摘 要

电子音乐和计算机音乐随科学技术的发展逐渐在我们的生活中普及，在音乐制作环节，合成器的地位非常重要，而其背后蕴含的理论背景是极其丰富的。2012年Steinberg公司于2012年发布 Padshop粒子合成器插件后，国内对粒子合成技术在声音合成与制作的关注度又有了进一步的上升。但令人遗憾的是对其更深层的理论知识并没有普及，而是只在应用层面发展的如火如荼。

为了兼顾趣味性，以及从最基础的层面学习理解粒子合成理论，本文旨在通过对粒子合成理论的学习以及对Arduino平台的实践，设计并制作一个基于粒子合成算法的Arduino音效合成器，实现实时合成演奏，产生富于变化的音效。

本文的主要工作如下：

了解粒子合成理论的研究现状、现实应用以及对粒子合成理论进行理论层面的学习和研究，并基于基础理论研究设计粒子合成算法；设计合成器的硬件系统，找到合适的输入输出方式，搭建能够实现粒子合成的硬件平台；最后对整体系统进行调试和改进，旨在实现预期的合成效果。

关键字：粒子合成算法；Arduino；音效合成器；实时；电子音乐

Abstract

With the development of science and technology, electronic music and computer music are being popular in our lives.

The position of the synthesizer is of great significance in the music production links, and the theoretical background behind it is extremely rich. After Steinberg Company released the Granular Synthesis plug-in named Padshop in 2012,The degree of concern for Granular Synthesis theory of sound synthesis and production has been improved further. But it is regrettable that its deeper theoretical knowledge is not universal, but only in the application level development in full swing.

In order to take into account the fun, and learn the Granular Synthesis from the most basic level, this paper aims to study the theory of Granular Synthesis and the practice of Arduino platform, design and manufacture an Arduino sound synthesizer based on Granular Synthesis algorithm, which can realize real-time synthesis and performance, resulting in changing sound effects.

The main work of this paper is as follows:

Study the research status and the practical application of Granular Synthesis theory, and the theoretical introduction of particle synthesis theory. And designs the Granular Synthesis algorithm based on the basic theory research. Designs the hardware system of the synthesizer, finds the appropriate input and output mode, and builds the hardware platform which can realize the it. Finally, debug and improve the overall system, aiming to achieve the desired synthesis effect.

Key words: Granular Synthesis algorithm；Arduino；sound synthesizers；real-time；electronic music

目录

摘要 I

Abstract II

目录 1

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容及章节安排 3

第2章 粒子合成理论 4

2.1声学理论基础 4

2.2 电子音乐与合成技术 4

2.3 粒子合成 6

2.3.1数字振荡器基本原理 7

2.3.2 基本粒子的产生 8

2.3.3 粒子的组合 9

2.3.4 声音效果 9

第3章 总体设计 10

3.1整体功能分析 10

3.2 系统模块划分 11

第4章 硬件设计 12

4.1 MCU选型 12

4.2 最小系统设计 14

4.3 模拟输入模块 15

4.4 音频输出模块 16

4.5 附加光效模块 17

第5章 软件设计 19

5.1 粒子合成产生音频的方法 19

5.1.1 PWM与定时器 19

5.1.2 粒子合成的核心算法 21

5.2 粒子参数的处理方式 22

5.3 主程序 23

5.3.1初始化 23

5.3.2实时更新粒子参数 24

5.3.3 主程序流程图 24

5.4 定时器中断服务程序 25

5.5 光效部分 26

第6章 Arduino音效合成器制作与调试 27

6.1 为何选用Arduino UNO R3 27

6.2 开发环境 28

6.3 模拟输入 28

6.3.1 模拟输入实物选择 28

6.3.2 模拟输入模块调试 29

6.3.3 模拟输入模块搭建 29

6.4 音频输出 30

6.5 光效模块 30

6.6 整体硬件系统效果 31

6.7 调试过程中出现的问题及怎样解决 31

6.7.1 问题1电路不稳定及输出器件性能差 31

6.7.2 问题2声音不“酷” 32

第7章 总结与展望 33

7.1 全文总结 33

7.2研究展望 33

7.2.1 增加粒子数量 33

7.2.2 丰富合成器功能 33

参考文献 35

致谢 36

附录A 原理图 37

附录B 扩展板原理图 38

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

当下的人们在想要欣赏音乐时，大多拿起手机，插上耳机或者音箱，开始播放。这得益于电子音乐的广泛流行和覆盖。比起演唱会、演奏会电子音乐的获取更具有便利性，更贴近我们的生活。电子音乐的含义很广泛，这同时也体现了电子音乐本身的丰富性。电子音乐的发展已经跨越了半个多世纪，几乎参与了近几十年来音乐发展的所有方向。

科技的迅速发展对20世纪电子音乐发展的影响巨大，从乐器演奏、磁带音乐、早期工作室音乐到合成器音乐、计算机音乐，每一次技术的革命都是以计算机运算速度和处理能力的提高为前提的。早期的电子音乐由于计算机技术发展的限制，制作并不容易。20世纪40年代至50年代兴起电子音乐后，50年代末迅速产生了电子音乐合成器。最初通过电子技术从实际生活中获取音符，可以是录制来自打击乐器或嘈杂乐器的杂音，也可以将人声和具体的音乐存储起来，通过计算，流经滤波器以及反响设备，发生形、质、量的变化后，再使用其它电子仪器或录音技术作剪辑等处理，通过再生和复合的方式组成新的作品。

粒子合成理论可以追溯到1616年荷兰学者Isaac Beekman提出的微粒子声音理论， 1960年作曲家Iannis Xenakis将粒子合成的思想应用到了Analogique A-B弦乐演奏曲中，粒子合成器是到1974年由Curtis Roads发明的。但粒子合成技术在声音合成领域的广泛应用是从20世纪末开始的，正如前文所述，粒子合成技术同样受制于当下的计算机技术条件。