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电子琴与电子音乐:(一)电子音乐的过往

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ID:283954 发表于 2022-12-22 18:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
(一)电子音乐的过往 作者:蔡培强 10:53pm 09/05/2022

    乐器,就是一种经过人类加工,并在外力作用下发生震动而发出声音的器具,这样的定义准确吧?而电子乐器也是基于这个原理,就是用一个振荡器线路,通过改变线路中电阻的阻值,配合电容形成不同的充放电周期,因而产生特定频率的交流电去推动扬声器的纸盆,发出听得见的声音。

    在我开始制作电子琴的七十年代,晶体管已经普及,用两个晶体管组成多谐振荡器很容易造出简单的电子琴,后来数字IC普及了,用门电路组成的振荡器也很容易做,最吸引人的是,把产生的方波用二进位电路除二,就能产生低八度的音符,所以用一个CD4020B类的IC就产生10个八度的全音域音符,再用滤波器把方波过滤成各种波形,就能模拟各种乐器的音色。

    上述这些制造电子琴的方法都只是业余电子爱好者玩玩而已,而厂家做的就比较复杂,比如必须能够同时发出几个音符等,八十年代初已经可以买到YAMAHA的落地式电子钢琴ELECTONE(图1),我也买了一台用重复录音的方式录了几首歌,由于那台琴没有转调功能,我得拆开琴盖,将控制板中RC振荡器的电阻改成可调电阻用来实现转调,后来CASIO推出手提电子琴,我用CMOS模拟开关(CD4066)去控制CASIOTONE(图2)的琴键来实现“自动弹奏”,并为此制作了一个EPROM烧录器(图3)来写入歌曲的音符,自动弹奏了几段旋律,由于我那时还没有学CPU,就去找表演艺术学院的院友帮忙,他那时在珠光大厦搞电脑,那时是1981年。

    这个“用电脑自动弹奏”的设想直到1989年才由他实现,那就是声霸卡,初期的声霸卡叫CMS卡,采用的是YAMAHA芯片,声音是振荡器加调制器产生,用IBM电脑控制YAMAHA芯片自动演奏音符,虽然音色不佳,作为游戏发声之用已经足够,因此风行一时。

    后期的声霸卡音色大大改进,那是因为用了另一种发声原理:音波表(WAVETABLE)发声法,对真乐器的声波进行ADC(模数转换器)采样记忆,播放时用DAC(数模转换器)还原声波,并进行渲染,这样产生的音色与真乐器很像,这项技术是从收购美国的一家音源公司EMU而来,该技术拥有专利,如今这项技术已经公开让人使用,称为SOUNDFONT, 网上可以找到文件尾辍为SF2的软音源就是基于这项技术的应用,其他公司在同一时期也发展出类似的音波表发声技术,用于各自生产的电子琴(有声音的),或者做成独立的音源(SOUND MODULE),用MIDI CONTROLLER(没有声音的电子琴)以MIDI讯号控制发声。

    音波表发声法只是解决了电子乐器音色“像不像”的问题,而乐器演奏技巧的模仿又是个问题,初期的电子乐器是以钢琴键盘,也就是常见的电子琴的形式出现,为了加强演奏的表现力,厂家在这方面用尽心思,比如在电子琴左手边做了两个滑轮,能产生滑音,颤音的效果,又发展出有力度感应的键盘,近期还有红外线感应声音控制器等等,无非就是为了增强电子琴演奏的效果。

    电子琴虽然发展很多年了,功能也很多,作为个人学习音乐的工具,儿童玩乐的玩具都很成功,市场也很大,但单一电子琴演奏出来的音乐是无法达到可以欣赏的水平的,虽然可以加上自动伴奏和敲击乐,但都是死板而没有生气的,就以敲击乐为例,前一个敲击声和后一个敲击声是完全一样的,而现场乐队敲击手的演奏的就完全不一样,变化多端,因此听电子琴的音乐很快就会感到厌烦,因为音乐的美感就来自“变化”,音高的变化,节奏的变化,音色的变化等等。

    要让电子乐器演奏出值得欣赏的音乐,只有利用电脑“自动演奏”,这需要用编曲软件比如CAKEWALK来实现,通过适当音源的选定,以交响乐队编制为依据的多轨结构,配搭各种音色的乐器,对每个音符的调整,加上和弦的应用,可以表达出各种意境,营造各种气氛,很多音乐人已经这么做了很多年,我也用这个方法编了200首各类风格的歌曲伴奏与音乐,作品已经出版了CD,有一部分也顺利移植为交响乐谱,在舞台上以真正的交响乐队演奏出来。

    高仿真音源的研制成功和电脑MIDI编曲的普及,给音乐创作带来方便,培养了许多作曲人才,丰富了人们的闲暇生活,许多原本很难发表的作品也能获得演绎的机会,做成的歌曲伴奏(俗称罐头音乐)被大量应用在卡拉OK,舞厅,音乐厅,剧场,影视作品等。

    用电脑编曲能生产出效果不错的音乐,但却无法进行现场演奏,只能播放录音,而音乐本身是表演艺术,必须以表演的方式让表演者能够挥发情感,实时控制乐器加以表达,才能发挥音乐最大的效果,这就是为什么在这资讯发达,影视作品很容易获得的今天,人们还会赶去音乐厅听一场音乐会,因为那是一场表演,这就是表演艺术天生的魅力。。。待续

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ID:301191 发表于 2022-12-23 17:41 | 显示全部楼层
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ID:283954 发表于 2022-12-23 17:43 | 显示全部楼层
电子音乐的现状 作者:蔡培强 7:06pm 11/05/2022

    进入了二十一世纪,电脑科技日新月异,手机网络发展迅猛,但电子音乐似乎还在原地踏步。

    硬体音源(SOUND MODULE)的发展在2002年已经止步,之后就再也没有什么革命性的突破,那间被创新科技收购的美国EMU公司过后也没有什么发展,现在能够买到比较高级的硬音源都是旧货,只有罗兰公司将过去在音源研发上的成果打包成一个叫INTEGRA-7的新产品,售价两千美金,什么都包含在内,还有一些廉价的音源,声音都属于玩具的档次,而专业音乐人使用的都是软音源,但对电脑的性能要求很高。

    芯片方面,YAMAHA的YM2618系列芯片还有业余爱好者在玩,公开市场上能找到的音源芯片有三颗,一是法国DREAM公司的SAM2695,VLSI的VS1053A,还有CIRRUS LOGIC的CS9236,能称的上是音源芯片的,必须拥有16个频道,能够同时发出32个以上的音,128种乐器,以上三种芯片我都做过样本,测试结果SAM2695还好,VS1053A音色很差,CS9236音色还可以,但耗电很大,而且都是旧货,另外还有一颗芯片,内建80386CPU,没有资料,也不外卖,无法测试。

        乐器方面,钢琴键盘式的电子琴越来越便宜,为了方便携带除外演奏,开发出可以卷起来的矽胶电子钢琴,可拼接的电子钢琴,可折叠的电子钢琴,还有模拟手风琴式的肩背电子钢琴,这些都是独奏乐器,追求一人能手脚并用,加上自动敲击乐,自动伴奏和弦,能在同一时间发出最多的声音。近年来也出现模仿管乐器演奏方式的电吹管,模仿口琴吹奏方式的电子口琴,都是基于一种能够检测气压的微电子机械系统MEMS元件的发明。

        还有另一项新技术“蓝牙”也被应用在电子琴上,2017年YAMAHA推出MD-BT01蓝牙MIDI连接器,能把拥有传统MIDI接口的电子琴连接到苹果的IPAD,IPHONE,扩大了电子琴的应用范围,获得成功。

    各种新技术不断出现,但我所期待的电子琴交响乐队并没有出现,我不时在网上搜寻,看到2009年在瑞典乌普萨拉市举办的电子琴展销会上有一场电子琴乐队演奏,以为发现新大陆了,结果看到的是:乐手们带着自己的琴一起表演,发出的都是电子振荡器的怪声,没有音乐。

    2020年在网上搜寻,第一次发现有与我想像中非常接近的电子琴交响乐队,那是黄河边上一间艺术学校组成的乐队,用多台CASIO电子琴根据总谱演奏了“拉德斯基进行曲”,参加过比赛获奖,那是2004-2005年间的事,那段时间我也在新加坡的一间钢琴学校玩电子琴四人乐队。可见当事物发展到一个阶段,大家都会出现同一个想法,只是地理间隔太远,无法碰撞。

    从2004年到今天,又过了十八年,这段时间我曾在新加坡搞了几次电子琴乐队现场伴奏,歌队演唱的实验,试验器材,累积经验,为开发电子乐队新器材奠定基础。

    以下就是我通过试验解决关键难题,以及开发用于组织电子琴交响乐队的器材。

    1。无线传输:
    MIDI控制器与音源是通过五针的DIN插头连接的,所以当有很多台琴要一起演奏时,就有很多电线要连接,也许你会问,为什么不用有声音的电子琴呢?这一点我会在后面加以解释,蓝牙技术已经很成熟,由于工控的需要,蓝牙模块都具有能够“透传”的功能,即一个模块是主机,另一个是从机,连接后可以互传信息,在这里就是MIDI信号了,实现这一功能就必须开发出“MIDI发送器”和“MIDI接收器”两个设备:

       (A):MIDI发送器:用单片机控制,接收来自MIDI控制器的信号,MIDI输出口有两种,除了传统5针DIN插座,还有USB设备接口,单片机必须提供USB主机功能才可以收到电子琴的MIDI信号,由于MIDI信号的波特率是31250BPS,通用蓝牙模块的串口没有这个波特率,所以必须用单片机进行转换再传给蓝牙,单片机也负责将蓝牙模块初始化。此外单片机程序还可以提供八度移动,转调,多乐器重奏,键盘一分为二(分裂键盘)等功能。

     (B):MIDI接收器:用单片机控制,接收来自蓝牙串口的信号,通过DIN插座输出,由于MIDI信号中音符发声(NOTEON)与音符停声(NOTEOFF)是两个分开发送的,如果某音符的NOTEON发出后没有接到该音符的NOTEOFF的信号,就会一直响下去,平常在家自己玩就无所谓,关机再来就可,但在演奏会现场,那就是严重事故,所以我也开发了叫AUTONOTEOFF,单片机会记住每个发送给音源的音符,特定时间没有接到发送器送
来的NOTEOFF信号,就会自动发送给音源,停止该音符的发声,MIDI接收器可用来连接专业的硬音源,或者通过USB接口与电脑连接,使用电脑上资源丰富的软音源演奏。

    无线传输还必须验证多个蓝牙模块在一个狭小空间里同时传输时,会不会互相干扰?表现出来就是弹错音,所以必须制作出多台发送机与接收机做实验,另外就是传输速率与距离,早期我开始试验时用的是蓝牙2.0版本,距离不到三米,稍微有阻挡就“失联”,同时按下多几个琴键(和弦),有些音就听不到,如今发展到5.0,所有难题都消失了。

    2。MIDI键盘:电子琴都是带有喇叭的,内部有自己的音源芯片,普通的价格都很便宜,因此音色也不可能好,也有很专业的琴,音色虽好价格也昂贵,但都有同样缺点:耗电大,很笨量,搬运困难,而且要用市电供电,多几台电线插头就布满地面。所以,开发一个轻便,低耗电,无线连接的MIDI键盘是实现电子琴交响乐队的关键,近年来市场出现大量的所谓便携式“电子钢琴”,以满足人们带着琴出外表演的需要,但制造商始终抛不掉必须有喇叭,很多种乐器,要有自动敲击乐的传统观念,其结果就是:虽然是轻便可以携带,但声音小,音质差,结果还是低档的电子琴,但是如果不这样造琴就卖不出去了。由于琴键必须是工厂大规模投资才能造出来,而控制器可以自己设计小批量制造,我采用折中的办法,从市场选择了两款便携式钢琴,将其中的控制器,按钮,喇叭全部去掉,只保留琴键和琴键下方的矽胶开关,另外用单片机设计扫描和处理的控制板,造出适用的MIDI键盘,如果技术成熟,就可以交给厂家生产。
   
   在大量品牌中,我选定了几款来改装。由于是自己设计的控制器,就可以加入新的技术,主要有以下几项:

    (A)把所有在开发MIDI传送器时的成果引进来,内建蓝牙模块,可预先设定乐器及其参数,并保存在单片机的闪存中,这样每一次开机就不必重新设定。

    (B)采用触摸开关代替矽胶按键,无需用力按压就能变换乐器,这在演奏中非常重要,将触摸点安排在左手特定位置,让手指在控制其他感应器时也能快速变换乐器而不会影响控制,这设计主要是用来演奏弦乐器,比如小提琴就有至少五种演奏技巧,即:慢拉弓,快拉弓,强拉弓,颤弓和弹拨,这些技巧都分布在音源中不同的PATCH,必须靠变换乐器号码才能演奏出来。

    (C)红外线音量控制器,应用红外线二机管发射38KHz光波,当手指与发射管前方的距离变动时,反射回来的光波的强度变化就能被红外线接收管检测到,由单片机的ADC(数模转换器)处理后就可控制音符的音量,如果手指进行规律的颤动,就能产生颤音的演奏效果。

    (D)电阻屏滑音控制器,这技术在许多高级MIDI控制器上已经获得应用代替古老的滑音轮,根据手指按压在电阻屏X-Y轴上的位置,经单片机处理后发出弯音讯号,连续滑动则产生滑音的演奏效果,把滑音控制器(4),红外线音量控制器(3)和触摸开关(2)三种结合一起使用,就用让右手弹奏音符,左手作出音乐表情,完成音乐的表达。

    (E)吹管乐传感器:将MEMS压力传感器安装在封闭的管中,用吹嘴往管内吹气,所产生的气压强度被检测后,送到单片机处理,产生相应的MIDI信号,这样就能比较自然地模拟吹管乐乐手的演奏技巧,演奏时类似口风琴的样子,右手弹奏音符,左手持吹管吹气。

    以上所以功能都能构建在同一台琴上,平时像普通电子钢琴一样双手弹奏,参加合奏时又可以变成独奏乐器精细演奏。

    3.MIDI音源:
    音源可以说是电子音乐的核心部件,也是难度最高的技术,在MIDI出现之前,用几个电子元件就能造出振荡器发出声音,不必任何数码控制,后来YAMAHA造出YM系列的FM调制的振荡芯片,只要给几个字节的控制信号,就能让芯片发出声音,而音色波形是振荡器内定的,不必控制,这就是为什么当年尽管电脑的速度这么慢,声霸卡也能发出声音,取得成功。同一时期各厂家也在制造独立于电脑以外的数码音源,用的处理器是专用的,特制的,与电脑的连接是MIDI接口,传输速率也不高,普通电脑也能胜任,后来电脑的速度飞速发展,已经能够直接处理音波表,就出现了软音源,连独立的硬音源也被淘汰了。

    软音源虽然音色丰富,但必须依附于一台高性能电脑,若要用作乐队表演,则必须把电脑搬上台,一把乐器就需要一台电脑,这显然是不实际的,所以必须用硬音源,音色好的硬音源已经很少生产,多数是二手货,因此我初步的想法是用一台高级的硬音源,同时被多把乐器使用,并为此开发了多频道的蓝牙接收合并器(WIRELESS MIDI MERGER),可以让5个键盘同时使用一台高级音源,技术上证明可行,但在实际使用时却发现致命缺陷,音源所发出的混合了各个频道的声音,很难被乐手辨别出自己弹奏的声音,这影响了演奏的表现,而市上并没有能够把不同频道的声音个别送到独立输出口的音源,因此无法解决这一难题。

    问题最终还是依靠自己制造音源解决了,近来已经有国外的MIDI音乐爱好者利用高性能的32位单片机做自己的音源,由于软件是自己写的,可以非常精细控制声音的包络线(ADSL)以模拟演奏技巧。

    目前已经能够为每一把乐器配搭一台专用的优质音源,声音在乐手的旁边发出,乐手能够听到自己演奏的声音并加以控制,提高演奏水平。

    随着各项技术难题得以解决,接下来就是如何实现电子琴交响乐队的组建,提高和普及化了。待续


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ID:73992 发表于 2022-12-25 23:20 来自手机 | 显示全部楼层
想玩玩ym2618的,能发芯片操作手册吗
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ID:283954 发表于 2023-10-27 15:58 | 显示全部楼层
lyonkon 发表于 2022-12-25 23:20
想玩玩ym2618的,能发芯片操作手册吗

我找了半天也没有发现YM2618,只有YM2612,原来是打错号码了,谢谢指正。
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