第三章 數(shù)字聲音與MIDI簡介

第三章

數(shù)字聲音與MIDI簡介第一節(jié)數(shù)字聲音聲音的本質(zhì)聲音是攜帶信息的極其重要的媒體（20％）聲音是通過空氣傳播的一種連續(xù)的波，叫聲波，也具有反射、折射和衍射現(xiàn)象。聲音信號是由許多頻率不同的分量信號組成的復合信號。復合信號的頻率范圍稱為帶寬。帶寬為20Hz－20kHz的信號稱為音頻（audio）信號，可以被人的耳朵感知。聲音是時基類媒體。一、基本概念聲音：人耳所感覺到的空氣分子的震動，由振動的聲波組成。聲音主要有以下類型：波形聲音從聲音是振動波的角度而言，包含所有的聲音形式。語音人的說話聲雖是一種特殊的媒體，也是一種波形聲音，更重要的是它包含有豐富的語言內(nèi)涵，可以經(jīng)過抽象，提取特定成分，理解其意義。(80Hz－3400Hz)音樂形式更加規(guī)范，符號化了的聲音，樂譜可轉(zhuǎn)變?yōu)榉柮襟w形式。其它幾個基本概念純音：振幅和周期均為常數(shù)的聲音。復音：由不同頻率和不同振幅的聲波組合起來的聲音。語音、樂聲、自然界中的大部分聲音都不是純音?；簦簭鸵糁蓄l率最低的聲波。是決定聲音音調(diào)的基本因素，通常為常數(shù)。諧音：復音中其他頻率的聲波，或稱泛音?；艉椭C音組合起來，決定了特色聲音的音色（音質(zhì)）。聲音質(zhì)量的度量聲音的質(zhì)量與聲音的帶寬有關，一般來說頻率范圍越寬，聲音質(zhì)量也就越高。聲音類型帶寬電話語音200Hz－3.4kHz調(diào)幅廣播50Hz－7kHz調(diào)頻廣播20Hz－15kHzCD20Hz－20kHz二、聲音的三要素音調(diào)：與聲音的頻率有關，頻率快則聲

音高，頻率慢則聲音低。

次聲可聽聲<20HZ—20kHZ>超聲音強：又稱響度，取決于聲音的振幅，也即振幅的大小和強弱。音色：由混入基音的諧音決定。每個基音都有其固定頻率和不同音強的諧音，使得每個聲音具有特殊的音色效果。聲音的三要素是指音調(diào)、音強和音色。三、音頻信號數(shù)字化

聲音是連續(xù)信號，以連續(xù)波的形式傳播。而計算機只能處理數(shù)字信號，為使計算機能處理音頻信號，必須對音頻信號數(shù)字化。從模擬到數(shù)字聲源聲波傳聲器模擬電信號數(shù)字聲音計算機能夠處理的典型數(shù)字音頻：波形音頻（waveformaudio）數(shù)字方式表示聲波，存儲對波形采樣后得到的數(shù)字化信息，文件格式*.wav。MIDI音頻（MIDIaudio）電子合成器合成的聲音，文件格式*.mid。CD唱盤數(shù)字音頻（CDaudio）數(shù)字采樣技術制作的，把數(shù)字位1和0通過激光刻寫在盤片上（形式為微小的長短不等的凹坑），重放時用激光讀出數(shù)據(jù)，再通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號。常見的聲音文件格式模擬信號數(shù)字化的步驟：采樣、量化、編碼采樣：連續(xù)信號離散化，即按一定的時間間隔取值。

ADC(AnalogueDigitalConverter)采樣頻率：每秒鐘的采樣次數(shù)采樣頻率與聲音的質(zhì)量關系最為緊密。采樣頻率越高，聲音質(zhì)量越接近原始聲音，所需的存儲量便越多。標準的采樣頻率有：44.1KHz，22.05kHz，11.025kHz，8KHz等。1.采樣標準采樣頻率采樣頻率采樣次數(shù)/s聲音質(zhì)量8KHz8000電話音質(zhì)11.025KHz11025AM音質(zhì)22.05KHz22050FM音質(zhì)44.1KHz44100CD音質(zhì)48KHz48000DAT音質(zhì)說明：DAT指數(shù)字錄音帶格式（Digitalaudiotype）2.采樣定理奈奎斯特理論（NyquistTheory）認為數(shù)字采樣頻率的大小由聲音信號本身的最高頻率決定。指出：進行無損的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，采樣頻率至少是所采信號所含最高頻率的2倍。fs>=2f舉例說明：電話音質(zhì)：

電話話音的信號最高頻率約為3.4kHz，采樣頻率就應大于6.8kHz。選擇一個標準采樣頻率：8kHz。CD音質(zhì)：人耳聽覺的上限為20kHz，因此要獲得較佳的聽覺效果，采樣頻率要達到40kHz以上。選擇一個標準采樣頻率：44.1kHz。3.量化為了把采樣序列存入計算機，必須將樣值量化為一個有限個幅度值的集合。通常用二進制數(shù)字表示量化后的樣值。量化的過程：先將整個幅度劃分為有限個小幅度（量化階距）的集合，把落入某個階距內(nèi)的樣值歸為一類，并賦予相同的量化值。量化噪聲：量化誤差，隨階距變大而增加。

-(Δ/2)<=e(n)<=(Δ/2)量化位數(shù)/采樣字長：表示采樣值的二進制位數(shù)（比特數(shù)），決定了采樣值的精度。例如：量化位數(shù)16bit，可以表示65536個不同量化值，精度（階距）1/65536。量化位數(shù)8bit，可以表示256個不同量化值，精度（階距）1/256。整個過程描述：采樣值電壓范圍量化(dec)編碼(bin)0.5~0.7 3 0110.3~0.5 2 0100.1~0.3 1 001-0.1~0.1 0 000-0.3~-0.1 -1 111-0.5~-0.3 -2 110-0.7~-0.5 -3 101-0.9~-0.7 -4 1004.數(shù)據(jù)量的計算聲道數(shù)：指一次采樣所記錄產(chǎn)生的聲音波形個數(shù)（立體聲：要求聲道數(shù)至少是2個）數(shù)據(jù)量（字節(jié)/秒）=（采樣頻率*采樣字長*聲道數(shù)）/8數(shù)字聲音相關的參數(shù)質(zhì)量采樣頻率（kHz）樣本精度單道聲/立體聲數(shù)據(jù)率（kb/s）頻率范圍（kHz）電話88單道聲64200～3400AM11.0258單道聲8850～7000FM22.05016立體聲705.620～15000CD44.116立體聲1411.220～20000DAT4816立體聲153620～20000計算：一張CD唱盤容量為640MB，問最多能存儲多長時間的CD音質(zhì)，采樣字長為16bit的雙聲道立體聲歌曲？每秒：(44.1K*16*2/8)=176400Byte(640*1024*1024)/176400=3804s

=1h3min24sCoolEditPro2.0一款非常出色的音頻錄制、編輯、處理、混縮軟件第二節(jié)

音樂的基本常識一、基本常識

音樂起初是與巫術和宗教活動聯(lián)系在一起的，舜作“韶”、禹作“大夏”、武王作“大武”，“樂”被孔夫子列為“六藝”之一。后來，音樂從宗教中漸漸脫離出來，成為一種獨立的藝術。以小提琴為例，當它的A弦振動時，并不僅僅是整根弦在振動，這根弦的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一……處都在振動著。于是，整根弦的振動產(chǎn)生了最主要的頻率，我們稱之為基音，而弦長的二分之一、三分之一、四分之一等處的振動則產(chǎn)生了一些次要的頻率，我們稱之為泛音。

如果一個物體振動所發(fā)出的泛音為基音的整數(shù)倍，這個音就會具有清晰可辨的音高，我們稱之為樂音，如鋼琴，小提琴等發(fā)出的都是樂音；如果泛音是基音的非整數(shù)倍，這個音就不具備清晰可辨的音高，我們稱之為噪音，如汽車發(fā)動機、計算機風扇等發(fā)出的都是噪音。二、音樂的四要素音調(diào)：由基音的頻率決定。即“哆”“唻”“咪”等音符。響度：由聲波的振幅決定。音色：由基音與泛音的比例、泛音的分布、泛音隨時間的衰減變化決定。不同發(fā)音源（樂器）的材質(zhì)、形狀不同，其泛音的排列組合也不同，也就構成了這一物體特殊的音色。時值：樂音振動的持續(xù)時間，即節(jié)奏。三、電子音樂合成使用電子元器件（計算機）生成音樂的技術稱為電子音樂合成。電子音樂合成方法分為兩大類：模擬合成法：減法合成加法合成數(shù)字合成法：

FM頻率調(diào)制合成樂音樣本合成1、頻率調(diào)制（FM）合成法數(shù)字式頻率調(diào)制合成法，簡稱為FM合成法。FM電子合成器先由震蕩器產(chǎn)生一個載波作為基音，然后再產(chǎn)生若干個調(diào)制波帶著許多泛音加在載波之上，您可以對這個組合加以任意調(diào)整，然后加上典型的聲音包絡線（ADSR），再通過數(shù)控濾波器和數(shù)控放大器送往數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，從而形成最后的音響。由于一個物體不可能總是一成不變的振動，所以它的頻率和振幅都會隨著時間的改變而改變，并最終趨于靜止。我們把一聲音的發(fā)展過程分為四個階段，分別是觸發(fā)、衰減、保持和消失。這四個階段我們統(tǒng)稱為“包絡”。包絡的發(fā)生時間，也決定了一個樂音的時值。FM聲音合成器的工作原理由以下五部分組成：數(shù)字載波器調(diào)制器聲音包絡發(fā)生器數(shù)字運算器數(shù)模轉(zhuǎn)換器2、樂音樣本合成法樂音樣本合成法是把真實樂器發(fā)出的聲音以數(shù)字的形式記錄下來，播放時再加以調(diào)整、修飾和放大，生成各種音階的音符。樂音樣本通常放在ROM芯片上，播放時以查表的方式給出，所以這種合成器又叫做波表（wavetable）合成器。Wavetable合成器的工作原理

Wavetable合成器所需要的輸入控制參數(shù)比較少，可控的數(shù)字音效也不多，大多數(shù)采用這種合成方法的聲音設備都可以控制聲音包絡的ADSR參數(shù)，產(chǎn)生的聲音質(zhì)量比FM合成方法產(chǎn)生的聲音質(zhì)量要高。Wavetable合成器的衡量標準波表庫容量音調(diào)數(shù)（復音數(shù)）音色數(shù)特殊效果軟件波表與DLS軟件波表，故名思義就是用軟件來模擬硬件波表合成器，它的原理跟硬件波表完全一樣，只不過硬波表是把樂器的波形存放到ROM里，在需要的時候直接調(diào)用；而軟波表是把樂器的波形存到硬盤上的某一個文件里，在需要的時候通過CPU運算調(diào)用。所以，軟波表會占用比較多的CPU資源。著名的軟波表有YAMAHA公司的S-YXG系列和ROLAND公司的VSC系列，還有韓國COWON公司的JET-MIDI。由于硬波表價格難以令大眾接受并且不易升級，于是就有了價格便宜的DLS（DownloadableSoundModules）波表合成技術，這是個介于硬波表和軟波表之間的東西。它能把波表存儲在硬盤上，使用時再調(diào)入內(nèi)存然后通過聲卡上的專用音效芯片來處理。第三節(jié)MIDI簡介一、基本概念MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface）樂器數(shù)字化接口，是數(shù)字音樂的工業(yè)標準，是用于音樂合成器、樂器和計算機之間交換音樂信息的一種硬件和軟件國際標準。MIDI是音樂和計算機使用的標準語言，是一套指令（命令/消息）的約定，它指示合成器（MIDI設備）要做什么，怎么做，如演奏音符、加大音量、生成音響效果等。MIDI不是聲音信號，在MIDI電纜上傳送的不是聲音，而是動作指令。MIDI消息，是指樂譜的數(shù)字描述。任何電子樂器，只要有處理MIDI消息的微處理器和合適的硬件接口，就構成了一個MIDI設備。當一組MIDI消息通過音樂合成芯片處理時，合成器能解釋這些符號并且產(chǎn)生音樂。MIDI的關鍵是作為媒體能夠記錄這些音樂的符號，相應的設備能夠產(chǎn)生和解釋這些符號。它給出了一種得到音樂聲音的方法。二、MIDI術語MIDI文件通道Channels音序器Sequencer合成器Synthesizer樂器Instrument通道映象ChannelMapping復音Polyphony音色Timbre音軌Track合成音色映射程序PatchMapperMIDI的通道單個物理MIDI通道分為16個邏輯通道，每個邏輯通道可指定一種樂器。MIDI鍵盤可設置在16個通道中任何一個，MIDI合成器可以被設置在指定的通道上接受。三、MIDI的特點：與波形聲音相比，MIDI不是聲音數(shù)據(jù)而是指令，所以數(shù)據(jù)量要少得多。30分鐘的音樂，用MIDI文件記錄只需200KB，用16位CD品質(zhì)的未壓縮WAV文件記錄需317MB。

MIDI可以與其他波形聲音配合使用，形成伴樂的效果。而兩個波形聲音一般是不能同時使用的。對MIDI的編輯也靈活，用戶可以自由地改變音調(diào)、音色等屬性，直到自己想要的效果。與Mp3、Wav等音頻格式不同的是MIDI的播放質(zhì)量很大程度上取決于硬件或軟件的音源環(huán)境，也就是說同樣的MIDI文件在不同的電腦上可能有非常明顯的效果差別，究其原因是因為它們調(diào)用的波表音色庫不一樣。

MIDI在音質(zhì)上還不能與真正的樂器完全相似。無法模擬自然界中其它非樂曲類聲音。四、MIDI的物理接口標準MIDIIn（輸入口）接收從其他MIDI裝置傳來的消息。MIDIOut（輸出口）發(fā)送某裝置生成的原始MIDI消息。向其他設備發(fā)送MIDI消息。MIDIThru（轉(zhuǎn)發(fā)口）傳送從輸入口接收的消息到其他MIDI

裝置。各個MIDI設備通過專用的串行電纜(MIDI線)連接，并以31.25kbps（每字節(jié)10位）的速度傳送著數(shù)字音樂信息。MIDIThruOutIn五、MIDI設備的連接

不妨把MIDI理解成一種局域網(wǎng)，網(wǎng)絡的各個部分通過專用的串行電纜(MIDI線)連接，并以31.25kbps的速度傳送著數(shù)字音樂信息。六、MIDI技術規(guī)范

MIDI規(guī)范始創(chuàng)于1983年，由MIDI協(xié)會制定。它規(guī)定合成器、音序器、微機和鼓樂等都能通過一個標準的接口連接。MIDI1.0規(guī)范簡介：MIDI數(shù)據(jù)流是單向異步的數(shù)據(jù)位流（BitStream），速率為31.25KB/s，每個字節(jié)為10位（1位開始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位），脈沖周期320。通過5針DIN插座連接。電纜是帶屏蔽的雙絞線，不超過15m。除實時和專用消息外，全部MIDI消息是由一個狀態(tài)字節(jié)和一個或兩個數(shù)據(jù)字節(jié)組成的，并詳細規(guī)定了狀態(tài)字