你能在这里听到它
用数学软件演奏音乐早已不是什么新鲜事，很早就有人用Matlab弹奏卡农或是最炫民族风，最近我知道还有人用无理数生成一段音乐，很有趣。而我选择用Mathematica弹奏卡农是因为卡农这种谱曲方式很奇妙，体现在程序上也会是简洁而优美的。可能有人还不了解卡农是什么，卡农不是指某一首曲子，而是一种谱曲方式，它把几段相同的旋律在不同的时刻依次展开，交错的旋律又能相互配合，形成一首完整的卡农。这用Mathematica演奏的卡农就是大家最耳熟的“帕赫贝尔的卡农”，你可以在它的乐谱中一窥其中的奇妙。
我们关注的重点是，这首卡农有三个声部(在乐谱上对应着前三排)和一个背景旋律，但实际上三个声部演奏的旋律是相同的，所以我们只需要输入一个声部的谱子，然后让三个声部在不同的时间进入就可以了。
手动输入乐谱——失败
起初我在网上找到的是巴赫的手稿，当我把一个声部的旋律都输入进去后，最终的效果并不是很理想，我想这个谱子更适合音乐会弹奏，需要乐手控制不同声部的音量与节奏，但这在Mathematica上很难实现。
从Matlab到Mathematica
后来我在网上发现了一个用Matlab弹卡农的程序，听过之后，感觉他的谱子更适合用软件演奏。就决定把Matlab代码翻译到Mathematica上。首先我们分析一下Matlab的代码
Matlab代码
Matlab中的代码一共分三部分
1. 告诉电脑如何弹奏音符
2. 输入一个声部的旋律
3. 组合三个声部
1.告诉电脑如何弹奏音符
我们需要告诉电脑
i.音符名称(do,re,mi,fa...)
ii.音符持续的时间(音符时值t)
iii.音调(频率f)
所以我们输入的应该是如下格式的信息：
音符名称=sin(2πft)
看看这在Matlab中是如何做到的% 1/4 notes
do0f = mod4.*cos(2*pi*ScaleTable(21)*f0*t4);
re0f = mod4.*cos(2*pi*ScaleTable(22)*f0*t4);
mi0f = mod4.*cos(2*pi*ScaleTable(23)*f0*t4);
% 1/8 notes
fa0e = mod8.*cos(2*pi*ScaleTable(1)*f0*t8);
so0e = mod8.*cos(2*pi*ScaleTable(2)*f0*t8);
la0e = mod8.*cos(2*pi*ScaleTable(3)*f0*t8);
% 1/16 notes
fa0s = mod16.*cos(2*pi*ScaleTable(1)*f0*t16);
so0s = mod16.*cos(2*pi*ScaleTable(2)*f0*t16);
la0s = mod16.*cos(2*pi*ScaleTable(3)*f0*t16);
初看感觉很复杂，但其实它的形式和上面的公式是相同的
i.do0f,re0f,mi0f...代表音符名称
ii.ScaleTable(\space)*f0代表频率f，不同音符的ScaleTable()不同
iii.t4,t8,t16代表持续时间$t$，更具体的，t4=0.5s,t8=0.25s,t16=0.125s
但我们还发现他多出一个mod函数，这其实是一个修正函数(modify)，乘上他之后可以让波形变得更柔和，有渐入渐出的效果。
未经mod修正过的波形
经mod修正过的波形
mod后面的数字代表对应音符的持续时间。比如mod4要和t4相乘。
2. 输入一个声部的音符
这一步就很好理解了，这首卡农背景旋律(Base Melody)由大提琴演奏，主旋律(Long Melody )由三把小提琴演奏，我们分别命名cello和violin% Base Melody
cello = [do1f do1f so0f so0f la0f la0f mi0f mi0f... fa0f fa0f do0f do0f fa0f fa0f so0f so0f];......
% Long Melody
violin = [mi2f mi2f re2f re2f do2f do2f ti1f ti1f... la1f la1f so1f so1f la1f la1f ti1f ti1f ......
3.组合三个声部
正如我前面说的，我们只需要在不同的时间点加入相应的旋律，就像下面这样(blkblock代表空白音符)% violin1
v1 = [blkblock violin blkblock blkblock];
% violin2
v2 = [blkblock blkblock violin blkblock];
% violin3
v3 = [blkblock blkblock blkblock violin];
% Combination
s = c1+v1+v2+v3;
sound(s,fs);
这样就得到了一段能在Matlab上演奏卡农的代码，接下来就要把它翻译到Mathematica上。
翻译到Mathematica
我们当然要借助Mathematica来翻译，思路跟Matlab上的思路一样
1.建立音符名称和声音的关联(Association)
最终的关联应该像下面这样。我给这个关联起名叫“asswecan”，意思是用这个关联我们能做到「音符名称到声音的转换」，记住这个名字，我们之后会用到。
那么要如何生成这个关联呢？首先我们需要生成声音，这里用到Play函数：
一个频率为440Hz的“中音A”的波形
根据Matlab代码中的音符信息「ScaleTable(),f0,t4,t8,t16」改变Play函数中的参数来发出不同的音调，替换的关系是这样的：
有了这个思路，就可以用StringReplace函数进行替换了。
2.输入一个声部的旋律
Matlab中的旋律代码有许多多余的字符，需要我们处理一下
i.输入Matlab代码中的旋律cellonoteinfo =
"do1f do1f so0f so0f la0f%% la0f mi0f mi0f...fa0f%% fa0f do0f do0f fa0f \n
fa0f so0f so0f";
这里面有很多我们不希望得到的 ... %% 空格回车这样的字符，需要把他们去掉。
ii.定义去掉无用字符的函数infotonote[info_] :=
StringPartition[StringJoin@StringCases[info, _?LetterQ | _?DigitQ],4];
iii.得到适用于Mathematica的旋律In[1]:= cellonote = infotonote[cellonoteinfo]
Out[1]:= {"do1f", "do1f", "so0f", "so0f", "la0f", "la0f", "mi0f", "mi0f", \
"fa0f", "fa0f", "do0f", "do0f", "fa0f", "fa0f", "so0f", "so0f"}
这样我们就得到了旋律中的音符名称列表
3.用声音替换旋律中的音符名称
还记得那个"asswecan"吗？它可以把音符名称替换成声音。用“asswecan”关联完成对几段旋律的转换，并规定好他们开始弹奏的时间，比如vio1末尾的8就代表第一把小提琴在第8秒才开始弹奏。cello = Sound[Flatten@Table[Replace[cellonote, notetosoundass, 1], 23], {0}];
vio1 = Sound[Replace[violinnote, notetosoundass, 1], {8}];
vio2 = Sound[Replace[violinnote, notetosoundass, 1], {16}];
vio3 = Sound[Replace[violinnote, notetosoundass, 1], {24}];
4.最后把他们组合起来
As we can see, 我们完成了！
你可以在B站听到这段旋律
你也可以前往Wolfram社区下载Matlab及Mathematica代码文件
