如何在 C 中进行声音合成？

Posted 2023-02-25

【中文标题】如何在 C 中进行声音合成？

【英文标题】：How to perform sound synthesis in C?

【发布时间】：2012-11-18 00:35:21

【问题描述】：

我正在使用 ST 板生成一个简单的乐器。基本上我有一个传感器，它可以检测运动或空间角度，并根据角度产生不同音高和音量的声音。我已经有了音频编解码器的驱动程序，所以我需要做的就是生成声音样本并将样本提供给它。现在我能够从传感器获得角度读数，但具有挑战性的部分是如何产生声音。到目前为止，从谷歌搜索来看，我认为我需要根据传感器的读数生成一个频率和幅度（音量）设置的 sin 函数。但是我的编解码器假设采样率为 0f 48KHz，那么我将如何针对固定采样率生成具有不同频率的正弦曲线？

到目前为止，我已经这样做了：

 samplingRate = 48000;
 n = 0;  // reset once there is a change in frequency

// this function is called 48000 times a second
int generateSineWave(float frequency, float volume)

  int temp = volume*(sin(2*pi*frequency*n);
  n = n + 1; 
  if (n == samplingRate) 
    n = 0;
  
  if (abs(temp) > MAXVAL) 
    return ERROR_CODE;
  
  return temp;

这似乎有效（我听到了一些声音），但我不确定它是否生成了正确的频率正弦波。我听到的声音也不是很悦耳，我将如何产生复杂的音调（例如钢琴中的音调）？我想我的控制变量（空间角度）也需要低通滤波。但除此之外，还有什么想法可以让我产生更悦耳的声波吗？

【问题讨论】：

如果你想学习计算机音乐合成，一个很好的资源是Stanford's Center for Computer Research in Music and Acoustics。许多关于几乎所有合成方法的出版物——采样、加法、减法、FM、PM（Karplus-Strong 等）——以及关于如何在现实硬件上实现算法的论文，以及指向软件包的链接实现算法。

【参考方案1】：

由于您以 48 kHz（每秒 48,000 个样本）进行采样，因此 1 Hz 正弦波完成一个周期需要一秒或 48,000 个样本。所以你需要标准化，或者除以采样率：

temp = volume * sin(2 * pi * n * frequency / samplingRate);

注意temp 必须始终在-volume 到volume 的范围内，因此您只需检查一次volume < MAXVAL，您可以在计算temp 之前检查一次，这将检测到错误（非常轻微）更有效。你会发现pi 已经在math.h 中为你定义为M_PI。

你提到的音调不是很悦耳。这是一个可能有问题的迹象，因为纯正弦曲线听起来不错，很纯净，而且通常令人愉悦。您可能会尝试的一件简单的事情是在过零处开始和停止您的音调。否则您会在过渡时听到咔嗒声或失真。或者，您可以通过乘以“斜坡”函数来淡入和淡出它们，您可以通过在短时间内将 float 从 1 减少到 0 来创建该函数。

一些C语言技巧：

• 您可以将n = n + 1 替换为++n。

• 你可以替换

 if (abs(temp) > MAXVAL) 
   return ERROR_CODE;
 
 return temp;

与

return abs(temp) > MAXVAL ? ERROR_CODE : temp;

• 如果您选择保留if，即使是单行正文也最好使用大括号，因为您可能有一天会添加另一行而忘记大括号。这是一个特别难以发现的错误，因为您会按照 预期 的方式阅读代码，而不是按实际情况阅读。相信我。 :-)

【讨论】：

感谢您的提示！我同意我有点草率。