基于Android平臺的電子音樂系統設計與實現

錢甜

(西安航空職業技術學院 團委， 西安 710089)

0 引言

隨著移動終端技術的發展和完善，電子音頻技術在移動終端的應用得以普及，但多通過手機對某種樂器進行模擬以產生類似的聲音效果，用戶需要更多樣化的音源，對移動終端進行簡單易懂的電子音樂交互式系統搭建具有較高的實際應用價值，有助于隨機音樂即興演奏以實現即興創作的功能，一定程度上對演出模式進行了創新，提升用戶體驗。

1 數字音頻設計

1.1 調頻式聲音合成

調頻(FM)在對信息進行表示時通過記錄載波的瞬時頻率變化實現，載波的頻率作離散跳變(根據數據序列的值)，調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，載波表達式為式(1)。

Xc(t)=Acos(2πfct)

(1)

振蕩器的瞬時頻率由f(t)表示，一個方向上相對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xm(t)的幅值限于±1間，在Max MSP中的應用如圖1所示。

圖1 調頻應用

在實際的頻率調制過程中，載波體的振幅保持不變；調制體的頻率、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生影響。

這是因為音頻信號的改變通常具有周期性，調頻合成理論包含兩個元素即發音/載波體(實際發聲的頻率振蕩器)和調制體(調整變化載波所發出的聲音)，因此調頻合成理論的重點在于載波頻率、調制體頻率及調制數值?；镜恼{頻工具包含穩定不變的載波頻率fc(被加在調制振蕩器的輸出上)、調制頻率FM兩個正弦曲線振蕩器，振蕩器具有周期性的頻率、振幅、波形，當調制器發聲時，來自調制振蕩器的信號使載波振蕩器的頻率上下波動。調制體的振幅在頻率調制技術中起到關鍵作用，載波頻率調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中會受到調制體振幅變化的影響。

1.2 基于濾波的聲音合成技術

為使用戶對音源的多種操作得以實現，本文對手機兩個定位傳感器的映射主要通過樣品音源的設計實現，基于不同的濾波器完成Patch的創建：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進行描述；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濾波器；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，各濾波器的參數值可進行不同的設置(如粗糙度中斷、帶寬、增益、中間頻率等)，在此基礎上設計同一聲音文件生成類似的噪音音源，加載聲音文件時使用了對象控件(buffer、groove)，實時監控經過不同濾波器處理的信號波形通過biquad對象控件完成，音源設計者通過各濾波器上的display按鈕能夠對不同的濾波器進行選擇，兩個低通濾波器完成不同的截止頻率和帶寬參數值設置后再進行串聯處理，從而實現二階低通濾波器的創建，將此前設置的參數值使用scale以及ctlin控件功能實現同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構建一個帶通濾波器實現[1]。

2 音頻程序的開發設計

開發人員通過組件對應用程序功能進行設置，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

對聲音操作的實現：

(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屬性的設置，其中音量設置范圍通常在0到100間且需取整數，在Source屬性不同聲音樣本的播放通過Set Source To … mp3進行設置，通過Start或Pause鍵對所需操作進行控制，設計程序時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現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，設計該程序時，不同短文件的播放使用Set Source To … mp3實現，播放程序的控制則可通過使用Start/Stop Methods實現，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 隨機移動音樂系統的實現

對音樂元素和形式進行隨機組合，可以留給演奏者更大的創作空間，以實現不同音樂風格，具體可通過應用MIT App Inventor中數量相對有限的隨機元素等軟件程序實現隨機移動音樂系統。

(1) 使用隨機函數模塊，具體如圖3所示。

圖3 隨機函數示例

能夠完成隨機選擇性功能的創建，在所有的聲音樣本列表中，某個音源的隨機選擇通過pick random item實現，或在random integer模塊中產生一個隨機數(在一定范圍內)，再通過條件控制模塊( if. . . else…)產生一個聲音(通過大于/小于給定值)。

(2) 使用Designer的用戶界面進行設計，基本步驟為：添加7 個球到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)等按鈕的設置，實現用戶對畫布界面進行顯示/隱藏，在此基礎上可根據實際需要完成小球的添加/減小操作；然后對功能界面進行設計(在編輯器程序塊)，標記不同顏色的小球以一個隨機的初始位置接觸到畫布邊緣后(滾動的速度和方向也是隨機的)會觸發特定的聲音樣本，通過各小球的組合形式實現了音樂系統整體風格的隨機描述，如圖4所示[3]。

圖4 屏幕邊界音樂觸發模塊

當運動的球碰撞到其他小球時，小球的方向將會發生改變并觸發到特點的聲音樣本，具體操作邏輯如圖5所示。

圖5 小球相互撞擊后音樂觸發模塊

除此之外用戶在balls-dragging中可通過各球的拖動，實現對球的走向的自由決定，從而增加了音樂創作的隨機性[4]。

(3) 使用手機內置傳感器實現

通過在智能手機中創建兩個按鈕對加速度計和方向傳感器進行控制，界面中設有動畫指南針，在此基礎上設計了三個模塊(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現；畫布中運動的若干個小球的控制通過加速度計傳感器實現，以達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過程中集聚到畫布中心后分散到各個方向，進而實現音頻信號的隨機產生，完成即興音樂的創作工作。

4 系統測試

為檢測本文所設計的基于Android平臺的電子音樂系統的實用性，具體通過對系統的實際操作，以檢測通過系統界面和手機傳感器在實際中的實用效果，檢測結果表明該系統具備良好的操作界面，能夠實現控制音源和改變音效的功能，通過小球間的隨機碰撞可有效實現音頻信號的隨機產生，根據用戶的實際需要，完成即興音樂的創作工作，為電子技術在藝術系統中的應用提供參考，雖具備通用的實現框架，但為確保系統正常工作，基于音樂藝術性和技術工藝性的考慮，系統在不同版本手機中的應用還有待于逐步調試更改，以適應多用戶協調合作策略。

5 總結

本文主要研究了電子音樂系統，介紹了相關聲音合成技術，完成了基于Android平臺的系統框架設計，開發平臺采用音頻開發組件簡單易操作的MIT App Inventor技術，闡述了音頻模塊的使用方式，在此基礎上完成了隨機移動音樂系統的設計與實現過程，檢測結果表明該系統具備通用的實現框架，具有較高的實際應用價值。