声音信号【音频基础知识】

声音基础

声音我们每天都会听见，这是我们听觉对震动的感知，本质上声音是介质的震动，包括固体液体和空气。振动的物体产生压强变化，这些变化将不断往外部扩散移动，这些压强的变化成为声波。声音的传播类似于丢入池塘的石头产生的水波，但是水波是上下波动，而声波是纵波，沿着波运动的方向向前向后振荡。

声音的传播和介质的硬度和密度相关，介质的密度越大，声音的传播速度越慢，而介质的硬度越大，声音的传播速度越快。例如水的密度比空气密度大，速度应该慢一些，但是水的硬度比空气大很多，所以水中声波传播的速度是空气中的几倍，所以用于声呐的性能非常好。

最简单的声波是纯音，纯音的声压的变化与时间成正弦关系：

式中，x(t ) 表示随着时间t 的推移，压强的变化；A 表示峰值振幅（或压强）；f 表示该纯音的频率；Φ 表示起始相位。这个正弦函数产生的波形随着时间的推移在±1之间上下交替变化。常量π，旧是圆的周长和直径的比值 (3.14159265…)，正弦运动是最简单的一种振动形式。

声音信号

现在一般都是使用麦克风来采集声音信号，首先声波通过空气传播到麦克风的振膜，振膜随空气抖动的振幅大小产生相应的电学信号。我们把这种带有声学表征的电学信号叫做模拟信号（Analog signal）。通过A/DC（模数转换器）将模拟信号转换成1和0表示的二进制数字,数字信号（Digital signal）。即通过PCM（Pulse Code Modulation）脉冲编码调制对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码转换成离散的数字信号。

1. 采样位深

模拟音频是一种连续波，实际上具有无限数量的可能幅度值。然而，要在数字音频中测量这种波，我们需要在每次采样时将波的幅度定义为一个有限值，必须采用“四舍五入”的方法把样值分级“取整”，使一定取值范围内的样值由无限多个值变为有限个值，这一过程称为量化，位深代表的就是振动幅度的表达精确程度或者说粒度。一般在网络电话中用的就是16bit的位深，而24bit的一般用于电影配乐，交响乐团等等大动态的音频信号。

2. 采样率

采样率定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，就是1秒内采集到的采样点的个数，一般用赫兹Hz来表示。比如1秒有48000个采样点那么采样率就是48000Hz（48kHz）。

常见的采样率为：

8,000 Hz – 电话所用采样率, 对于人的说话已经足够
22,050 Hz – 无线电广播所用采样率
32,000 Hz – miniDV 数码视频 camcorder、DAT (LP mode)所用采样率
44,100 Hz – 音频 CD, 也常用于 MPEG-1 音频（VCD, SVCD, MP3）所用采样率
48,000 Hz – miniDV、数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率
96,000 或者 192,000 Hz – DVD-Audio、一些 LPCM DVD 音轨、Blu-ray Disc（蓝光盘）音轨、和 HD-DVD （高清晰度 DVD）音轨所用所用采样率

3. 通道数

声音的通道的数目。常有单声道和立体声之分，单声道的声音仅仅能使用一个喇叭发声（有的也处理成两个喇叭输出同一个声道的声音），立体声能够使两个喇叭都发声（一般左右声道有分工），更能感受到空间效果，当然还有很多其它的通道数。

4. PCM编码

简化来说：PCM脉冲编码调制，以一个固定的频率对模拟信号进行采样，并将采样的信号按照一定精度进行量化，最终量化后的值被输出，记录到存储介质中。

在计算机应用中，PCM 是能达到音频最高保真水平的格式，它被广泛用于素材保存及音乐欣赏，PCM 也因此被称为无损编码格式。但这并不意味着 PCM 就能够确保信号绝对保真，它只能做到最大程度的无限接近原始声音。要计算一个 PCM 音频流的码率需要数字音频的三要素信息即可：码率 = 采样率 × 量化位深 × 声道数。

作者：周志强 | 来源：FreeSWITCH中文社区