基于Android平臺(tái)的電子音樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

錢甜

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 團(tuán)委， 西安 710089)

0 引言

隨著移動(dòng)終端技術(shù)的發(fā)展和完善，電子音頻技術(shù)在移動(dòng)終端的應(yīng)用得以普及，但多通過手機(jī)對某種樂器進(jìn)行模擬以產(chǎn)生類似的聲音效果，用戶需要更多樣化的音源，對移動(dòng)終端進(jìn)行簡單易懂的電子音樂交互式系統(tǒng)搭建具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有助于隨機(jī)音樂即興演奏以實(shí)現(xiàn)即興創(chuàng)作的功能，一定程度上對演出模式進(jìn)行了創(chuàng)新，提升用戶體驗(yàn)。

1 數(shù)字音頻設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)頻式聲音合成

調(diào)頻(FM)在對信息進(jìn)行表示時(shí)通過記錄載波的瞬時(shí)頻率變化實(shí)現(xiàn)，載波的頻率作離散跳變(根據(jù)數(shù)據(jù)序列的值)，調(diào)頻合成聲音的基本原理為：以Xm(t)表示需傳送信號，其振幅限制不能超過1，表示為|Xm(t)|≤1；載波中心頻率(單位:Hz)用fc表示，任意振幅用A表示，載波表達(dá)式為式(1)。

Xc(t)=Acos(2πfct)

(1)

振蕩器的瞬時(shí)頻率由f(t)表示，一個(gè)方向上相對fc的最大頻率偏移由fΔ表示，傳送信號為式(2)。

f(t)=fc+fΔXm(t)

(2)

假設(shè)xm(t)的幅值限于±1間，在Max MSP中的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 調(diào)頻應(yīng)用

在實(shí)際的頻率調(diào)制過程中，載波體的振幅保持不變；調(diào)制體的頻率、振幅、波形(或音色)分別對載波體頻率的速度變化、載波頻率的深度變化、載波頻率的波形變化產(chǎn)生影響。

這是因?yàn)橐纛l信號的改變通常具有周期性，調(diào)頻合成理論包含兩個(gè)元素即發(fā)音/載波體(實(shí)際發(fā)聲的頻率振蕩器)和調(diào)制體(調(diào)整變化載波所發(fā)出的聲音)，因此調(diào)頻合成理論的重點(diǎn)在于載波頻率、調(diào)制體頻率及調(diào)制數(shù)值。基本的調(diào)頻工具包含穩(wěn)定不變的載波頻率fc(被加在調(diào)制振蕩器的輸出上)、調(diào)制頻率FM兩個(gè)正弦曲線振蕩器，振蕩器具有周期性的頻率、振幅、波形，當(dāng)調(diào)制器發(fā)聲時(shí)，來自調(diào)制振蕩器的信號使載波振蕩器的頻率上下波動(dòng)。調(diào)制體的振幅在頻率調(diào)制技術(shù)中起到關(guān)鍵作用，載波頻率調(diào)制后變化的深度受到其影響的程度較大，即載波的頻率變化在FM中會(huì)受到調(diào)制體振幅變化的影響。

1.2 基于濾波的聲音合成技術(shù)

為使用戶對音源的多種操作得以實(shí)現(xiàn)，本文對手機(jī)兩個(gè)定位傳感器的映射主要通過樣品音源的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，基于不同的濾波器完成Patch的創(chuàng)建：高通濾波器可有效阻止低頻率通過，降低信號中的低頻干擾，其特性可用沖激及頻率響應(yīng)進(jìn)行描述；高音消除濾波器種類較多，較為常用的是巴特沃斯和切比雪夫?yàn)V波器；帶通濾波器允許特定頻段的波通過。在Max MSP中，主要使用消除雜波，各濾波器的參數(shù)值可進(jìn)行不同的設(shè)置(如粗糙度中斷、帶寬、增益、中間頻率等)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)同一聲音文件生成類似的噪音音源，加載聲音文件時(shí)使用了對象控件(buffer、groove)，實(shí)時(shí)監(jiān)控經(jīng)過不同濾波器處理的信號波形通過biquad對象控件完成，音源設(shè)計(jì)者通過各濾波器上的display按鈕能夠?qū)Σ煌臑V波器進(jìn)行選擇，兩個(gè)低通濾波器完成不同的截止頻率和帶寬參數(shù)值設(shè)置后再進(jìn)行串聯(lián)處理，從而實(shí)現(xiàn)二階低通濾波器的創(chuàng)建，將此前設(shè)置的參數(shù)值使用scale以及ctlin控件功能實(shí)現(xiàn)同MIDI鍵盤旋鈕間的映射；對于相同聲音信號的處理，則通過高通和低通濾波器的并聯(lián)構(gòu)建一個(gè)帶通濾波器實(shí)現(xiàn)[1]。

2 音頻程序的開發(fā)設(shè)計(jì)

開發(fā)人員通過組件對應(yīng)用程序功能進(jìn)行設(shè)置，各組件具備不同的方法、事件、屬性，主要采用MIT App Inventor完成，有限的媒體組件如圖2所示。

圖2 可使用的多媒體組件

對聲音操作的實(shí)現(xiàn)：

(1) 播放器組件Player，作為非可見組件，主要完成音/視頻文件的播放及電話振動(dòng)的控制，媒體文件的文件名可在Designer、Blocks Editor完成指定Source屬性的設(shè)置，其中音量設(shè)置范圍通常在0到100間且需取整數(shù)，在Source屬性不同聲音樣本的播放通過Set Source To … mp3進(jìn)行設(shè)置，通過Start或Pause鍵對所需操作進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)程序時(shí)使用播放器組件播放長聲音文件(如歌曲)[2]，核心代碼如下：

(Components_ Player )

"Properties

If set, the media is looping

or Is Playing

Audio or video file associated with this player.

Volume between 0 and 100.

Methods

Pauses playing the audio or video file

Starts playing the audio

Stops playing the audio

Vibrate(number milliseconds)

Activate the phone's vibration motor

CompletedQ Media has finished playing.”

(2) 聲音Sound，對指定的聲音文件實(shí)現(xiàn)在塊編輯器中的播放，在Designer、Blocks Editor中可以修改聲音文件播放的名稱，適合短的聲音文件播放，設(shè)計(jì)該程序時(shí)，不同短文件的播放使用Set Source To … mp3實(shí)現(xiàn)，播放程序的控制則可通過使用Start/Stop Methods實(shí)現(xiàn)，核心代碼如下：

(Components_Sound)

"Properties

Audio file associated with this sound

Minimum time before sound is repeated

Methods

Pauses playing the audio file

Starts playing

Resumes playing a paused audio file

Stops playing the audio file

Vibrate(number millisecs)

Activate the phone's vibration motor

3 隨機(jī)移動(dòng)音樂系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

對音樂元素和形式進(jìn)行隨機(jī)組合，可以留給演奏者更大的創(chuàng)作空間，以實(shí)現(xiàn)不同音樂風(fēng)格，具體可通過應(yīng)用MIT App Inventor中數(shù)量相對有限的隨機(jī)元素等軟件程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)移動(dòng)音樂系統(tǒng)。

(1) 使用隨機(jī)函數(shù)模塊，具體如圖3所示。

圖3 隨機(jī)函數(shù)示例

能夠完成隨機(jī)選擇性功能的創(chuàng)建，在所有的聲音樣本列表中，某個(gè)音源的隨機(jī)選擇通過pick random item實(shí)現(xiàn)，或在random integer模塊中產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)(在一定范圍內(nèi))，再通過條件控制模塊( if. . . else…)產(chǎn)生一個(gè)聲音(通過大于/小于給定值)。

(2) 使用Designer的用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本步驟為：添加7 個(gè)球到App Designer畫布上，并完成了開始(start)、顯示(display)、隱藏(hide)、添加(add)和減少(minus)等按鈕的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)用戶對畫布界面進(jìn)行顯示/隱藏，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)實(shí)際需要完成小球的添加/減小操作；然后對功能界面進(jìn)行設(shè)計(jì)(在編輯器程序塊)，標(biāo)記不同顏色的小球以一個(gè)隨機(jī)的初始位置接觸到畫布邊緣后(滾動(dòng)的速度和方向也是隨機(jī)的)會(huì)觸發(fā)特定的聲音樣本，通過各小球的組合形式實(shí)現(xiàn)了音樂系統(tǒng)整體風(fēng)格的隨機(jī)描述，如圖4所示[3]。

圖4 屏幕邊界音樂觸發(fā)模塊

當(dāng)運(yùn)動(dòng)的球碰撞到其他小球時(shí)，小球的方向?qū)?huì)發(fā)生改變并觸發(fā)到特點(diǎn)的聲音樣本，具體操作邏輯如圖5所示。

圖5 小球相互撞擊后音樂觸發(fā)模塊

除此之外用戶在balls-dragging中可通過各球的拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對球的走向的自由決定，從而增加了音樂創(chuàng)作的隨機(jī)性[4]。

(3) 使用手機(jī)內(nèi)置傳感器實(shí)現(xiàn)

通過在智能手機(jī)中創(chuàng)建兩個(gè)按鈕對加速度計(jì)和方向傳感器進(jìn)行控制，界面中設(shè)有動(dòng)畫指南針，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三個(gè)模塊(賦予顯著差異的值)功能在于：一組相似但不同的聲音樣本的播放通過方向傳感器實(shí)現(xiàn)；畫布中運(yùn)動(dòng)的若干個(gè)小球的控制通過加速度計(jì)傳感器實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到聲音效果間接控制的目的；所有小球在用戶通過搖晃手機(jī)過程中集聚到畫布中心后分散到各個(gè)方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)音頻信號的隨機(jī)產(chǎn)生，完成即興音樂的創(chuàng)作工作。

4 系統(tǒng)測試

為檢測本文所設(shè)計(jì)的基于Android平臺(tái)的電子音樂系統(tǒng)的實(shí)用性，具體通過對系統(tǒng)的實(shí)際操作，以檢測通過系統(tǒng)界面和手機(jī)傳感器在實(shí)際中的實(shí)用效果，檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)具備良好的操作界面，能夠?qū)崿F(xiàn)控制音源和改變音效的功能，通過小球間的隨機(jī)碰撞可有效實(shí)現(xiàn)音頻信號的隨機(jī)產(chǎn)生，根據(jù)用戶的實(shí)際需要，完成即興音樂的創(chuàng)作工作，為電子技術(shù)在藝術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考，雖具備通用的實(shí)現(xiàn)框架，但為確保系統(tǒng)正常工作，基于音樂藝術(shù)性和技術(shù)工藝性的考慮，系統(tǒng)在不同版本手機(jī)中的應(yīng)用還有待于逐步調(diào)試更改，以適應(yīng)多用戶協(xié)調(diào)合作策略。

5 總結(jié)

本文主要研究了電子音樂系統(tǒng)，介紹了相關(guān)聲音合成技術(shù)，完成了基于Android平臺(tái)的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，開發(fā)平臺(tái)采用音頻開發(fā)組件簡單易操作的MIT App Inventor技術(shù)，闡述了音頻模塊的使用方式，在此基礎(chǔ)上完成了隨機(jī)移動(dòng)音樂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)具備通用的實(shí)現(xiàn)框架，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。