CN1527280A

CN1527280A - 音乐合成的音阶产生方法

Info

Publication number: CN1527280A
Application number: CNA031051405A
Authority: CN
Inventors: 杨凰琳
Original assignee: Inventec Besta Co Ltd
Current assignee: Inventec Besta Co Ltd
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2023-03-04
Also published as: CN1271592C

Abstract

一种音乐合成的音阶产生方法，是利用同一个音阶的波形资料，以合成出各种不同的音阶，首先取得一基本音阶与一合成音阶的频率；再计算该基本音阶与该合成音阶的频率比值，以建立一频率比值表；接着以一取样频率对该基本音阶取样，产生至少一个以上样本点；最后根据该频率比值表及该样本点数，计算代表合成音阶的样本点数，以完成音阶合成。

Description

音乐合成的音阶产生方法

技术领域

本发明是关于一种音乐合成的音阶产生方法，特别是关于一种以不同的取样周期针对同一音阶频率重新取样以产生不同音阶频率的音阶产生方法。

背景技术

随着移动商务时代的来临，一向诉求短小轻薄、功能齐全，而且强调可以让使用者随时随地带着走的手持式电子装置(例如电子字典、个人数字助理、可携式计算机、移动电话、电子字典等)个人移动商品也一直不断的在推陈出新，并且在市场上受到越来越多人的喜爱与使用，然而市场上对于个人移动商品的发展却不因此满足而停滞，反而企图能够朝向更多元化的应用领域去迈进，其中的原因是这些产品的轻薄短小的特性，性能虽不像桌上型计算机来得强大，但却都能满足的使用者的部分需求，例如电子字典的出现即解决翻阅字典查询的不便以及笨重的问题。

然而，这些手持式电子装置均具有轻薄短小的特性，因此产品设计时便必须牺牲运算速度及储存容量，其扩充性具有一定的难度。因此，在考虑运算速度及储存容量的情况下，很多应用程序的设计就不得不重新的修正，以便在这些手持式电子装置上使用。

运算速度以及储存容量便限制的上述手持式电子装置的音乐音质。这是因为接近乐器原音的音色表现，需要庞大的内存来储存，且在运算上也需要加以提升，况且纪录各种乐器音色所需要的内存的确会相当的庞大，这就是为什么这些手持式电子装置一直无法出现动听的音乐的原因。在音乐合成的技术中，包括有乐器音乐波形合成技术、节奏控制及混音技术、以及音阶产生方法等。因此，音阶的产生方法为音乐波形合成中一项非常重要的技术。

因此，一种以同一个音阶的资料合成出不同的音阶的技术，可以节省手持式或掌上型电子装置的内存，从而仿真出更真实的音乐。

发明内容

鉴于以上公知技术的问题，本发明的主要目的在于提供一种可以节省海量存储器的音阶产生方法，是利用同一个音阶的波形资料，合成出各种不同的音阶。

本发明的另一目的在于提供一种有效率且简单的音阶产生方法，是对一个音乐波形取样，再以线性内差法计算出各种音阶波形的样本点，其中各不同音阶的音高比值预先储存于一音频比值表中，使得产生其它音阶时可以更有效率。

本发明的所公开音阶产生方法其概念是改变音乐的音阶，可藉由改变音乐资料的取样周期来达成，取样周期的改变相当于音乐周期或频率的改变，于是达成改变音阶的目的。亦即以取样点来合成音乐的不同音阶，音阶变低取样点变多，音阶变高取样点变少。

因此为达上述目的，本发明所公开的音阶产生方法，包括有下列步骤

首先，取得一基本音阶与一合成音阶的频率；接着，计算该基本音阶与该合成音阶的频率比值，以建立一频率比值表；再以一取样频率对该基本音阶取样，产生至少一个以上样本点；最后根据该频率比值表及该样本点数，计算代表合成音阶的样本点数，以完成合成音阶的音阶频率。

有关本发明的特征与实际操作，兹配合附图作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的音阶产生方法的方法流程图；

图2是为某乐器音阶C6为基本音阶的一个周期波形，其频率为1048Hz，每个取样点的取样频率为22.05kHz；

图3说明将基本音阶C6的波形资料每隔两个样本点取样一个所得到合成音阶C7的波形资料；

图4说明将基本音阶C6的波形资料重新每两个样本点中多插入一个样本点所得到合成音阶C5的音阶波形，其插入样本点的值为两个样本点的平均值；

图5为钢琴音乐波形的合成音阶；以及

图6为钢琴音乐波形的合成音阶的音乐频谱。

图中：

步骤100取得一基本音阶与一合成音阶的频率

步骤200计算该基本音阶与该合成音阶的频率比值

步骤300建立一频率比值表

步骤400以一取样频率对该基本音阶取样

步骤500完成合成音阶的音阶频率合成

具体实施方式

以一个音阶为基础，在五线谱上按照高低排列若干音的阶级，一直到高八度音为止，就成所谓的音阶。在每一个八度音域中，包含着五个全音和两个半音，即所谓的「自然音阶」，亦即每一个八度音阶中包括有十二个半音。

音乐音阶的高低有一特定的频率，依据目前通用的乐律标准，是定义中央C4(Do)所在的那一个音阶中的A4标准音(亦即La的音阶)为440Hz以此频率定义其它音阶的频率。其关系是对于同一音阶，升八度则音频加倍，低八度则音频减半；在同一八度中的各个音阶，则依比率分的，由于一个八度共有十二个半音，故每升高半个音阶，频率升高2^1/12。因此，中央音阶每一个音阶的音频分别为Do(C4)为262Hz、Re(D4)为394Hz、Mi(E4)为330Hz、Fa(F4)为349Hz、So(G4)为392Hz、La(A4)为440Hz、Si(B4)为494Hz。

由于音阶的频率有一定的规则可循，因此，本发明藉由上述的规则来仿真各种不同的音阶，以节省内存空间。

依据本发明所公开的概念，改变音乐的音阶，可藉由改变音阶频率的取样周期来达成。而取样周期的改变可视为音乐周期或频率的改变，于是达成改变音阶的目的。亦即以取样点来改变音乐的音阶，而取样点的样本数则与依据不同的「八度」来决定，较低的音阶其取样点样本点较多，较高音阶其取样点样本点变少。

例如，图2为某乐器音阶C6为基本音阶的一个周期波形，其频率为1048Hz，图2中每个取样点的取样频率为22.05kHz。以基本音阶C6产生合成音阶C7，依据上述规则，则合成音阶C7的频率，可由对基本音阶C6的波形重新取样而得。由于合成音阶C7比基本音阶C6高八度音，依据乐律标准，合成音阶C7的音频为基本音阶C6音频的两倍，因此其音频为2096Hz，又频率与周期成反比关系，故音频两倍，周期正好是1/2。

因此只要将基本音阶C6的波形数据每隔两个样本点取样一个即可得到合成音阶C7的波形资料，如图3所示。

再以合成音阶C5为例，如图4所示，也可由基本音阶C6算出。因为合成音阶C5比基本音阶C6低八度音，故音频减半，周期正好是两倍，因此只要将合成基本C6的波形数据重新每两个样本点中多插入一个样本点，即可得到合成音阶C5的音阶波形，其插入样本点的值为两个样本点的平均值。

请继续参考图1，为本发明所公开的音阶产生方法的方法流程图，如图所示，首先，取得一基本音阶与一合成音阶的频率(步骤100)，并计算该基本音阶与该合成音阶的频率比值(步骤200)，其中该比值包括有一整数部分与一小数部分，以建立一音频比值表(步骤300)；接着以一取样频率对该基本音阶取样，产生至少一个以上样本点(步骤400)；最后，再根据该整数部分与该小数部分计算代表合成音阶的样本点数，以完成合成音阶的音阶频率合成(步骤500)。

以上的举例为合成音阶的倍数恰好为基本音阶的整数倍或整数倍分之一，但是一般合成的欲产生的音阶，其频率不会正好是基本音阶的整数倍或整数分之一，因此，必须有所修正，其合成音阶波形的取得，说明如下。

假设x[n]，n＝0，1，2，3，....N，为储存的某乐器波形的某一音阶的频率数据，共有N个样本点数。现在要由某乐器波形资料x(n)产生另一个音频的乐器波形资料y[m]，m＝0，.，1，2，....M，共有M个样本点，且假设y[m]周期与x[n]周期的比值为Ratio，则由下列的步骤可将y[m]的波形资料算出，首先：令Phase＝0，m＝0，n＝0，接着令r＝Phase的小数部分，n＝Phase的整数部分，以y[m]＝x[n]*(1-r)+x(n+1)*r公式计算合成音阶的频率值，再令m＝m+1，Phase＝Phase+Ratio，重复上述的步骤即可完成合成音阶的频率合成。

以一实施例说明如何用一个已储存的音乐波形(音阶C4)如何产生其它音频的波形。

首先建立一音频比值表，音频比值表是为欲合成音阶与已储存的基本音阶的比值，本实施例中基本音阶为音阶中央音阶C4，音频比值表内容unsigned int Ratio[128]＝{2047，2169，2298，2435，2580，2733，2896，3068，3250，3444，3649，3866，4095，4339，4597，4870，5160，5467，5792，6137，6501，6888，7298，7732，8191，8679，9195，9710，10321，10935，11585，12274，13303，13777，14596，15464，16383，17358，18390，19483，20462，21870，23170，24548，26007，27554，29192，30928，32767，34716，36780，38967，41285，43740，46340，49096，52015，55108，55385，61857，65536，69432，73561，77935，82570，87480，92681，98193，104031，110217，116771，123715，131072，138865，147123，155871，165140，174960，185363，196386，208063，220435，233543，247430，262144，277731，294246，311743，330280，349920，370727，392772，416127，440871，467087，494861，524288，555463，588493，623487，660561，699840，741455，785544，832255，881743，934175，989723，1048576，1110927，1176986，1246974，1321122，1399681，1482910，1571088，1664510，1763487，1868350，1979447，2097152，2221855，2353973，24939482642245，2799362，2965820，3142177}。其中Ratio[Note]表示音符Note与音阶C4(Note＝64)音频的比值，Ratio[64]＝65536代表比值是1，小于65536代表比1小的值，大于65536代表比1大的值，则上列合成步骤中的Phase＝Phase+Ratio改为Phase＝Phase+Ratio[Note]即可完成合成音阶的合成。

图5与图6分别为利用上述方法产生的钢琴音乐波形及频谱图，其取样频率为22.05kHz、16位，音频从低三个八度音的Do到高三个八度音的Do，在降为低三个八度音的Do。图6中纵轴为频率，横轴为时间，颜色的深浅代表频谱振幅强度，从图中可以看出音频变化的情形，在接近中间的地方(C7)，低频部分有失真现象(alias)，此现象可在计算音频波形前，先用一低通滤波器，将高频信号滤掉加以解决。在频谱两侧，音频较低的部分，可看出其较高频的成分越来越少，造成低音时的失真，此时可储存另一个较接近合成音阶的波形资料，来产生合成音乐波形，以达到较好的音乐效果。

发明的功效

本发明所公开的音乐波形的音阶产生方法，只需记录一个音阶的音乐波形资料，藉由简单的运算，即可产生各种不同的音乐波形，且以C++程序语言撰写完成，并在PC上验证成功，在音阶变动范围在三个八度的内时，其产生的效果非常的好，而在三个八度的外，必要时可用另一个音阶的音乐波形资料产生，以达最好的效果。

虽然本发明以前述的较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习相像技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求的范围所界定者为准。

Claims

1.一种音乐合成的音阶产生方法，包含下列步骤：

取得一基本音阶与一合成音阶的频率；

计算该基本音阶与该合成音阶的频率比值，

根据该频率比值建立一频率比值表；

以一取样频率对该基本音阶取样，产生至少一个以上样本点；

根据该频率比值表及该至少一个以上样本点，计算代表合成音阶的样本点数，以完成合成音阶的音阶频率。

2.如权利要求1所述的音乐合成的音阶产生方法，其中该频率比值包括有一整数部分与一小数部分。

3.如权利要求1所述的音乐合成的音阶产生方法，其中该完成合成音阶的音阶频率的步骤中，是以内差法计算。

4.如权利要求1所述的音乐合成的音阶产生方法，其中该合成音阶样本点数是为基本音阶的样本点乘以(1-该小数部分)加上次一基本音阶的样本点乘以该小数部分。