【MIDO】乐理基础 与 python - 从零开始到编写柱式和弦与分解和弦

本篇文章从律学开始，从十二平均律出发，介绍一些基础必要的乐理知识，然后编写python文件，输出和弦音频文件。

---

---

乐理知识部分：

一、律学简述(temperament)

---

  1、概论

  律学，又称“音律学”，是研究律制构成与应用的科学。律学须对音乐所用的音律进行研究。音乐所用的音绝大多数是确定的，律制则是以某特定音程为基础，用数学方法规定的一系列乐音的体系。体系中的每个单位称为“律”；音阶是按照音程关系的一定规格从律制中选择若干律而构成的音列，其中的每个单位称为“音”。“音”与“律”合称“音律”时，除指律制外，兼指作精确规定的所有乐音。 ----百度百科

  

  简而言之，律就是用数学的方法规定各个音高（不止）的振动频率。“律”是构成律制的基本单位。“律”和“音”的概念相近但略有不同，律制中每个单位称为“律”，而音阶中每个单位称为“音”，律制与音阶的关系十分密切。

  2、律的计算

  音律计算法即音程的计算法，使用频率比或音程值（interval value）来表示和计算音程的大小。

  从古至今，律法不断更替。不同的律制由不同的生律法决定。

  音程值（interval value）有四种，分别为对数值、八度值、音分值和平均音程值。

  

  3、五度相生律（circle-of-fifths system）

  五度相生律，规定构成纯五度音程的两个音的频率规定为2:3。这种每隔五度产生一律，继续相生而得各律的做法，称为“五度相生法”。

  其中，由于最大音差的存在，使五度相生律无法在十二律上循环构成各调音阶，即从主音出发，生律十二次（或更多次）并纳入同一八度后，无法回到主音，这对五度相生律的使用造成了一定障碍。

  4、纯律（just intonation）

  。。。

  5、十二平均律（twelve-tone equal temperament）

  十二平均律是把一个八度均分为频率比相等的十二个半音的律制，又称为“十二等比律”。

  接下来我们所有代码都是采用十二平均律的。原因是，钢琴就是基于十二平均律设计的。

  百度百科写道：十二平均律最早是由我国明朝科学家朱载堉发现（1584年）。后通过丝绸之路传至西方。

  1605年荷兰数学家西蒙·斯特芬在一篇未完成的手稿“Van de Spiegheling der singconst”提出用

  计算十二平均律，但因计算精度不够，他算出的弦长数字，有些偏离正确数字一至二单位之多。

  一个八度的频率比为2:1，则十二平均律各律之间的频率比应为：¹²√2 =1.05946122

  在音乐实践中，当时的音乐家已深知十二平均律的便利之处，各国的作曲家、演奏家都开始使用十二平均律，同时也致力于十二平均律的开发。例如德国的巴赫（J.S.Bach），作有《十二平均律钢琴曲集》二卷，此二卷虽并非只使用了十二平均律（还使用了一些不规则律），但被认为是充分发挥十二平均律的效能，可以自由转调的典范作品。

  6、三种律制的比较

  三种律制各有其优缺点。十二平均律解决了五度相生律和纯律中存在的一些矛盾，例如不断增加律数仍无法回到出发律的矛盾，但十二平均律又会影响音程的和谐性。总体而言，十二平均律将五度相生律和纯律加以调和与折衷，介于两者之间而又更接近五度相生律。十二平均律是目前使用最为广泛的一种律制。

二、基础乐理----p1----乐音体系及分组

---

  1、音乐体系、音列

  钢琴有88个键。这些乐音加起来的总和叫做--音乐体系。

  从低到高排起来叫做--音列。

  2、音名

  在乐音体系中，每个乐音都有其固定名称，即：音名 。通常用字母C、D、E、F、G、A、B来表示。

  这七个音级也称为基本音级，在钢琴键盘上的位置是固定不变的。

  3、音的分组

  钢琴划分不同的区域。

  钢琴键盘上中央C开始的这一音组称为小字一组，也是“轴心组”。小字一组往右方依次称为小字二组、小字三组、小字四组、小字五组；小字一组往左方依次称为小字组、大字组、大字一组、大字二组

三、基础乐理----p2----五线谱&音符

---

  1、谱表

  谱表由五线四间构成，用于记录音符高低。由于谱表有五条等距离平行横线，因此称为五线谱。

  2、谱号

  这里简单认识一下高音谱号就好了。除此，还有低音谱号、中音谱号。

 

  3、音符

  音符由三部分组成：符头（空心或实心的椭圆形符号）、符干（短竖线）和符尾（符干右侧的小弧线）。

  4、休止符

  休止符是用来表示音乐休止、间断的符号。

  在音乐进行中，休止符虽然表示短暂的无声，但此时有着特殊的意义，而且音乐并没有中断，因此休止符是音乐作品中的重要组成部分之一。

  5、拍号

  分子的数字代码一个小节有多少拍，分母的数字代表一几分音符为一拍。读法注意不能读作几分之几拍！

  此外，拍号还明确了旋律的强弱变化规律。

四、基础乐理----p3----音程

---

  1、音程

  两个音之间音高距离就叫做音程。

  

  音程分为两种：旋律音程、和声音程。

  简而言之，旋律音程是两个音先后发出声响。而和声音程指的是同时发出。

  

  2、旋律音程

  按照发声先后读。

  3、和声音程

  下方的音称为根音，上方的音称为冠音。

  4、协和音程与不协和和音程

  协和音程的音响效果听起来悦耳动听、声音融合，可分为完全协和音程和不完全协和音程。

  完全协和音程包括纯一度、纯四度、纯五度、纯八度；不完全协和音程包括小三度、大三度、小六度、大六度。

  纯八度的音响听起来非常融合，像一个音的声音，也因为过于融合声音听起来会比较空洞。

  纯一、纯四度、纯五度音程比起纯八度的音响效果略显饱满一些，但也显空洞。

  因此，所有纯音程（纯一度、纯四度、纯五度、纯八度）都是完全协和音程。

  不协和音程的音响比较刺耳，听起来紧张、不稳定，如大小二度、大小七度、增四度、减五度等音程。

  不协和音程虽然音响效果尖锐，但是它在音乐作品中也是构成乐曲的重要元素。

  

五、基础乐理----p4----调式

---

  1、调式

  若干高低不同的乐音，围绕某一具有稳定感的中心音（主音），按照一定关系组织起来所构成的体系，称为调式。现在世界上应用最广泛的调式是大小调式。

  其中，巴赫的《十二平均律》更是大小调式的经典中的经典。

  2、主音

  在调式中，主音是处于核心地位的中心音，其稳定感最强，其他的音都倾向于它。在歌（乐）曲中，主音常出现在强拍、音较长或终止处。

  3、大调式

  大调式简称为“大调”，由七个音级构成。它的主音与Ⅲ级音之间为大三度音程关系，这个大三度也是大调式的特征所在。其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ级音构成大三和弦，因此大调式的色彩是明亮、辉煌的。

  

  大调式共有三种类型：自然大调、和声大调和旋律大调。

    1、自然大调

    自然大调是大调中用得最多的一种，全部由自然音级构成。

    自然大调音阶由五个全音和两个半音组成，

    

    其音阶结构是：全音-全音-半音-全音-全音-全音-半音，即由大二度、大二度、小二度、大二度、大二度、大二度、小二度音程组成。

    

      C和D之间隔了一个音（黑键），所以CD叫全音。

      E和F之间没有间隔，所以叫半音。

    为了便于熟记，自然大调编成口诀为：全、全、半、全、全、全、半。

    即我们平时说的：de re mi fa sol la si

    C自然大调如下图所示：

    2、和声大调

    在自然大调音阶的基础上，将第Ⅵ级音降低半音，即为和声大调。

    其特征是降Ⅵ级音与Ⅶ级音之间所形成的增二度音程。

    这个增二度即为判断和声大调的标志，也是和声大调的特征所在。

    C和声大调音阶如下图所示：

    3、旋律大调

    在自然大调音阶的基础上，将第Ⅵ级音降低半音，即为旋律大调。

    其特征是降Ⅵ级音与Ⅶ级音之间所形成的增二度音程。

    这个增二度即为判断和声大调的标志，也是和声大调的特征所在。

    C旋律大调音阶如下图所示：

  4、小调式

  小调式简称为“小调”，也是由七个音级构成。

  它的主音与Ⅲ级音之间为小三度音程关系，这个小三度也是小调式的特征所在。其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ级音构成小三和弦，因此小调式的色彩是柔和、暗淡的。

  小调也有三种类型：自然小调、和声小调和旋律小调。

  

    1、自然小调

    自然小调音阶也由五个全音和两个半音组成，其音阶结构是全音-半音-全音-全音-半音-全音-全音，即由大二度、小二度、大二度、大二度、小二度、大二度、大二度音程组成。

    

    a自然小调如下图所示：

    为了便于熟记，编成口诀为：全、半、全、全、半、全、全。

  

    2、和声小调

    在自然小调音阶的基础上，将第Ⅶ级音升高半音，即为和声小调。

    其特征是Ⅵ级音与升Ⅶ级音之间所形成的增二度音程，并且Ⅶ级音在升高半音之后具有了导音倾向于主音的功能，和自然小调相比紧张度更大。

    a和声小调如下图所示：

    3、旋律小调

    在自然小调音阶的基础上，将自然小调上行音阶中的第Ⅵ级和第Ⅶ级升高半音，下行音阶中再将这两个音还原，即为旋律小调。

    

    a旋律小调如下图所示：

六、基础乐理----p5----调号

---

  1、调号

  调号作为表示一首歌（乐）曲的调高（即主音高度）的符号，位于每行谱表起首处（谱号之后）或乐曲进行中出现新调的地方。

  调号是用升、降记号来记写的。

  

---

---

python编曲部分：

一、认识MIDO库

---

1、导入mido

from mido import Message,MidiFile,MidiTrack

2、mido基本框架

创建两个mido库的对象：MidiFile() , MidiTrack()

前者用于编辑、生成、输出Midi文件，后者用于midi文件轨道编辑。

mid = MidiFile()
track = MidiTrack()
mid.tracks.append(track)

在轨道对象中添加信息，'program_change'意为切换轨道。

直观理解就是：编辑某条轨道前需要先把轨道选好。（此为官方固定套路，看不懂也无所谓，照着写即可）

track.append(Message('program_change', program=0, time=0))

3、编写音符

选好轨道之后，直接在轨道上添加音符即可。注意，此处的时间单位是毫秒。

track.append(Message('note_on', note=60, velocity=64, time=0))

添加完后再添加一条结束标记，此处才算真正完成一个音符的书写。

track.append(Message('note_off', note=60, velocity=64, time=2000))

添加完以后，就可以直接生成一个midi文件了

mid.save('MyFirstDamnSong.mid')

4、代码

代码如下：

二、结合乐理

---

1、midi文件频率编号表格：

由上表可知，中央C的midi编号是60 。

2、编写工具库

  1、任务分析

  我们首先编写一个工具库Notes_Toolbox.py，定义一些常用的，根基的东西。

  定义好基础的东西：音程、音名、调式、和弦、节拍、基础音等等。

  然后编写一些简单的方法供调用，比如返回一组和弦、自动转调、通过五线谱得到MIDI频率编号等方法。

  2、定义变量

编号	变量名	Is static？	Default value	作用
1	bpm	No	125	节拍
2	timePerBeat	No	60 / bpm * 100	每拍持续时间（毫秒）
3	base_note	static	60	中央C对应MIDI编号
4	note_name[]	static	[ 'C','D','E','F','G','A','B']	音名
5	major_notes[]	static	[0, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 1]	自然音阶
6	Cmajor_notes[]	static	<intermediate variable>
7	Eflatmajor_notes[]	static	<intermediate variable>
8	Cmajor{}	static	{'C': 60, 'D': 62, 'E': 64, 'F': 65, 'G': 67, 'A': 69, 'B': 71}	C大调字典
9	Eflatmajor{}	static	{'C': 63, 'D': 65, 'E': 67, 'F': 68, 'G': 70, 'A': 72, 'B': 74}	E小调字典
...	...	...	...	...

  3、定义函数

编号	方法名	返回	传入参数	作用
1	get_note	MIDI编号	note,group=0,**kw	输入音名与音符区域，返回对应的MIDI编号。（需要改进，没有黑键）
2	get_chord	和弦数组	name，**kw	输入和弦名称，返回和弦数组
3	originToEflatMajor	新E小调MIDI编号数组	list,**kw	输入C大调，返回E小调。（需要改进，支持指定什么调到什么调）
...	...	...	...	...

bpm = 125 #why 125:
    #bpm = 1 * 1000 / 8
timePerBeat = 60 / bpm * 1000
base_note = 60 # C4
note_name =[
    'C','D','E','F','G','A','B'
]

major_notes = [0, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 1]
Cmajor_notes = []
Eflatmajor_notes = []

for num in range(12):
    Cmajor_notes.append(base_note+sum(major_notes[0:num+1]))
    Eflatmajor_notes.append(base_note+3+sum(major_notes[0:num+1]))
#这里只有一个区
Cmajor = dict(zip(note_name,Cmajor_notes))
# Cmajor = {'C':60,'D':62,'E':64,'F':65,'G':67,'A':69,'B':71}
Eflatmajor = dict(zip(note_name,Eflatmajor_notes))
# Eflatmajor = {'C': 63, 'D': 65, 'E': 67, 'F': 68, 'G': 70, 'A': 72, 'B': 74}

def get_note(note,group=0,**kw):#Group = 0 means 4Group
    global base_note,major_notes
    return base_note + group*12 + sum(major_notes[0,note])

def originToEflatMajor(list,**kw):
    Ef=[]
    for x in list:
        Ef.append(x+3)
    return Ef

#get_note(1,group=0) return 60
#get_note(2,group=0) return 62
def get_chord(name):
    chord = {
        "Major3":[0,4,7,12],#大三和弦
        "Minor3":[0,3,7,12],#小三和弦
        "Augmented3":[0,4,8,12],#增三和弦
        "Diminished3":[0,3,6,12],#减三和弦

        "M7":[0,4,7,11],#大七和弦
        "Mm7":[0,4,7,10],#属七和弦
        "m7":[0,3,7,10],#小七和弦
        "mM7":[],
        #...
    }
    return chord[name]
#get_chord(“Major”) return [0,4,7,12]

3、写一段分解和弦

上面已经写完了工具类模块，接下来就可以专注于和弦的部分了。

  1、编写输出和弦函数

  输出分解和弦到midi文件

  使用此方法时，需要传入：

编号	参数名：	传入：	示例：
1	track	mido库的输出音频接口	MidiTrack()
2	root	音符的名称	'C','D','E','F','G','A','B'
3	name	和弦的名称，在Notes_Toolbox中定义	'Major3'...
4	format	输出分解和弦的方式	[0,1,2] [1,3,2,3]...
5	length	音符持续的时长	4

  直接放上源代码：

def add_broken_chord(root, name, format, length, track, tone_name='Cmajor', root_base=0, channel=0):
    #默认是c大调
    root_num = Notes_Toolbox.Cmajor
    if tone_name == 'Eflat':
        root_num = {'C': 63, 'D': 65, 'E': 67, 'F': 68, 'G': 70, 'A': 72, 'B': 74}
    root_note = root_num[root] + root_base*12  # 分解和弦的根音

    time = (length * 480) / len(format)  # 此处为官方文档写法，我也不懂，time指的是音符持续时长
    for broken_chord in format:  # 通过for循环，逐个输出和弦的音符
        note = root_note + Notes_Toolbox.get_chord(name)[broken_chord]
        track.append(Message('note_on', note=note,
                     velocity=60, time=0, channel=channel))
        track.append(Message('note_on', note=note, velocity=60,
                     time=round(time), channel=channel))

  2、调用参考：

format = [0, 1, 2, 3]
add_broken_chord('C', 'Major3', format, 4, track)
add_broken_chord('C', 'Minor3', format, 4, track)
add_broken_chord('C', 'Augmented3', format, 4, track)
add_broken_chord('C', 'Diminished3', format, 4, track)
add_broken_chord('C', 'Diminished3', format, 4, track)

  最后调用保存midi文件即可。

---

---

三、规范化代码

为了方便调用，我们对函数的参数顺序做出调整。

另外，重载play_note方法，使其可以接收int类型的note（也就是直接输入MIDI编号）。

同理，所有的有关note的输入都可以进行重载。

def play_note(note,  track, length=1, tone_name='Cmajor', root_base=0, delay=0, velocity=1.0, channel=0):
    ...

def play_note(note:int,  track, length=1, tone_name='Cmajor', root_base=0, delay=0, velocity=1.0, channel=0):
    ...

def play_broken_chord(root, name, format, track,length=1, tone_name='Cmajor', delay=0, velocity=1.0,root_base=0, channel=0):
    ...

---

---

四、总结、mido之旅未完待续...

  经过上述学习与实践，浅显地了解了音乐与数学的联系，与一些基础乐理知识。通过代码，实现了各种和弦的输出。

  结合乐理知识，接下来，将进行圈式和弦的书写。

---

参考文献

[1]. 《音乐理论基础》，李重光编著，人民音乐出版社；