简谱的录入及声音的合成输出 论文

1、* 实践教学*兰州理工大学计算机与通信学院2015年春季学期 信号处理课程设计报告 题 目： 简谱的录入及声音的合成输出 班 级： 通信工程12级（ 1 ）班 姓名： 赵文俊 设计质量（30分）： 学号： 12250106 说明书质量（10分）： 同组成员：成满仓 王爱强 武萌雅 岳晓彤 王慧 孙宇 王艾指导教师： 郑玉峰 摘要 声音处理是信号处理的一个重要分支。几乎所有的现代音乐都是用MIDI加上音色库来制作合成的。根据傅里叶分析，任何的声音都可以分解成无数多个正弦波。反之，声音的合成其实就是把多个不同频率和振幅的正弦波混合在一起，应用Matlab组成新的声音。本课程设计是基于MATLAB实

2、现了简单的简谱录入和声音的合成的功能。首先，我们通过学习简谱的基本入门知识，对“妈妈的吻”这首歌的简谱进行了具体的分析，确定了抽样频率并且找出高音、中音、以及低音所对应的频率。然后，通过编写程序，在MATLAB中运行结果，加法合成简单歌曲，达到了预期的效果。最后，我们画出滤波后信号的时域波形和频谱图，分析得到的信号的频谱，加深对声音处理的理解。关键字：Matlab、简谱、声音的合成 目 录前言1一、基本原理21.1 MIDI原理21.2简谱的基本知识2二、设计指标62.1目的及意义62.2设计任务及要求6三、设计步骤73.1音乐合成程序设计73.2 除噪音，加包络93.3 信号的时频分析10总

3、 结12参考文献14前言声音合成目前处于快速发展之中，在很多领域都有了很广泛的应用。它可以用于卡拉OK、玩具、电影、视频等诸多领域。在学术界致力于发展先进的软件合成技术的同时，1982年，国际乐器制造者协会通过了MIDI标准。1985年11月，国际乐器制造者重新定义了一些控制号码，此外，还专门成立了“MIDI厂商协会”等组织，MIDI标准从成长阶段步入了成熟阶段。MIDI标准的成熟使各电子乐器生产商生产出各种电子乐器，有键盘式的，弦欧式的、敲击式的甚至还有吹奏式的。1994年，YAMAHA公司在GM标准上推出了自己的XG的MIDI标准定义范围，在专业音乐范围内得到了广泛的应用。 现代的音乐制作

4、都是通过MIDI（music instrument digital interface，数字化乐器接口）和一些简单的声乐库构成的。MIDI音乐的制作过程中必须有音源、音序器、输入设备。MIDI传输的不是声音信号，而是音符、控制参数等指令，它指令MIDI设备要做什么，怎么做，如演奏多大哪个音符，多大音量等。它们被统一表示成MIDI消息。我们可以用计算机将MIDI文件包含的音乐信息传到有MIDI功能的发生器（数码乐器或音源器)中，然后由这些设备来识别出信息，发出乐声，最后进入扬声系统。 这个课程设计就是关于简谱的录入及其简单音乐的合成，通过这次设计我们可以更好地巩固和加深对MATLAB的使用，进一

5、步通过MATLAB观察信号的时域和频域波形，使得我们学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。Matlab语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件，它可以将声音文件变换为离散的数据文件，然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的呈现等。它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数，利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便捷。信号处理是Matlab重要应用的领域之一。一、基本原理1.1 MIDI原理 MIDI（music instrument di

6、gital interface），乐器数字化接口，可以理解为一种协议，一种标准，或是一种技术，但它并不是某个硬件设备。 MIDI仅仅是一个通信标准，它是由电子乐器制造商们建立起来的，用以确定电脑音乐程序、合成器和其他电子音响的设备互相交换信息与控制信号的方法，用于连接各种MIDI设备所用的电缆为5芯电缆，通常人们也把它称为MIDI电缆。 现代的音乐制作都是通过MIDI（music instrument digital interface，数字化乐器接口）和一些简单的声乐库构成的。MIDI音乐的制作过程中必须有音源、音序器、输入设备。通俗地说，音源就是提供音色的容器。音序器的任务就是记录音乐的基

7、本要素-速度，节奏，音色，音符的时指等，在播放的过程中，音序器会根据其内容指挥音源发音。输入设备类似于传统演奏乐器，而我们的演奏是通过MIDI OUT 出口传送到音序器，被记录为音序内容。1.2简谱的基本知识 一般来说，所有音乐的构成有四个基本要素，而其中最重要的是“音的高低”和“音的长短”：(1）音的高低：任何一首曲子都是高低相间的音组成的，从钢琴上直观看就是越往左面的键盘音越低，越往右面的键盘音越高。 (2)音的长短：除了音的高低外，还有一个重要的因素就是音的长短。音的高低和长短的标住决定了该首曲子有别于另外的曲子，因此成为构成音乐的最重要的基础元素。 (3）音的力度：音乐的力度很容易理解

8、，也叫强度。一首音乐作品总会有一些音符的力度比较强一些，有些地方弱一些。而力度的变化是音乐作品中表达情感的因素之一。 (4）音质：也可以称音色。也就是发出音乐的乐器或人声。同样的旋律音高男生和女声唱就不一样的音色；小提琴和钢琴的音色就不一样。上述四项构成了任一首乐曲的基础元素。应该说简谱基本可以将这些基础性元素正确标住。1.音符 在简谱中，记录音的高低和长短的符号，叫做音符。而用来表示这些音的高低的符号，是用七个阿拉伯数字作为标记，它们的写法是：1、2、3、4、5、6、7读法为：do、re、mi、fa、so、la、si（多、来、米、发、梭、拉、西）。 音符是和音高紧密相连的，没有一个不带音高的

9、音符。2.音高 音符的数字符号如1、2、3、4、5、6、7就表示不同的音高。在钢琴键盘上可以很直观地理解音符和音高。广义上说音乐里总共就有7个音符。3.音符的长短 音乐中的音符除了有高低之分外，当然还要表示长短之分。这里引用一个基础的音乐术语-拍子。拍子是表示音符长短的重要概念。表示音乐的长短需要有一个相对固定的时间概念。简谱里将音符分为全音符、二分音符、四分音符、十六分音符、三十二分音符等。在这几个音符里面最重要的是四分音符，它是一个基本参照度量长度，即四分音符为一拍。这里一拍的概念是一个相对时间度量单位。一拍的长度没有限制，可以是1秒 也可以是2秒或半秒。假如一拍是一秒的长度，那么二拍就是

10、两秒；一拍定为半秒的话，两拍就是一秒的长度。一旦这个基础的一拍定下来，那么比一拍长或短的符号就相对容易了。 用一条横线“”在四分音符的右面或下面来标注，以此来定义该音符的长短。下面列出了常用音符和它们的长度标记： 音符名称 写法 时值 全音符 5 四拍 二分音符 5 二拍四分音符 5 一拍 八分音符 5 半拍 十六分音符 5 = 四分之一拍 三十二分音符 5 八分之一拍 上例可以看出：横线有标注在音符后面的，也有记在音符下面的，横线标记的位置不同，被标记的音符的时值也不同。从表中可以发现一个规律，就是：要使音符时值延长，在四分音符右边加横线“”，这时的横线叫延时线、延时线越多，音持续的时间（时

11、值）越长。相反，音符下面的横线越多，则该音符时间越短。4.休止符 音乐中除了有音的高低，长短之外，也有音的休止。表示声音休止的符号叫休止符，用“0”标记。通俗点说就是没有声音，不出声的符号。 休止符与音符基本相同，也有六种。但一般直接用0代替增加的横线，每增加一个0，就增加一个四分休止符时的时值。5.半音与全音 音符与音符之间是有“距离”的，这个距离是一个相对可计算的数值。在音乐中，相邻的两个音之间最小的距离叫半音，两个半音距离构成一个全音。表现在钢琴上就是钢琴键盘上紧密相连的两个键盘就构成半音，而隔一个键盘的两个键盘就是全音。6.变化音将标准的音符升高或降低得来的音，就是变化音。 将音符升高

12、半音，叫升音。用“#”（升号）表示，一般写在音符的左上部分，如下所示： 标准的音降低半音，用“b ”（降号）表示，同样写在音符的左上部分。 基本音升高一个全音叫重升音，用“x”（重升）表示，这和调式有关。 基本音降低全音叫重降音。用“bb”（重降）表示。 将已经升高（包括重升）或降低（包括重降）的音，要变成原始的音，则用还原记号“”表示。7.附点音符 附点就是记在音符右边的小圆点,表示增加前面音符时值的一半,带附点的音符叫附点音符。8. 节奏 掌握读谱，首先要掌握节奏，练习掌握节奏要能准确的击拍。击拍的方法是：手往下拍是半拍，手掌拿起有半拍，一上一下是一拍。9.节拍 乐曲或歌曲中，音的强弱有规

13、律地循环出现，就形成节拍。节拍和节奏的关系，就像列队行进中整齐的步伐（节拍）和变化着的鼓点（节奏）之间的关系。10.单拍与复拍 单拍指每小节一个强拍。复拍每小节有一个强的，有若干个次强的。11.调式音阶 按照一定关系结合在一起的几个音（一般是七个音左右）组成一个有主音（中心音）的音列体系，构成一个调式。 把调式中的个音，从主音到主音，按一定的音高关系排列起来的音列，叫音阶。12.反复记号 表示记号内的曲调反复唱（奏）。13.装饰音 装饰音的作用主要是用来装饰旋律。它们用记号或小音符表示，装饰音的时值很短。 （1） 倚音： 指一个或数个依附于主要音符的音，椅音时值短暂。有前倚音、后倚音之分。 （

14、2） 颤音：由主要音和它相邻的音快速均匀地交替演奏。 （3） 波音：由主要音和它上方或下方相邻的音快速一次或两次交替而成。 （4） 滑音：主要音向上或向下滑向某个音。滑音分上滑音、下滑音两种。滑音除声乐能演唱这一技巧外，一切弦乐器都可演奏，但钢琴等键盘乐器是无法演奏这一技巧的。14.顿音记号 用三角符标记在音符的上面，表示这个音要唱（奏）得短促、跳跃。15.连音线 用上弧线标记在音符的上面，它有两种用法：（1） 延音线:如果是同一个音，则按照拍节弹奏完成即可，不用再弹奏;（2）连接两个以上不同的音，也称圆滑线。要求唱（奏）得连贯、圆滑。16.重音记号 用“”或“”或“sf”标记在音符的上面，表

15、示这个音要唱（奏）得坚强有力。当“”与“”两个记号同时出现时，表示更强。17.保持音记号 用-标记在音符的上面，表示这个音在唱（奏）时要保持足够的时值和一定的音量.18.小节线 用竖线将每一小节划分开线叫小节线。二、设计指标2.1目的及意义声音处理是信号处理的一个重要分支。几乎所有的现代音乐都是用MIDI加上音色库来制作合成的。本次课程设计要求学生设计一个简单的音乐记录及合成系统。通过这次课程设计欲达到以下目的：1) 巩固课程所学的有关理论知识。2) 加深对信号频率的理解和掌握。3) 掌握MATLAB软件的基本使用。4) 学会运用MATLAB软件进行一些仿真和设计。2.2设计任务及要求设计一个

16、简单的简谱记录及合成输出系统1) 建立记录音乐的模型；2) 根据该模型记录“妈妈的吻”这首歌曲；3) 建立一个简单的声色库；4) 使用MATLAB软件输出“妈妈的吻”歌曲（在计算机上播放）。5) 分析得到的信号的频谱，并画出滤波后信号的时域波形和频谱图。三、设计步骤3.1音乐合成程序设计 （1）对于任意一小段音乐，首先选取抽样频率fs=8000Hz,然后利用“十二平均律”计算该音乐中各个乐音的频率，产生并播放这些乐音。分析音乐的频谱，从中识别出不同的乐音。为了简化程序，我们将用字母a表示低音，b表示中音，c表示高音。 由上表可进行如下定义：a1=261.63;b1=532.25;c1=1046

17、.50;a2=293.67;b2=587.33;c2=1174.66;a3=329.63;b3=659.25;c3=1318.51;a4=349.23;b4=698.46;c4=1396.92;a5=391.99;b5=783.99;c5=1567.98; a6=440; b6=880; c6=1760;a7=493.88;b7=987.76;c7=1975.52; （2）根据时间长短来区别各个音符拍长短，根据频率高低来区别各个音符的音调。“妈妈的吻”为四分音符为一拍，具体细节参考“十二平均律”，将每段乐音连接起来，使用sound函数播放乐音。源程序：clc,clear,close all,f

18、s=8e3;a1=261.63;b1=532.25;c1=1046.50;a2=293.67;b2=587.33;c2=1174.66;a3=329.63;b3=659.25;c3=1318.51;a4=349.23;b4=698.46;c4=1396.92; a5=391.99;b5=783.99;c5=1567.98;a6=440;b6=880;c6=1760;a7=493.88;b7=987.76;c7=1975.52;freq=b1,b1,b2,b3,b3,b2,b1,b1,a6,a5,b1,b1,b2,b3,b2,b1,b2,b1,b1,b2,b3,b3,b3,b2,b2,b1,a6

19、, a6,b1, . b2,b2,b1,a6,b1,b1,a6,a5,a5,a5,a6,b1,b1,b2,b2,b1,a6,b2,b2,b3,b2,b1,b1,b2,b1,a6,a5,a6,. a5,a5,a6,b1,b2,b3,b5,b2,b3,b1,b2,a6,a6,b2,a7,a6,a5,b5,b5,b5,b5,b3,b5,b6,b6,b5,b3,. b6,b6,b6,b6,b5,b3,b2,b6,b5,b6,b5,b3,b2,b3,b2,b1,a6,b2,b2,b2,b2,b2,b2,b1,a6,a5,. b6,b5,b6,b6,b5,b3,b2,b2,b3,b2,b1,a6,b2,b

20、2,b2,b2,b2,b2,b1,a6,b3,b5,b5,b5;n= 1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4, 1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4, . 1/2,1/4,1/4,1/4,1/4,1/4,1/4,1,1/2,1/4,1/4,1/2,1/2,1/2,1/4,1/4,1,1/2,1/4,1/4,1/2,1/2,1/4,1/8,1/8,1/4,1/4,1,. 1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1/4,1

21、/4,1/2,1/2,1/2,1/2,1/2,1,1/2,1/4,1/2,1/4,1/4,1,1/2,1/4,1/4,. 1/2,1/4,1/4,1/4,1/4,1/2,1,1,1/2,1/2,1/2,1/2,1/4,1/4,1/4,1/4,1,1/4,1/4,1/8,1/4,1/4,1/4,1/4,1/2,1,. 1/2,1/4,1/4,1/4,1/4,1/2,1/4,1/8,1/8,1/4,1/4,1,1/4,1/8,1/8,1/4,1/4,1/4,1/4,1/2,1/2,1/2,1,1*fs;N=sum(n)；D=zeros(1,N);X=1;for k=1:133 D(X:X+N(k)

22、-1)=(sin(2*pi*freq(k)*(1/fs:1/fs:N(k)/fs); X=X+N(k);end;sound(D,fs);3.2 除噪音，加包络 在4.1中听到有“啪”的杂声，下面通过加包络来消噪音。最简单的包络为指数衰减。最简单的指数衰减是对每个音乘以因子，在实验中首先加的是的衰减，这种衰减方法使用的是相同速度的衰减，但是发现噪音并没有完全消除，播放的音乐效果不是很好，感觉音乐起伏性不强。于是采用不同速度的衰减，根据乐音持续时间的长短来确定衰减的快慢，乐音持续时间越长，衰减的越慢，持续时间越短，衰减的越快。在4.1程序的基础上加上包络，编写如下程序：clc,clear,clos

23、e all,fs=8e3;a1=261.63;b1=532.25;c1=1046.50;a2=293.67;b2=587.33;c2=1174.66;a3=329.63;b3=659.25;c3=1318.51;a4=349.23;b4=698.46;c4=1396.92; a5=391.99;b5=783.99;c5=1567.98;a6=440;b6=880;c6=1760;a7=493.88;b7=987.76;c7=1975.52;freq=b1,b1,b2,b3,b3,b2,b1,b1,a6,a5,b1,b1,b2,b3,b2,b1,b2,b1,b1,b2,b3,b3,b3,b2,b

24、2,b1,a6,a6,b1;n=1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4,1/2,1/4,1/4*fs;N=length(n);D=zeros(1,N);X=1;for k=1:133 %利用循环产生抽样数据，k表示乐音编号 t=1/fs:1/fs:n(k)/fs; %产生第k个乐音的抽样点 G=zeros(1,n(k); %G为存储包络数据的向量 G(1:n(k)=exp(1:(-1/n(k):1/8000); %产生包络点 D(X:X

25、+n(k)-1)=sin(2*pi*freq(k)*t).*G(1:n(k); %给第k个乐音加上包络 X=X+n(k); endsound(D,8000); %播放plot(D);播放后可以听出噪音已经消除，同时因为不同时长的乐音衰减的快慢不一样，音乐听起来更有起伏感，下图是加包络后的D图像。 图 1 加包络后的D图像。3.3 信号的时频分析（1）信号的时域分析首先给出横坐标，即时间，根据设定的信号的振幅、初相，写出时域波形的表达式；然后对时域波形信号进行傅里叶变化，得到频域波形；最后使用plot函数绘制各个响应图。源程序：clc,clear,close all,a1=261.63;b1=5

26、32.25;c1=1046.50;a2=293.67;b2=587.33;c2=1174.66;a3=329.63;b3=659.25;c3=1318.51;a4=349.23;b4=698.46;c4=1396.92; a5=391.99;b5=783.99;c5=1567.98;a6=440;b6=880;c6=1760;a7=493.88;b7=987.76;c7=1975.52;w=b1,b1,b2,b3,b3,b2,b1,b1,a6,a5,b1,b1,b2,b3,b2,b1,b2,b1,b1,b2,b3,b3,b3,b2,b2,b1,a6,a6,b1 ; for k=1:length

27、(w) A=4;a=0*pi/3; T=1/w(k); fs=15*w(k);Ts=1/fs; t=0:Ts:3*T-Ts; N=length(t); x=A*sin(2*pi*w(k)*t+a); plot(t,x) xlabel(t(s),ylabel(x(t),title(时域波形图) hold onend运行结果如下： 图2 时域波形图（2）信号的频域分析clc,clear,close all,a1=261.63;b1=532.25;c1=1046.50;a2=293.67;b2=587.33;c2=1174.66;a3=329.63;b3=659.25;c3=1318.51;a4=3

28、49.23;b4=698.46;c4=1396.92; a5=391.99;b5=783.99;c5=1567.98;a6=440;b6=880;c6=1760;a7=493.88;b7=987.76;c7=1975.52;w=b1,b1,b2,b3,b3,b2,b1,b1,a6,a5,b1,b1,b2,b3,b2,b1,b2,b1,b1,b2,b3,b3,b3,b2,b2,b1,a6,a6,b1 ; for k=1:length(w) A=4;a=0*pi/3; T=1/w(k); fs=15*w(k);Ts=1/fs; t=0:Ts:3*T-Ts; N=length(t); x=A*sin(2*pi*w(k)*t+a); y0=fft(x,2001); plot(w(k),abs(y0); xlabel(f(Hz),ylabel(|X(jw)|),title(信号幅度谱) hold on end运行结果如下： 图3 频域波形图 总 结经过全体师生的努力，这次的数字信号处理课程设计终于顺利完成了。在这次课程设计中，我们又巩固了信号处理这门课程，并且主要又运用了MATLAB软件，运用MATLAB软件进行一些仿真和设计。