实验题目：电子音乐合成与音效处理系统

1. 课程简要信息

课程名称：信号与系统 $^ +$ 数字信号处理
课程学时： $5 6 + 6 4$
项目学时：32
适用专业：广播电视工程
学生年级：大二夏季学期

2. 实验内容与任务（限 500字，可与“实验过程及要求”合并）

借助 MATLAB 软件,设计出具有某种乐器演奏风格的音乐，并编写图示均衡器和数字混响器对音乐进行音效处理。

1）分析二胡、琵琶、竹笛、长笛、小提琴、吉他等给定的中西方乐器的音色，自选一首乐曲，将该乐曲以某种乐器音色翻译为 MATLAB数组并用sound()函数播放；

2）设计实现图示均衡器并对乐曲进行均衡处理；

3）推导数字混响器的系统函数，编程实现数字混响器并对乐曲进行混响处理。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1）学习简单的电子音乐合成方法，用基波正弦波合成一段自选音乐，加包络衰减降噪，增加谐波分量提升音乐的厚度；

2）在给定的二胡、琵琶、竹笛、长笛、小提琴、吉他的乐器库中，选择一个乐器，读取该乐器的单音演奏文件，分析各个乐音的基频和谐波分量；

3）自选一首乐曲，确定节拍、音高，将该乐曲编写为具有某种乐器音色演奏风格的乐曲;

4）学习MATLAB的GUI界面设计，实现音乐播放器，要求能动态显示乐曲的时域播放波形；

5）学习均衡器的工作原理，通过推拉界面滑动块编程实现图示均衡器；

6）学习并推导各种混响器的系统函数，任选两种混响模型编程实现，要求能修改各种混响参数。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

音乐用信号处理的观点看就是周期信号频率随时间节奏变化的一种表达。每个音符表达了信号频率和持续时间。乐音的基本特征可以用基波频率、谐波频率和包络波形来描述。不同乐器演奏风格需要运用傅里叶级数、傅里叶变换等相关知识；图示均衡器和数字混响器需要运用滤波器设计与滤波器不同实现结构等相关知识与技术方法。

5. 实验环境条件

安装有MATLAB软件的计算机。

6. 教学目标与目的（限 150 字）

引导学生了解乐理知识，深入理解频谱分析技术、滤波器设计技术以及系统的并联、串联、嵌套等不同实现结构，培养学生应用已学知识解决实际问题的能力。

7. 教学设计与实施进程

本实验是一个比较完整的实践过程，需要经历学习研究、信号分析与处理、编程实现、设计总结等过程。在实验教学中，有以下几个方面对学生进行引导管理：

1）学习乐理知识，了解唱名、音调、节拍等知识，将乐谱翻译为 MATLAB 数组，并用 sound 函数播放；

2）改善音乐的质量，加包络衰减降低噪声；增加谐波分量提升音乐厚度；

3）自选一段乐曲，设置采样频率、节拍、音高后，将乐曲翻译成数组；

4）读取不同乐器的wav文件，通过傅里叶变换分析基波和谐波的成分；对自选歌曲进行乐器音色风格化处理，并播放。这部分要求每名同学实现不同的乐曲，且乐曲播放时间大于 30 秒；

5）编程实现音乐播放器，要求能实时动态显示音乐的时域波形，以及播放和暂停等基本功能；

6）编程实现图示均衡器并对不同乐曲进行均衡处理；

7）推导数字混响器的系统函数并自选两种混响模型编程实现，要求能修改混响参数；

8）在实验完成后，组织学生进行分组演讲、答辩，了解不同方案的特点拓展知识面。

8. 实验原理及方案

1）程序结构

2）实现方案：

首先，用基波合成一段简单音乐。学习文档“课设学习指导（1）-乐理基础”，了解相关的乐理知识；按照文档“课设学习指导（2）- 电子音乐合成”方法用基波合成一段简单音乐；对合成音乐进行加包络衰减降噪，增加谐波分量提升音乐的厚度等处理，初步体验电子音乐合成方法。

其次，实现电子音乐合成器。自选一首乐曲，在 MATLAB 上编程实现其乐谱，并通过耳机或扬声器播放出来。

第三步，分析乐器库中单音的频谱，给上面的乐曲添加选定乐器的音色。从“中西方乐器音色”文件夹中选择一种乐器的单音素材，编程分析其单音的基波频率、谐波分量、谐波能量等参数，并用文档的形式记录下来，给电子音乐合成器添加所选乐器的音色。

第四步，学习文档“课设学习指导（3）-GUI 界面设计”。

第五步，对电子音乐进行均衡和混响音效处理。学习“课设学习指导（4）-图示均衡器”，编程实现图示均衡器；学习“课设学习指导（5）-数字混响器”, 学习混响的基本理论，推导混响器的系统函数，任选两种混响器模型编程实现。

最后，为电子音乐合成器设计用户界面。界面要求能选择乐曲、播放乐曲、实时动态显示乐曲的时域播放波形、有推拉键可提升/衰减图示均衡器在每段频率下的能量、有文本框可修改数字混响器的参数并进行效果演示。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 选定乐器单音的基波、谐波等参数的数据记录；
2） 图示均衡器的段数以及每段滤波器的中心频率、上下边带频率的选择等数据记录；
3） 数字混响器系统函数的推导过程；
4） 数字混响器系统参数的选择；
5）实验结果总结。

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）程序验收：功能与性能指标的完成程度（均衡器是否实现，混响器是否实现），完成时间。

2）程序质量：乐器风格的主观感受、时域波形是否动态实时播放、混响的主观效果。

3）自主创新：程序设计的创新性、自主思考与独立编写代码能力、回答问题的正确性。

4）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

融合信号与系统、数字信号处理两门课程的内容，综合应用信号的频谱分析、滤波器设计和系统的不同结构，对合成的电子音乐进行某种乐器音色的风格化处理。该实验课程将信号处理技术与音乐艺术相结合，具有传媒艺术特色。

12.项目实施佐证

学生提交的实验报告电子版截图和参加实践作品优秀展截图（见下页）：

学生提交的实验报告电子版截图

本实验项目参加《本科课程实践作品优秀作品展》的截图

简单降噪处理并添加竹笛音色；图示均衡器实现的九段图示均衡调节，可以通过推拉界面上的位置滑块对不同的频率成分进行增强或衰减；数字混响器模块实现了Moorer模型和Gardner小厅模型，图示用户界面友好，可以手动改变参数测试混响效果。

该课程是电子信息类专业的一门实践课程，授课时间为大二年级夏季学期。课程以MATLAB为仿真平台，利用数字信号处理的基本理论和算法，设计实现一些实际应用系统。教学过程中采用基于任务的教学模式，整个实践内容将围绕着一个综合课题进行。

作品展示

作品简介

本作品是基于MATLAB设计实现的一个带有GUI界面的电子音乐合成与效果处理系统，系统主要包括电子音乐合成、图示均衡器及数字混响器设计三大部分。在电子音乐合成模块中，自选歌曲后利用MATLAB编程实现其乐谱，之后简单降噪处理并添加竹笛音色；图示均衡器实现的九段图示均衡调节，可以通过推拉界面上的位置滑块对不同的频率成分进行增强或衰

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