硬盤來保存這些采樣器。因此，采樣器一般只能應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域基本上是無能為力的。

2、合成器

合成器的理論基礎(chǔ)是傅里葉變換—滿足一定條件的某個函數(shù)能夠表示成三角函數(shù)或者它們的積分的線性組合。

從理論上講，合成器可以模擬所有的聲音，包括樂器。但事實上，合成器模擬的樂器聲音很生硬。原因是樂器在演奏時發(fā)出的聲音并不那么規(guī)范而完美，而合成器的聲音太規(guī)整，做不到這一點。

合成器的作用是它能提供自然界不存在的聲音，同時由于它的體積較小，也經(jīng)常被應(yīng)用于一些對于體積要求很嚴格的領(lǐng)域。比如手機和弦鈴聲大多采用FM合成技術(shù)。

合成器和采樣器各自存在著不同缺陷，那么如何設(shè)計音源才能既保證音源的體積，又能盡量地還原樂器聲音的本來面目呢？

一、新音源的設(shè)計

上文說道，新音源的設(shè)計目的就是為了在保證限制體積的前提下最大限度地進行音色還原。鋼琴是大動態(tài)、寬音域的樂器，因此以鋼琴為例進行設(shè)計，應(yīng)該具有其廣泛的推廣價值。

1、理論分析

從采樣器和合成器采集鋼琴音色的標準A音的頻譜后進行對比的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，它們在各個頻率上的峰值還是有明顯區(qū)別的。從基波也就是第一個峰值開始，二者的頻率就有差異，且在峰值上區(qū)別很大：有些峰值在合成器上強，在采樣器上卻很弱，有些峰值在采樣器中有，合成器中卻沒有。另外，合成器的峰值從20000Hz開始平滑地加速衰減，采樣器一直到18000Hz開始才逐漸衰減，且一直到20000Hz以上的超聲波階段還有振動存在。

正是因為采樣器基于真實樂器的錄制，保留了真實樂器在其頻率上的“不完美”，才有了以上頻譜的區(qū)別。而還原這個“不完美”，正是新音源的設(shè)計突破口所在。

2、設(shè)計思路

在專業(yè)音樂制作中，音源技術(shù)已經(jīng)十分成熟。但是在一些對于音源大小有著嚴格要求的民用領(lǐng)域（比如手機），傳統(tǒng)的FM合成器的發(fā)聲效果已經(jīng)完全跟不上用戶的需求。所以新音源的設(shè)計應(yīng)該是針對民用領(lǐng)域而不是專業(yè)領(lǐng)域。如果新音源在音質(zhì)上能夠比傳統(tǒng)音源明顯提高，且體積增加不大，那么它應(yīng)該能被廠家和用戶廣泛接受。

要保證音源的體積限制，首先要參考合成器的設(shè)計思路，最大限度地利用計算機進行波形計算合成；然后參考采樣器的設(shè)計思路，對于樂器的特有頻率進行加強或者削弱，達到盡量提高音色真實性的目的。

另外，從聲學(xué)角度來講，人的聽覺范圍是20Hz到20000Hz，因此對于新音源的設(shè)計來說，對于20Hz以下和20000Hz以上的頻率進行還原毫無意義。

3、設(shè)計步驟

1）頻譜設(shè)計

采集鋼琴各個音階的頻譜。以標準A音為例，首先采集各個頻率峰值，范圍是從20Hz到20000Hz。為保證程序體積，小于基頻（440Hz）振幅10%的諧波分量忽略不計。

從采集的結(jié)果來看，從基波（440Hz）開始到17倍諧波為止，鋼琴在標準A音上的各個頻率與理論值是有差異的，且這個差異隨著諧波倍數(shù)的增加成倍提升。比如在基波上，采集到的頻率比理論值大了0.421Hz；在17倍諧波上，這個偏差達到了670Hz之多。這也印證了前文中提到的真實樂器“不完美”的特點。

另外，在440Hz以下的頻段，采集到了一個較小的峰值，經(jīng)過濾波、放大后試聽，發(fā)現(xiàn)這個聲音事實上是琴錘敲擊琴弦產(chǎn)生的噪音。這個聲音在這里暫時不作考慮，在之后的步驟中再進行處理。

2）生成音頻信號

采用線性/算術(shù)（L/A）合成法，根據(jù)采集得到的頻率和峰值按照音頻信號的公式生成若干個正弦波。公式為：

其中表示峰值，為該諧波的頻率，為該音色的采樣頻率，一般取44100Hz以保證聲音質(zhì)量，為正弦波持續(xù)時間（秒），是初相。

接下來將這若干個正弦波相加，就成為了一個平穩(wěn)的音頻信號。

3）振幅（音量）包絡(luò)

之前通過波形疊加得到的是一個平穩(wěn)的鋼琴A音，這并不是真實的鋼琴音色，根據(jù)據(jù)時域ADSR包絡(luò)線理論，一個完整的音應(yīng)該包括上升（Attack），下降（Decay），保持（Sustain），釋放（Release）四個階段。

以15秒鐘的鋼琴標準A音為例，上升為28毫秒，下降和保持時間為13.057秒，忽略釋放，因為在15秒以內(nèi)已經(jīng)衰減到基本約等于0了。

振幅包絡(luò)一般采用幅度調(diào)制（AM）的方法。原理是將原始信號函數(shù)（平穩(wěn)的鋼琴A音）與調(diào)制信號函數(shù)（包絡(luò)線）相乘，從而得到調(diào)制信號函數(shù)（最終的聲音）。

包絡(luò)線數(shù)據(jù)要以真實鋼琴A音的包絡(luò)線為基礎(chǔ)，進行44100Hz采樣保存后調(diào)用。

4）疊加噪音

在基礎(chǔ)音色的基礎(chǔ)上要加入采樣得到的元素，如鋼琴琴槌與琴弦的敲擊聲，琴氈與琴弦的摩擦聲等等。這樣做是為了讓聲音感覺更真實，因為基于L/A算法得到的聲音畢竟沒有那么圓潤飽滿，相對顯單薄些，增加些噪音的元素能夠讓聲音顯得真實。

二、結(jié)論

本方案針對的是民用領(lǐng)域的音源設(shè)計，以體積小巧、音質(zhì)提升為核心目的。初步估算，音源系統(tǒng)主體部分應(yīng)不會超過2MB，加上采集樂器頻譜、包絡(luò)、噪音以后，整個系統(tǒng)應(yīng)該不會大于20MB，可以滿足民用小型設(shè)備對于音樂播放的需求。本方案在手機、打譜軟件等對于占用空間要求相當嚴格的領(lǐng)域應(yīng)有廣泛應(yīng)用價值，并且可以根據(jù)實際需要增減樂器數(shù)量，是一種十分靈活的應(yīng)用方案。

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