当前课程知识点:计算机文化基础 > 第3课:数字世界中形形色色的“数” > 计算机是如何感知声音波形的? > 声音量化三要素
前面我们通过图像了解了
数字化的两个概念
采样和量化
那么对于我们熟悉的声音来说
采样和量化又意味着什么呢
回忆一下我们看
声音是什么
这个常识
大家都已经在中学的课堂里获得了
我们知道声音是由于物体的振动
比如我们人类就是通过
声带的振动发出声音
振动产生的声波进入到我们的人耳
引起了鼓膜的振动
然后将神经冲动传向了大脑
听者就感觉到了这些神经冲动
这就是声音
在物理上
我们通常有三个基本的要素
来描素声音
其中响度它表示的就是
声音的强弱
在声音波形中就对应着
振幅的大小
它的单位是分贝
分贝是一个相对的概念
0分贝并不表示没有声音
它通常是用来表示
人类能够听到声音的最小音量
完全有可能有比0分贝
还要弱的声音
只是对于绝大部分人来说
他感知不到
那么音调呢
音调它是指声音的高低
由声源的振动的频率
来决定的
频率越高它的音调就越高
大家可不要把音调和响度混淆了
比如我们说在音乐当中
我们就C D E F等等
这样的7个音调
而响度在音乐当中
其实就是指的是音量
那么音色呢
音色这个物理量它又代表什么呢
在生活中我们采集到的声音波形
实际上都是很有个性的
声音它是复合音
你要在自然界中找到一个
单频率的声音
几乎是不可能的
因此声音它可以分为基本音和泛音
泛音决定了声音的音色
它是由声源的材质
大小 振动的方式等等
很多因素决定的
比如唱歌的时候
你的歌声中的基本音
决定了你唱歌是否跑调
而你的泛音
则决定了你的歌声是否动听
在爱迪生发明留声机以前
声音的波形只能被听到
无法被看到
和记录下来
那我们就来看一看
爱迪生的这样一台
能够留住声音的这个装置的构造
它由这样的几个部分组成
它有一根能够固定在
振膜上的这样一个刻针
在这个刻针的下面
是有一个能够转动的一个圆筒
在圆筒的上面
铺有了这么一层锡箔
那么当人们对着这个振膜说话的时候
我们就会发现
振膜就会产生了振动
振膜的振动就会带动了
它下方的刻针上下振动
所以我们说话的快慢
高低
都能使这个刻针
产生不同的振动
同时我们又在转动这样的一个摇把
那么我们的刻针的振动
就会在锡箔上
刻出了一个
和我们的振膜的振动一致的
这样的一些勾纹
那么声音就是被这样纪录下来了
相反如果我们让刻针沿着
在我们的刻录好的锡箔上的这些勾纹
滑动的话
就会带动振膜来回振动
那么振膜就会把刚才纪录下来的声音
说出来
所以声音就这样被刻录下来
好我们再次从这个模拟的声音波形
和数字的这个声音波形上
直观地看到
连续与离散的区别
我们在左图
它是一个一秒时长的
一个模拟声音波形
而右图
它是一个采样频率
是每秒n次的这样一个数字波形
所以同样模拟的声音
要通过采样和量化
这两个关键的动作
来获得数字音频
那么对于在这个时间维度上的
这个声音波形来说
采样的过程就是每隔
一个时间间隔
在模拟的声音波形上
取一个幅值
量化的过程则是把采样到的
每一个点
按照某一种精度
表示出它的这个大小
那么关于这个采样频率
大部分人都会在录音的时候
遇到这样的一系列的数字
比如说我们在录制CD
这个音乐的时候
就得至少保证
我们的采样频率是44100Hz
这样的一个采样频率
为什么呢
那是因为根据采样定律来说
为了使得我们的低频不产生失真
那么采样频率
至少得是我们录制的声音当中
它所包含的最高频率的两倍
人类的听力范围是20Hz
到20000Hz
这样的一个范围
那我在录制音乐的时候
我们就应该把人类能够听到的
自然界中的所有声音
都要涵盖
那么我们的这个采样频率
它要把20000Hz
采样进去
那么我的采样频率就至少
是20000Hz的两倍
40000Hz
为了保险我们又留出了
10%的余量
那就变成44000Hz
那么后来又多出了一个100Hz
这又是哪里出来的呢
感兴趣的同学可以查一查
没有时间的同学
你就可以把这当作工业标准来理解
在数字音频领域当中
常用的采样频率
就会有这样的以下一些
我们列举了一些例子
比如8000Hz
这是电话所用到的
采样频率
人类的发声的这个频率
在85Hz到1100Hz
这样的一个频率范围内
所以这8000Hz
在记录我们人的说话的这个频率
是富富有余的
那么对于音乐来说
那是人类能够感知到的
自然界中的所有声音
就像刚才解释一样
那么它的采样频率
就定为了我们的听力范围的
两倍以上
也就是说我们现在看到的
44100Hz
我们说人的听力范围在
20到20000Hz这样的一个范围
并不意味着
到了20000Hz以上的声音
人耳听不到
完全无法感知
所以说
如果对于一些
拥有敏感的
这样的一个听觉系统的
这样的听者来说
他可能觉得CD
的这个44100Hz的采样频率
并不够真实
它显得不够自然
所以说我们还可以再调高这个采样频率
到48000Hz
96000Hz等等等等
这就是数字音频的一个优势
那么下面我们来看一看
这个量化环节
量化它是对模拟音频信号的一个幅值
进行数字化
所以我们看
量化位数它就决定了
音频幅值采样的一个精度
它决定了模拟信号
它数字化以后的一个动态范围
量化位数越高
它能够表现的声音的动态范围
就越大
由于计算机的整个过程
它是按照一个字节来运算
所以一般来说
量化位数它多为8个比特
或16个比特
那我们可以看
根据屏幕上给出的这个公式
动态范围等于20×lg2的
按量化位数次方来作计算
16位的这样一个量化位
它能够表现出来的
这样的一个模拟量的动态范围
就可以是96.32分贝
这对于普通的声卡来说
这已经是足够能够应付
大部分的应用了
作为专业级的声卡
能够支持的量化位数
它就可以达到
24位甚至是32位
大家不妨计算一下
24位的这样一个量化位
它能得到的动态范围
是多大
好我们再看
在录制声音的时候
我们还会发现
还要设置一个声道数
这个参数
那是因为人的耳朵
不仅可以听到声音
而且还可以利用两只耳朵
接收声音时候的强弱差别
和时间差别
来判断出发声物体的方向
和距离
所以这就是我们的双耳效应
那通过这样的一个人双耳效应
在我们的录制过程当中
要设置好声道数
这个参数
那好了
那我们设置好这3个参数
那我们就可以
通过数字化的方式
将声音记录下来
好计算题又来了
这回大家有思路了吧
一首时长4分16秒的歌曲
数字化参数为
双声道立体声
采样频率为
44.1KHz
采样精度为16bit
每个样本
那么看一看
在数字化以后
这个音频文件有多大
我们把它的单位换算为
K字节
好我们来看看
怎么来计算它
数字音频的数据量
怎么来计算
它在每秒钟它的采样点是44.1K
注意这个K
是Hz的K这个单位
所以它是10的3次方
而每一个点它采用了16个比特
来量化
同时它又是一个立体声
所以乘以2
而这256秒
就是从刚才的4分16秒
换算而来的
这时候我们就可以得到
具体的这个数值
而接下来
就是一个单位换算
比特换算成了字节
字节再换算成我们看到的
K字节
好了这部分就到这里
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