計算器音樂系統的新思路探究

摘 要：在當前的計算機音樂領域，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。

關鍵詞：計算機；音樂系統；傳統音源的局限

[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—越好的采樣器數據量越龐大。在使用中，通常需要用大容量硬盤來保存這些采樣器。因此，采樣器一般只能應用于專業領域，在民用領域基本上是無能為力的。

2、合成器

合成器的理論基礎是傅里葉變換—滿足一定條件的某個函數能夠表示成三角函數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出的聲音并不那么規范而完美，而合成器的聲音太規整，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，也經常被應用于一些對于體積要求很嚴格的領域。比如手機和弦鈴聲大多采用FM合成技術。

合成器和采樣器各自存在著不同缺陷，那么如何設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、新音源的設計

上文說道，新音源的設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、寬音域的樂器，因此以鋼琴為例進行設計，應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果可以發現，它們在各個頻率上的峰值還是有明顯區別的。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別。而還原這個“不完美”，正是新音源的設計突破口所在。

2、設計思路

在專業音樂制作中，音源技術已經十分成熟。但是在一些對于音源大小有著嚴格要求的民用領域（比如手機），傳統的FM合成器的發聲效果已經完全跟不上用戶的需求。所以新音源的設計應該是針對民用領域而不是專業領域。如果新音源在音質上能夠比傳統音源明顯提高，且體積增加不大，那么它應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，從聲學角度來講，人的聽覺范圍是20Hz到20000Hz，因此對于新音源的設計來說，對于20Hz以下和20000Hz以上的頻率進行還原毫無意義。

3、設計步驟

1）頻譜設計

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，經過濾波、放大后試聽，發現這個聲音事實上是琴錘敲擊琴弦產生的噪音。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（L/A）合成法，根據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以保證聲音質量，為正弦波持續時間（秒），是初相。

接下來將這若干個正弦波相加，就成為了一個平穩的音頻信號。

3）振幅（音量）包絡

之前通過波形疊加得到的是一個平穩的鋼琴A音，這并不是真實的鋼琴音色，根據據時域ADSR包絡線理論，一個完整的音應該包括上升（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秒以內已經衰減到基本約等于0了。

振幅包絡一般采用幅度調制（AM）的方法。原理是將原始信號函數（平穩的鋼琴A音）與調制信號函數（包絡線）相乘，從而得到調制信號函數（最終的聲音）。

包絡線數據要以真實鋼琴A音的包絡線為基礎，進行44100Hz采樣保存后調用。

4）疊加噪音

在基礎音色的基礎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、結論

本方案針對的是民用領域的音源設計，以體積小巧、音質提升為核心目的。初步估算，音源系統主體部分應不會超過2MB，加上采集樂器頻譜、包絡、噪音以后，整個系統應該不會大于20MB，可以滿足民用小型設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域應有廣泛應用價值，并且可以根據實際需要增減樂器數量，是一種十分靈活的應用方案。

參考文獻：

1、李瀟（2011）.新時期電子音樂的蛻變與發展.《樂府新聲》.29（2）.

2、毛春靜，關永，劉永梅，吳敏華，劉旭敏（2009）.數字音樂合成器的研究與設計.《計算機工程與應用》.45（6）.

3、任達敏（2002）.計算機與MIDI音樂知識卡片（三十一）音色合成技術.《中國音樂教育》.（4）.

4、惠德，李國兵（2003）.FM音樂合成的研究與實現.《陜西工學院學報》.19（2）.