简介

在 ESP32 上用 micropython 玩蜂鸣器时发现可以通过调整占空比发出不同音调，于是想能否让蜂鸣器“唱出”完整的一首歌。搜索发现了这篇博客CSDN 博客，巧妙的实现了基本的音调编码。在此基础上我扩展了高/中/低音以及节拍/连音的发声编码，本文介绍下对音调的编码原理。

PWM 调音基础原理

MicroPython 中的 PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种调节信号的方法，它利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。PWM 技术通过控制脉冲的占空比（Duty Cycle）和频率来实现对信号的调节，这两个参数是调节 PWM 信号特性的关键。

占空比

占空比是脉冲的高电平时间与周期的比值，表示在一个周期内，高电平时间占整个周期的比例。占空比的范围在 0 到 1 之间，也可以用百分比来表示。例如，50%的占空比意味着高电平时间占整个周期的一半。在实际应用中，改变占空比可以改变信号的幅度，即高电平的电压大小。当占空比接近 0 时，高电平时间很短，信号的幅度很小；当占空比接近 1 时，高电平时间很长，信号的幅度很大。

频率

频率是脉冲的周期，即在一个单位时间内脉冲的个数。频率通常以赫兹（Hz）来表示，表示每秒钟的脉冲个数。例如，100Hz 的频率表示每秒钟有 100 个脉冲。改变频率可以改变信号的变化速度，即脉冲的间隔时间。频率越高，脉冲的间隔时间越短，变化速度越快。

和音调的关系

声响生理学复杂的原理不在这里解释，通过调试可以发现频率调整可以模拟不同的音调，而占空比的调整可以模拟发音长短。

调音

C调音符与频率对照表

上图是 C4 音乐国际频率表，#是过渡音本文先不做支持，主要看高/中/低音，后面的 Hz 数就是 PWM 的频率参数，一一对应做代码处理即可。

简谱学习

从曲谱网找到了一张《敢问路在何方》简谱如下

敢问路在何方

高中低音各分 7 种数字音调，而上面的简谱里除了数字外还有各种音符，如何用程序代码来描述不同的音乐符号呢？要完成音符编码先要了解几个基本的音符含义。

基本音符学习

音区识别

低音，数字下方有个小黑点表示低音
中音，数字上下没有小黑点表示中音
高音，数字上方有个小黑点表示高音

节拍

小节，就是简谱里竖线隔开的一节
节拍值，一小节里的音符声音持续比例
上图的4 4 3 3便是四分音符表示，根据乐曲速度不同每个音符持续时间不同，简单理解就是将一小节均分 4 份就是每个音符持续时间

辅助音符

减时线，数字下划线，就是音符带下划线的要特殊处理。一条下划线表示这个音符持续时间减半（八分音符）
延音线，数字后跟减号，音符后面跟着的减号，表示下个音符同上
附点，数字后跟黑点，表示延长前面音符时值的一半
圆滑线，数字上的弧线，要唱奏圆滑，就是中间不要停顿的转音

编码

简单曲谱编码

以上图《小星星》节选为例，这个简谱比较简单，每一小节只有单纯的 4 个音符，因此很容易编码。比如这样：

1	1155665-4433221-5544332-5544332-1155665-4433221

复杂曲谱编码

比如《敢问路在何方》简谱，里面包含了多种音乐符号，就没法用上面纯数字表示完整。

所以，拓展下数字加入其他符号试试？

定义音调频率

tones = {
    '1-': 262,
    '2-': 294,
    '3-': 330,
    '4-': 349,
    '5-': 392,
    '6-': 440,
    '7-': 494,
    '1=': 523,
    '2=': 587,
    '3=': 659,
    '4=': 698,
    '5=': 784,
    '6=': 880,
    '7=': 988,
    '1+': 1046,
    '2+': 1175,
    '3+': 1318,
    '4+': 1397,
    '5+': 1568,
    '6+': 1760,
    '7+': 1976,
    '__': 0
}

这里给出我的一套编码格式，用-表示低音，=表示中音，+表示高音，__表示节拍过渡间的停顿。另外加入()标记圆滑线。

复杂如《敢问路在何方》曲谱里有八分音符存在，因此我将一节拍里的一个完整音阶用两个数字编码，如3=3=其实代表四分之一拍。

通过这套编码格式将《敢问路在何方》编码如下：

# 《路在何方》
melody = \
"(6-1=1=6-)(3=3=3=)2=(2=1=1=1=1=1=1=1=)(7-6-6-7-)(2=2=2=)3=(1=6-6-6-6-6-6-6-)" \
"(3=3=3=3=)(6=6=6=3=)(6=6=5=4=)(3=3=3=3=)(1=1=1=)2=(3=3=4=3=)(2=2=2=2=2=2=2=2=)" \
"(6-6-)(3=3=)(2=3=6-6-)(1=1=1=1=1=1=3=3=)(2=7-7-3=)(2=6-1=2=)(3=3=3=3=3=3=3=3=)" \
"(3=3=3=3=)(6=6=6=3=)(6=6=5=4=)(3=3=3=3=)(5=2=2=4=)(3=2=1=1=)(2=2=2=2=2=2=3=3=)" \
"(2=7-7-3=)(7-6-5-5-)(6-6-6-6-6-6-)(3=3=)(5=5=5=5=5=5=)(3=5=)(6=6=6=)1+(7=6=)(5=5=)" \
"(6=6=6=6=6=6=6=6=)(1+1+1+1+)(7=7=7=)6-(5=6=)(5=5=5=5=)(5=6=)(3=3=3=3=3=3=3=3=)" \
"(1+1+1+1+)(7=7=7=)6=(5=6=)(5=5=5=5=)(5=6=)(3=3=3=3=3=3=3=3=)(5-6-)1=(3=3=3=)1=" \
"(2=3=)(2=2=2=2=2=2=)(2=7-7-)3=(7-6-5-5-)(6-6-6-6-6-6-6-6-)(5-6-6-)1=(3=3=3=)1=" \
"(2=3=)(2=2=2=2=2=2=)(3=3=5=5=5=5=)(3=3=)(7=7=7=1+7=6=5=5=)(6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=)" \
"(3=3=5=5=5=5=)(3=3=)(7=7=7=1+7=6=5=5=)(6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=)"

剩下的就是通过 micropython 解析和驱动蜂鸣器发声了，核心就是调整占空比duty以及音节间的间隔时间

最后

完整的可运行 micropython 代码示例放这里供参考：

from machine import Pin, PWM
import time

# 定义音调频率
tones = {
    '1-': 262,
    '2-': 294,
    '3-': 330,
    '4-': 349,
    '5-': 392,
    '6-': 440,
    '7-': 494,
    '1=': 523,
    '2=': 587,
    '3=': 659,
    '4=': 698,
    '5=': 784,
    '6=': 880,
    '7=': 988,
    '1+': 1046,
    '2+': 1175,
    '3+': 1318,
    '4+': 1397,
    '5+': 1568,
    '6+': 1760,
    '7+': 1976,
    '__': 0
}

beeper = PWM(Pin(6, Pin.OUT), freq=1000, duty=0)

def play(beeper, melody, duty = 10):
    i = 0
    keep = False
    while i  < len(melody):
        if melody[i] == '(':
            i += 1
            keep = True
            continue
        elif melody[i] == ')':
            i += 1
            keep = False

            # 连音结束后稍微停顿下
            beeper.duty(0)
            time.sleep_ms(50)
            continue

        tone, level = melody[i], melody[i+1]
        i += 2
        freq = tones[tone+level]
        if freq:
            beeper.init(duty=duty, freq=freq)
        else:
            beeper.duty(0)  # 空拍时静音

        # 停顿一下 （四四拍每秒两个音，每个音节中间稍微停顿一下）
        time.sleep_ms(200)
        if not keep:
            print(tone, level)
            beeper.duty(0)  # 设备占空比为0，即不上电
        time.sleep_ms(50)

# 《路在何方》
melody = \
"(6-1=1=6-)(3=3=3=)2=(2=1=1=1=1=1=1=1=)(7-6-6-7-)(2=2=2=)3=(1=6-6-6-6-6-6-6-)" \
"(3=3=3=3=)(6=6=6=3=)(6=6=5=4=)(3=3=3=3=)(1=1=1=)2=(3=3=4=3=)(2=2=2=2=2=2=2=2=)" \
"(6-6-)(3=3=)(2=3=6-6-)(1=1=1=1=1=1=3=3=)(2=7-7-3=)(2=6-1=2=)(3=3=3=3=3=3=3=3=)" \
"(3=3=3=3=)(6=6=6=3=)(6=6=5=4=)(3=3=3=3=)(5=2=2=4=)(3=2=1=1=)(2=2=2=2=2=2=3=3=)" \
"(2=7-7-3=)(7-6-5-5-)(6-6-6-6-6-6-)(3=3=)(5=5=5=5=5=5=)(3=5=)(6=6=6=)1+(7=6=)(5=5=)" \
"(6=6=6=6=6=6=6=6=)(1+1+1+1+)(7=7=7=)6-(5=6=)(5=5=5=5=)(5=6=)(3=3=3=3=3=3=3=3=)" \
"(1+1+1+1+)(7=7=7=)6=(5=6=)(5=5=5=5=)(5=6=)(3=3=3=3=3=3=3=3=)(5-6-)1=(3=3=3=)1=" \
"(2=3=)(2=2=2=2=2=2=)(2=7-7-)3=(7-6-5-5-)(6-6-6-6-6-6-6-6-)(5-6-6-)1=(3=3=3=)1=" \
"(2=3=)(2=2=2=2=2=2=)(3=3=5=5=5=5=)(3=3=)(7=7=7=1+7=6=5=5=)(6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=)" \
"(3=3=5=5=5=5=)(3=3=)(7=7=7=1+7=6=5=5=)(6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=6=)"

play(beeper, melody)

# 《小星星》
# melody = "1=1=5=5=6=6=5=__4=4=3=3=2=2=1=__5=5=4=4=3=3=2=__5=5=4=4=3=3=2=__1=1=5=5=6=6=5=__4=4=3=3=2=2=1="
# play(beeper, melody)

beeper.deinit()

# refer https://blog.csdn.net/fatway/article/details/118859714
# refer https://www.qupu123.com/Mobile-view-id-288352.html