電子表格音樂合成器

陳凱

電子合成器是一種音樂設(shè)備，它能生成簡單的振蕩波，然后通過疊加、過濾等操作對(duì)波的形態(tài)進(jìn)行修改，從而創(chuàng)造出某種獨(dú)特的聲音效果，合成器有硬件、軟件之分，在計(jì)算機(jī)里運(yùn)行的合成器稱為軟件合成器。至于電子表格，是用來存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析數(shù)據(jù)的，常用的有MS Excel或WPS表格。電子合成器和電子表格看似風(fēng)馬牛不相及，而這篇文章要講的卻是怎么拿電子表格代替電子合成器來使用，雖然說任務(wù)有點(diǎn)奇怪，但涉及的操作無非是公式自動(dòng)填充、插入圖表、復(fù)制、粘貼等，整個(gè)過程實(shí)施一遍后，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、編輯、播放聲音的最基本原理也就很清晰了。

● 生成不同的波形

電子合成器中最常用的波形有方波、三角波、鋸齒波、正弦波等，形狀如圖1所示。

圖1中各波形的橫軸“t”均為時(shí)間，縱軸“A”為幅度。用電子表格生成這些波形很容易，以鋸齒波為例，電子表格的第一列中，用拖曳功能自動(dòng)填充從0開始逐漸增大的整數(shù)，可以填充幾百到數(shù)千行，然后在第二列寫入公式“=MOD（A1，200）”，再利用拖曳功能自動(dòng)填充幾百到數(shù)千行。選中整個(gè)第二列后插入圖表，選折線圖，就可以看到若干鋸齒波了（如圖2）。公式中的“200”是波的振動(dòng)幅度，如果聲波的量化級(jí)數(shù)為8位，那么幅度不應(yīng)該大于2的8次方減1，即255。

鋸齒波的特點(diǎn)是先以一定斜率上升，然后陡然落下。若將公式“=MOD（A1，200）”換成其他公式，就可以生成三角波和方波，具體公式怎么寫，就留給大家思考了。

生成正弦波的公式為“=SIN（A1*3.14/180）*120+120”，略復(fù)雜些，因?yàn)槿呛瘮?shù)的計(jì)算結(jié)果小于1并且有負(fù)數(shù)，所以先乘上120再加上120來控制振動(dòng)的幅度，注意在“設(shè)置單元格格式”中，將小數(shù)位數(shù)設(shè)置為0（如圖3）。

● 增波合成

增波合成指的是將不同形狀的波疊加起來，使得聲波的形態(tài)發(fā)生變化，從而改變音色。這里舉一個(gè)簡單的例子，將剛才的正弦波頻率設(shè)為原來的三倍，再將這個(gè)波與原來的波疊加起來，電子表格中改變頻率的操作也很簡單，只要另增一列，使自動(dòng)填充的數(shù)字由每次加1改為每次加3即可（如下頁圖4）。

然后，將頻率變化后的波與原始的波疊加，所做的數(shù)學(xué)運(yùn)算其實(shí)就是取兩個(gè)波的振幅的平均值，用自動(dòng)填充功能填充完取平均數(shù)的公式后，就可得到合成后的波（如下頁圖5）。

這個(gè)波與原有的波有很大的不同，怎么把這個(gè)波播放出來以觀察音色的變化呢？這就需要將電子表格中的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。

● 生成波形數(shù)據(jù)文件

生成波形數(shù)據(jù)文件需要兩個(gè)步驟：首先，將十進(jìn)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為十六進(jìn)制（實(shí)際上是用相對(duì)容易表達(dá)的十六進(jìn)制來表示二進(jìn)制），在電子表格中使用“DEC2HEX”函數(shù)就可以輕松實(shí)現(xiàn)（如圖6）。其次，以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)電子表格中的波形數(shù)據(jù)，最簡單的方法是使用在線的二進(jìn)制文件編輯器（網(wǎng)址為https：//hexed.it）。

選中電子表格中存儲(chǔ)有十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的那一列，直接粘貼到在線編輯器中，注意要選中“Hexadecimial Values”（如圖7）。為了使聲波能持續(xù)一段時(shí)間，可以反復(fù)多次粘貼操作。粘貼完成后，不用進(jìn)行任何編輯操作，直接點(diǎn)“Export”，給文件命名，將文件保存在硬盤中就可以了。保存好的文件稱為音頻裸數(shù)據(jù)，也就是沒有任何格式說明的音頻數(shù)據(jù)，可以利用音頻編輯工具，如Audacity、Cool Edit等軟件播放這段聲音，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)為其他格式音頻文件。以Audacity為例，選中菜單“文件—導(dǎo)入—原始數(shù)據(jù)”，然后選中“Unsigned 8 bit PCM”（由于先前波的振動(dòng)幅度都在0到255之間，所以量化極數(shù)為8bit）以及“單聲道”，就可以聽到先前用電子表格編輯的聲音了，原始的正弦波播放出來是純凈的低音，在疊加后有了毛毛的類似管樂的效果。

● 挑戰(zhàn)任務(wù)

最后，列一些值得挑戰(zhàn)的任務(wù)供有興趣的讀者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難度由低到高：

☆用電子表格生成一段噪音并播放。

☆用電子表格生成一段逐漸從小到大的方波數(shù)據(jù)并播放。

☆用電子表格生成“DoSoDoSoDoSo”簡單鳴笛聲的波形數(shù)據(jù)并播放，注意音符“So”的頻率約為“Do”的1.5倍，為了讓聲音持續(xù)一段時(shí)間，需要在電子表格中自動(dòng)填充數(shù)千行的數(shù)據(jù)，當(dāng)然也有偷懶的辦法，就是在播放聲音時(shí)調(diào)低導(dǎo)入數(shù)據(jù)的采樣頻率。