Создание синусоидальной или прямоугольной волны в C#

Question

Как сгенерировать звуковой синусоидальный или прямоугольный сигнал заданной частоты?

Я надеюсь сделать это для калибровки оборудования. Насколько точными будут эти волны?

Answer 1

Вы можете использовать НАудио и создайте производный WaveStream, который выводит синусоидальные или прямоугольные волны, которые вы можете вывести на звуковую карту или записать на WAV файл.Если вы использовали 32-битные выборки с плавающей запятой, вы могли бы записать значения непосредственно из функции sin без необходимости масштабирования, поскольку они уже находятся в диапазоне от -1 до 1.

Что касается точности, вы имеете в виду именно правильную частоту или именно правильную форму волны?Настоящей прямоугольной волны не существует, и даже синусоидальная волна, скорее всего, будет иметь несколько очень тихих артефактов на других частотах.Если важна точность частоты, вы полагаетесь на стабильность и точность часов вашей звуковой карты.Сказав это, я предполагаю, что точность будет достаточно хорошей для большинства применений.

Вот пример кода, который создает выборку частотой 1 кГц с частотой дискретизации 8 кГц и 16-битными выборками (то есть не с плавающей запятой):

int sampleRate = 8000;
short[] buffer = new short[8000];
double amplitude = 0.25 * short.MaxValue;
double frequency = 1000;
for (int n = 0; n < buffer.Length; n++)
{
    buffer[n] = (short)(amplitude * Math.Sin((2 * Math.PI * n * frequency) / sampleRate));
}

Answer 2

Это позволяет указать частоту, продолжительность и амплитуду, и это 100% код .NET CLR.Никаких внешних DLL.Он работает путем создания файла в формате WAV. MemoryStream это похоже на создание файла только в памяти, без сохранения его на диск.Затем он играет это MemoryStream с System.Media.SoundPlayer.

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
using System.Linq;
using System.Windows.Forms;

public static void PlayBeep(UInt16 frequency, int msDuration, UInt16 volume = 16383)
{
    var mStrm = new MemoryStream();
    BinaryWriter writer = new BinaryWriter(mStrm);

    const double TAU = 2 * Math.PI;
    int formatChunkSize = 16;
    int headerSize = 8;
    short formatType = 1;
    short tracks = 1;
    int samplesPerSecond = 44100;
    short bitsPerSample = 16;
    short frameSize = (short)(tracks * ((bitsPerSample + 7) / 8));
    int bytesPerSecond = samplesPerSecond * frameSize;
    int waveSize = 4;
    int samples = (int)((decimal)samplesPerSecond * msDuration / 1000);
    int dataChunkSize = samples * frameSize;
    int fileSize = waveSize + headerSize + formatChunkSize + headerSize + dataChunkSize;
    // var encoding = new System.Text.UTF8Encoding();
    writer.Write(0x46464952); // = encoding.GetBytes("RIFF")
    writer.Write(fileSize);
    writer.Write(0x45564157); // = encoding.GetBytes("WAVE")
    writer.Write(0x20746D66); // = encoding.GetBytes("fmt ")
    writer.Write(formatChunkSize);
    writer.Write(formatType);
    writer.Write(tracks);
    writer.Write(samplesPerSecond);
    writer.Write(bytesPerSecond);
    writer.Write(frameSize);
    writer.Write(bitsPerSample);
    writer.Write(0x61746164); // = encoding.GetBytes("data")
    writer.Write(dataChunkSize);
    {
        double theta = frequency * TAU / (double)samplesPerSecond;
        // 'volume' is UInt16 with range 0 thru Uint16.MaxValue ( = 65 535)
        // we need 'amp' to have the range of 0 thru Int16.MaxValue ( = 32 767)
        double amp = volume >> 2; // so we simply set amp = volume / 2
        for (int step = 0; step < samples; step++)
        {
            short s = (short)(amp * Math.Sin(theta * (double)step));
            writer.Write(s);
        }
    }

    mStrm.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
    new System.Media.SoundPlayer(mStrm).Play();
    writer.Close();
    mStrm.Close();
} // public static void PlayBeep(UInt16 frequency, int msDuration, UInt16 volume = 16383)

Answer 3

Попробуйте из Создание синуса и сохранение в волновой файл на С#

private void TestSine()
{
    IntPtr format;
    byte[] data;
    GetSineWave(1000, 100, 44100, -1, out format, out data);
    WaveWriter ww = new WaveWriter(File.Create(@"d:\work\sine.wav"),
        AudioCompressionManager.FormatBytes(format));
    ww.WriteData(data);
    ww.Close();
}

private void GetSineWave(double freq, int durationMs, int sampleRate, short decibel, out IntPtr format, out byte[] data)
{
    short max = dB2Short(decibel);//short.MaxValue
    double fs = sampleRate; // sample freq
    int len = sampleRate * durationMs / 1000;
    short[] data16Bit = new short[len];
    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        double t = (double)i / fs; // current time
        data16Bit[i] = (short)(Math.Sin(2 * Math.PI * t * freq) * max);
    }
    IntPtr format1 = AudioCompressionManager.GetPcmFormat(1, 16, (int)fs);
    byte[] data1 = new byte[data16Bit.Length * 2];
    Buffer.BlockCopy(data16Bit, 0, data1, 0, data1.Length);
    format = format1;
    data = data1;
}

private static short dB2Short(double dB)
{
    double times = Math.Pow(10, dB / 10);
    return (short)(short.MaxValue * times);
}

Answer 4

(для всех остальных) используя Матнет

https://numerics.mathdotnet.com/generate.html

Синусоидальный

Генерирует массив синусоидальных волн заданной длины.Это эквивалентно применению масштабированной тригонометрической функции синуса к периодической пилообразной пилотушке амплитуды 2π.

s(x)=A⋅sin(2πνx+θ)

Generate.Sinusoidal(длина, частота дискретизации, частота, амплитуда, среднее значение, фаза, задержка)

например

 Generate.Sinusoidal(15, 1000.0, 100.0, 10.0);

возвращает массив { 0, 5,9, 9,5, 9,5, 5,9, 0, -5,9, ...}

и еще есть

Generate.Square(...

который будет

создать периодическую прямоугольную волну...

о точности говорить не могу.