1 Basics: sound, waves, and Chuc

Basics: sound, waves,
and ChucK programming

• 本章节主要内容：
  • 声学，声音和波形介绍
  • 正弦波和其他振荡器
  • 变量
  • 控制结构和逻辑

到目前为止，我们已经谈到了为什么我们认为ChucK是制作各种艺术和艺术系统的最好和最强大的语言。现在是时候开始学习如何在ChucK中对音乐进行编程。我们首先谈论一般的声音，查看一个或两个波形图。我们将在音量，音调和噪音方面讨论声音的属性。你会了解到那些振荡的东西是物理，声音和音乐的基础，你会用ChucK的内置振荡器进行音乐。你会学到：

• 如何通过使用变量在ChucK中管理和操作数据。
• 关于ChucK内置的时序机制。它处理时间的方式是使其与所有其他编程语言不同的东西之一，这使得它非常适合对音乐，声音和基于时间的艺术进行编程。
• 关于通过使用逻辑变量，测试和循环来控制程序的流程。

在本章结尾，您将在ChucK中写下您的第一个作品！

声波和波形

我们首先谈谈声音的物理性质。声音由一个或多个振动物体引起的高压和低压波动组成。然后，声波通过空气传播，可能会从墙壁和其他表面反射，最后到达你的耳朵或麦克风。从事声音相关工作的人经常使用波形图（作为时间的函数的气压的幅度或麦克风的电压）来研究。图例1.1展示了一幅显示一个人说“see”时的声波的幅度值与时间的关系。

【figure1.1】

从这个图像中，有些东西是显而易见的。前半部分辅音“sss”的声音，在下半部分的元音“eee”中迅速变化为不同的结构。 如果您放大过渡区域，更多的事情变得很明显，如图1.2所示。

“sss”看起来是一样的，但仍然很嘈杂，波形很大，但是“eee”的声音很快就进入了所谓的 周期性振荡，基本的形状重复一遍又一遍。这里由于噪音、语音本身或其他因素中的颤声，可能会有一些小的偏差，但是振荡通常会一再重复。这是具有音调的声音的特征。音调就是频率从低到高的那种感觉。这和你唱歌或吹口哨的时是一样的。这是音乐家在音符名称和数字方面表达和谈论的。钢琴键盘的键就是从左到右音调逐渐增高的。

大多数给予你音调感的东西都会发生周期性振荡，任何周期性振荡听起来都在发音（在某些频率范围内）。图1.2中标记为T的区域是振荡周期（通常以秒为单位），1 / T是以秒为单位的振荡频率。所以在“eee”声音的情况下，如果周期T被测量为6.6毫秒（一毫秒是一千分之一秒），则振荡频率将为1 / 0.0066 =每秒150个周期或150Hz （以物理学家Heinrich Hertz命名的频率单位）。

【figure1.2】

如果你一遍又一遍地重复这个单一的“eee”时段，像主峰一样在一个方便的点上循环。你可以合成一个你喜欢的任何长度的“eee”声。如果你稍微加快一点，音调就会上升。慢一点，你得到一个较低的音调。那样合成的声音将会非常乏味无聊。因为通过选择一个时期并完全反复循环，您将消除所有的噪音，音调的轻微偏差以及使原始声音显得自然的其他的东西。这是合成语音听起来如此合理的原因之一。

电子音乐史，一般的音乐史以及实际上很多的物理学的许多内容，都集中在振荡的概念上。我们将在下一节中使用ChucK内置的振荡器，但现在我们来看一下自然界和声音中最基本的振荡形式之一：正弦波。您将尽快使用ChucK的正弦波振荡器编写您的第一个播放音符的程序。那么什么是正弦波？如图1.3所示，正弦波平稳而周期性地上升和下降（几个“周期”）。

【figure1.3】

左边的圆圈显示了一种可以画出、解释、生成正弦波的方式。如果以恒定速度逆时针旋转圆圈，表示每秒旋转N次，则从圆形右侧开始的点的高度（图形左侧）的轨迹，会形成右侧所示的正弦曲线，随着时间的推移从左到右。另一个画这个的方法是想像圆圈上的圆点作为铅笔，如果随着圆圈转动，你从右到左拉一张纸，就会画一个正弦波。如果N是每秒五个周期，则圆和正弦波将在一秒内完成五个周期。

如果您已经学习了三角学，那么您可能已经听说过正弦函数，但正如我们以前所说的，正弦波可以在自然界和数学中找到。旋转的东西可以用正弦波来描述。由墙壁的交流电插座流出的电，能以正弦波形式出现，因为发电厂的发电机是循环运转的。但不只是旋转的东西产生正弦波。钟摆摆动时扫出正弦波形。质量和弹簧的简单机械系统以正弦波模式振荡。包含电感器和电容器的电路以正弦波模式振荡。在声学上，充气饮料瓶内的空气的单一谐振以正弦波模式振荡。所以，正如你所看到的，正弦波在现实世界中是较为普遍和重要的。

自然界和电子音乐中常见的其他简单波形包括三角波、锯齿波和方波。图1.4显示了正弦波、三角波、锯齿波和方波的两个周期。

【figure1.4】

正弦波是声音和综合分析的核心。更复杂的周期波可以由正弦波构成。您可以通过将不同频率，相位（延迟）和幅度（响度）的正弦波叠加在一起，来生成任何声音。正弦波是所谓的声音光谱视图的基本构造块，所以不去看波形的单独摆动，而是可以查看组成该波形的正弦分量。图1.5显示了可以通过在一些基频的整数倍（1,2,3，...）下加正弦波来构建锯齿波。这些组件称为 谐波。 三角形和方波可以由不同幅度的奇数正弦谐波（1,3,5，...）频率组成。

锯齿在乐器世界中也具有很好的物理类比，因为当弓弦振荡时，弓交替地粘到琴弦上，拖动琴弦，然后滑动，从而使琴弦回弹。这是由Herman von Helmholtz（1821-1894）早就观察到的锯齿波运动。亥姆霍兹给了我们一些最早的声学理论和使用仪器和声音的光谱描述的实验。锯齿波可以是小提琴声音合成的良好开端，我们将尽快做到这一点。

在物理上，演奏其最低音符的单簧管会像一个方波一样振荡起来，所以您可以使用方波和包络发生器来构建一个非常简单的单簧管声音合成器。但是首先让我们来编程！