【IC.TECH】创刊号 | Audio ABC

创刊词

非常高兴能在联想社区开始【IC.TECH】专栏的写作,在这里首先要感谢联想社区给予的难得机会。IC从小就喜欢写点什么,作文课从不犯愁。自互联网普及以来,IRC、BBS、个人主页、博客、微博、微信公众号等各种花样形式层出不穷,IC间或参与其中,虽然没有什么成绩,不过也算乐在其中。自2016年注册联想社区以来,更是积极参与社区的各种线上线下活动,一路下来,却颇有收获。互联网本是开放、分享精神的典范,再有承蒙各位社区朋友的垂爱,IC也鼓起勇气开始自己在互联网的首个专栏写作。

专栏起名为【IC.TECH】,本意是希望能专注于技术概念的阐述,以及分析、综合这些技术对于生活的影响。对于大众来说,技术往往以产品的型态呈现在面前,在用户和技术之间架起桥梁的就是所谓的产品设计。对于产品设计以及相关的工业设计、平面设计来说,IC完全是门外汉。只是拜自己的职业所赐,IC对于某些生僻狭窄的技术领域有些粗浅的认识。如今蓬勃兴起的信息产业日益成为大众所关注的焦点,刚巧IC所在的集成电路行业也算属于信息产业。而且近些年流行的通讯、多媒体等消费电子技术,IC无论是做为技术开发者,还是做为普通的用户,也算略有接触。所以将来的每期专栏,IC也希望能利用自己的职业优势,尽量的使内容言之有物,能切实的为技术概念的普及做些力所能及的行动。

同时,由于营销的需要,各大厂商也越来越热衷于进行技术卖点的宣传。IC也希望能够利用这个专栏,对这些技术热点进行及时的追踪和分析。人们常说,活到老、学到老,这需要对于新鲜事物永远保持强烈的好奇心;更需要在自己的兴趣范围内,持续的进行关注和研究。这才是一颗真正跃动不止的技术之心。

Audio ABC

最近家中小朋友开始正式的英语学习了,培训教材中附送一张音频CD。IC在鼓捣这张CD的时候,忽然一个问题冒了出来:为什么CD采用了44.1KHz的采样率?为什么不是48KHz?毕竟48这个数字看起来整齐的多。为此IC做了一番搜索和研究,分享给感兴趣的朋友。

首先介绍一些常见的音频概念。大家知道人耳能听到声音,是因为声音在音源产生后,对空气产生了一系列忽强忽弱的压力,这种压力的振动可以被人耳内部的耳膜感受到,然后经由各种神经细胞,汇总到大脑中形成声音的感觉。有时候这种压力比想象的要大的多,它不仅可以驱动薄薄的耳膜,当强度足够大时,甚至可以吹动人的头发和衣服。参加过室外音乐节的朋友,如果碰巧在现场比较靠近喇叭的地方,应该有切身的体会。人耳能听到的这种压力振动的范围大概在20Hz到20KHz,Hz即赫兹,即每秒中振动发生的次数。除了人耳,身体的某些部分也可以感受到声音的振动,例如骨传导耳机就是绕过了耳膜,利用头部骨骼来传递声音的振动。

(骨传导原理。图片来自网络)

因为声音本质上是一个连续的信号,当声音被记录下来,尤其是数字化记录时,就涉及到采样率和采样精度这两个概念。工科的朋友们可能对奈奎斯特采样定理比较熟悉,就是对声音信号做采样时,采样频率一定要大于声音信号最高频率的两倍。一个通用的声音记录系统,当然需要应对声音的大范围频率,即20KHz声音需要的采样频率至少是40KHz,考虑到后续的各种传输、处理过程带来的损失,采样频率一般会高于40KHz。

(数字化的440Hz正弦波,采样频率8KHz,采样精度8bit)

如果说采样频率对应的是时间维度上对于声音的采样,那么采样精度就是对应的幅度维度。它把采样系统所支持的幅度范围分成若干份,然后用一个数字来代表每一份对应的幅度值。当某一个时刻的声音幅度落在那一份时,就用这一份的数字来代表这个声音在这个时刻的幅度。

常用的采样频率大概分三个系列,分别以8KHz、12KHz、11.025KHz为基准。由此衍生出来的三个系列的采样频率就有,8K/16K/32K/64K/128K、12K/24K/48K/96K/192K,11.025K/22.05K/44.1K/88.2K。

采样精度,通常有8bit/16bit/24bit/32bit。采样完成后,通常还有个编码的过程。最直观的编码就是PCM格式了,它是一种有正有负的数字,以衡量特定时刻的声音幅度。正、负其实都是相对的概念,都是相对于数字零所对应的幅度而言。

还有一个概念就是声音通道数量,常见的就是两个声道,一左一右。家庭影院声道数量更丰富一些,一般不大于十个。在电影院中,通常会更多,有几十个声道。所以在电影院中声音复现的更为真实,配合电影画面使得观众有身临其境的感觉。每个声道一般都对应录制时的一个麦克风,当然有些声道也可以后期合成。

上面是声音数字化记录的一些参数,那么这些数字化的记录如何存放?数字记录生成的文件有好多种,在Windows平台,最直观就是wav文件了。相比大家熟悉的MP3格式文件,wav直接保存的就是PCM编码的声音幅度信息,而采样频率、采样精度以及声音通道数目,就在wav文件头中标明。这样当一个播放器播放wav文件的时候,它首先读取文件头,了解这个声音的采样率、采样精度、声道数目,就可以恢复出正确的声音了。

那么,上面啰嗦了这么多,到底为什么CD的采样频率是44.1KHz呢?请您持续关注【IC.TECH】后续更多精彩文章!

后文:【IC.TECH】第二期 | 为什么CD的采样率是44.1KHz?

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