基于MATLAB的音乐电子琴制作

基于MATLAB的音乐电子琴制作

简述：电子琴的每个音阶均对应一个特定频率的信号，通过调用数字信号发生器产生一系列指定的频率的声音，从而达到虚拟的电子琴的功能。本次设计是基于MATLAB GUI 程序实现的一个音乐键盘仿真系统。

1 功能介绍

总体设计框图如下图所示，其包括单音键盘发音模块，音效长短的选择模块，包络的选择模块，实现键盘代替鼠标输入模块，双音多频模块，演奏音乐模块，播放歌曲，视频模块包括对文件播放的暂停，停止和复位，多键盘输入对输入后统一播放模块和画图模块。

Matlab的数据采集工具箱(DAT)提供了一系列的函数和命令来实现实时模拟信号的输出, 通过调用这些函数和命令可以直接控制声卡输出虚拟信号。只需要一台带有普通多媒体声卡并安装了Matlab 软件的计算机就可以满足要求实现虚拟信号的输出, 系统结构简单方便。交互界面如图1所示：

图1 程序的交互界面

1）单音键盘发音模块

设计一个带参子函数实现键盘的发音功能，当实现需要实现音阶的播放时，只要调用这个子函数，并根据不同音阶、不同音调的频率改变子函数的参数即可。

2) 音效长短的选择模块

制作一个button group的组控件分别选择不同的控件实现不同的音效长短，音效的长短是通过改变播放一个音阶的时间长短来实现的。

3）包络的选择模块

制作一个button group的组控件分别选择不同的控件实现不同的包络，在模块一的基础上，设置选中不同的控件分别对应不同的包络，x为不同包络（如正弦波、三角波、指数等）的表达形式，将x与模块一中实现单音键盘发音的函数相乘时便可实现不同形式的衰减，实现音型的改变。

4）实现键盘代替鼠标输入模块

根据计算机键盘上的不同按键对应不同的ASCII码的值，利用函数get()获取当前所按下的数字键对应的ASCII码的值，根据 ASCII码的值判断对应是按下键盘的值。并执行相应音阶的功能键。

5）双音多频模块

通过设置一个radio button 来实现双音多频的功能，设置一个全局变量，当选中该控件时，全局变量的值改变，即在带参的子函数中增加它的频率分量。就可以实现双音多频功能。

6）演奏音乐模块

通过设置一个push button键来实现，按下该键时，可以选择事先自己编好的txt的文档，通过这个文档就可以播放音乐。

7）播放歌曲，视频模块

根据matlab提供的函数，视频时首先对文件的名字和路径进行提起，直接对文件的播放。音乐的则是首先对文件的名字和路径进行提起，得到名字和路径后就对该文件进行采样，使其离散化。最后实现对文件的播放。

8）多键盘输入对输入后统一播放模块

该功能实现先对键盘输入内容进行存储，当输入完成后就可以按播放键对刚才的存储内容进行播放，本功能通过radio button键实现的键盘输入的存储，当该建被选中时，则会不断的扫描键盘是否有键盘按下，并对按下键进行存储，直到该键没有被选中为止，同时设置一个push button键对存储的信息进行播放，播放完成后自动清除存储的内容，以便下一次存储。

9）画图模块

该模块的功能是根据播放每一个音符的数组画出每一个音符的波形，使我们对播放的音型可以一目了然，便于观察与分析。

程序由两个部分组成：MATLAB代码（.m文件）和GUI图形（.fig）。

备注：软件版本：MATLAB R2011b

2.1单音键盘发音模块

根据要求，首先利用push button键作为单音键盘的发音键。1~7七个音阶对应高中低三种不同的音调共21个键，还有15个辅音，共36个按键。如图2所示，白色的按键代表音调键，前7个是低音的七个音阶，中间7个是中音的七个音阶，后面7个是高音的七个音阶，黑色的代表辅音。

查阅相关资料可知，发音频率对应的表达式为f=440*2^((s-49)/12)，当所发音为低音时s的取值为31~37，发中音时s的取值为40~46，发高音时s的取值为49~55。为了程序设计简化目的，设计一个名为gangqin(s)的子函数。有以上带参的子函数后则每个键盘下面的程序非常简单，然后在每个push button键的callback函数中调用该子函数即可，如gangqin（45）；

图2 单音键盘发音模块

具体代码参见：

function gangqin(s)

2.1.1音效长短的选择模块

制作一个button group的组控件分别选择不同的控件实现不同的音效长短，该组控件包括三个radio button分别对应不同的音效长短（长，中，短）。音效长短的改变实质上是改变其音阶播放时间的长短，定义一个全局变量T通过改变T的值来改变音效的长度，gangqin的子函数如上面所示。界面如图3所示：

图3 音效长短的选择模块

具体代码参见：

Function yinxiao_Callback (hObject, eventdata, handles)

2.2包络的选择模块

制作一个button group的组控件分别选择不同的控件实现不同的包络，该组控件包括三个radio button分别对应不同的包络。如图4所示，定义了方波、三角波和正弦波三种不同形式的包络可供选择。

图4 包络的选择模块

将组合键中的button group键的Tag的值设置为“baol”，三个radio button键分别对应指数波、三角波、正弦波，相应的Tag设“zhishu”、” sanjiao”、” zhengxian”，def=get(de,'tag')获取三个Radio Button键中Tag的值，设置一个全局变量p，用switch函数实现，当case为 ' zhishu '时，p的值1; case 为' sanjiao '时，p的值2; case 为' zhengxian ' 时p的值为3。把p的值反应到gangqin（s）的子函数中，在子函数中根据不同的p的值选用不同的包络，即可实现不同的包络，所发出的音型便不一样。由于电子琴的实验结果是声音，难以用文字表达，在下面仅用几张图片展示一下结果。

图5 正弦波包络