信息技術(shù)實驗：計算機如何對聲音進行“錄制”存儲

張渤

數(shù)字化技術(shù)是信息技術(shù)課程中的基礎內(nèi)容之一，尤其是數(shù)字化的原理、用途、特點及相關(guān)技術(shù)的特色，比較難以理解，通過信息技術(shù)實驗，用數(shù)據(jù)與作品輸出技術(shù)原理及應用，可以更容易地探索其技術(shù)特點。例如，在音頻處理中，可以通過音頻處理軟件觀察計算機將自然界聲音進行轉(zhuǎn)換，存儲為音頻文件的過程、方法、結(jié)果，加深計算機對數(shù)據(jù)進行處理的認識和理解。

實驗目的

（1）具體感知計算機采集處理聲音的一般過程，掌握聲音錄制所需的硬件設備和軟件設置等基礎知識。

（2）通過觀察波形，結(jié)合采樣頻率的設置，了解計算機采集聲音的基本原理。

（3）通過更改設置錄音的不同參數(shù)、改變存儲格式等，對比分析計算機采集聲音的共性特征、不同參數(shù)和格式對音頻文件存儲容量的影響。

實驗原理

自然界的聲音信號，我們稱之為模擬信號。根據(jù)學過的物理知識，我們知道自然界的聲音信號都是連續(xù)的波形。計算機是采用二進制進行數(shù)據(jù)存儲和處理，所以將自然界的聲音錄制到電腦中，其實就是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成為使用0或1表示的數(shù)字信號的過程，這個過程稱為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（通常稱為聲音的數(shù)字化）。自然音源只有轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，才能在計算機中作進一步加工處理。

聲音數(shù)字化包含兩個關(guān)鍵步驟——采樣和量化。

采樣就是每隔一定時間讀一次聲音信號的幅度，而量化則是將采樣得到的聲音信號幅度轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。從本質(zhì)上來說，采樣是時間上的數(shù)字化，每隔一定時間就對聲音進行抽取，單位時間內(nèi)的采樣次數(shù)稱為采樣頻率（采樣過程可以類比數(shù)學上的描點作函數(shù)圖像）。采樣頻率越高則采樣時間間隔越小，采樣得到的數(shù)據(jù)越接近原來的波形。而量化則是幅度上（音量高度）的數(shù)字化，通常采用采樣位數(shù)對模擬音頻信號進行數(shù)字化。采樣位數(shù)越高（度量越精確），數(shù)字化后的信號就越接近原始信號（如圖1）。

根據(jù)奈奎斯的采樣理論，采樣頻率要高于輸入信號最高頻率的兩倍，而正常人的聽覺頻率為20Hz～20KHz，所以采樣頻率應在40KHz左右，常用采樣頻率有44.1KHz、48KHz等。采樣位數(shù)決定了模擬信號數(shù)字化后的動態(tài)范圍，常用的有8位、12位和16位。從模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換角度來看，影響音頻文件質(zhì)量的主要因素就是采樣頻率和采樣位數(shù)。

數(shù)字化后的聲音信號在通過電腦進行回放處理時，需要再次將數(shù)字信號按照一定的規(guī)則還原成連續(xù)的模擬信號，這就是在音頻編輯軟件中看到聲音仍然是連續(xù)波形的原因。另外，數(shù)字化時采樣頻率和采樣位數(shù)越高，還原效果就越接近原來的聲音（如圖2、圖3）。

數(shù)字化后的聲音信號要存儲和再處理，都需要按照一定的規(guī)則把信號進行編碼。因為編碼會把數(shù)據(jù)冗余部分去掉，所以經(jīng)過編碼壓縮后的音頻信號也會有不同程度的質(zhì)量損失，存儲占用空間也不盡相同。我們常采用的音頻壓縮編碼格式有PCM、WAV、APE、FLAC、MP3、MP3PRO、AMR、AAC等，對應有無損壓縮和有損壓縮等不同品質(zhì)的音頻文件。

除此之外，不同聲道數(shù)的音頻信號也會影響人的聽覺感受。

實驗設備

電腦、耳麥、音頻編輯軟件（如Cool Edit Pro或GoldWave、Auditio等）、歌曲一首或多首。

實驗內(nèi)容

（1）進行錄音前的設備調(diào)試準備（錄制外界聲音或人聲與錄制電腦自身發(fā)出聲音設置有差異）。

（2）新建不同采樣頻率、采樣位數(shù)的音頻文件，進行錄音，并采用不同格式進行存儲，對比分析其聽覺差異和文件容量差異。

（3）記錄數(shù)據(jù)，并分析推理實驗結(jié)論（如左下表）。

通過聽覺感受前后對比，重點區(qū)分音頻文件的清晰度能否真實反映原聲音，以及有何不同，不能單純以好或不好作為描述。

實驗思考

（1）如何設置實驗，對比分析觀察某一參數(shù)變化所造成的影響？

（2）為避免不同音源錄音所造成的差異影響實驗效果，應如何保證音源的一致性？

（3）如何觀察采樣后的波形其實是原始信號的抽樣結(jié)果？（請把觀察截圖附在本題后）

（4）比較常見的音頻文件的品質(zhì)區(qū)分方式是KBPS，通常稱為碼率，代表著音頻文件每秒內(nèi)所含的信息量，一般碼率越高信息越豐富，音樂也會更“真”，細節(jié)也會更飽滿。通過你的觀察分析，你認為影響碼率的主要因素是什么？其規(guī)律是什么？endprint