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音频原理

1.何为声音

中学物理中我们知道，声音是物体振动产生的声波。声音通过介质（空气、固体、液体）传入到人耳中，带动听小骨振动，经过一系列的神经信号传递后，被人所感知。

声音是一种波。物体振动时会使介质（如空气）产生疏密变化，从而形成疏密相见的纵波。

既然声音是波，那么我们就可以用图的形式来表示它。

给定空间中某一点，该点的空气疏密随时间的变化如下：

波形图

下图是一个正弦波，其周期为0.002s，频率为500HZ。

频率（音调）：声音1秒内周期性变化的次数

人耳的听觉范围在20Hz-20kHz。 低频的声音沉闷厚重，高频的声音尖锐刺耳。 高于 20kHz的声音为超声波。

振幅（响度）：声音的大小

有的时候，我们用分贝（dB）形容声音大小。值得注意的是， dB是一个比值，是一个数值，没有任何单位标注。（功率强度之比的对数的10倍）

2.声音采集与存储

采样 ，指把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程 。

对声音的采样常用麦克风等设备将声音信号转换成电信号，再用模/数转换器将电信号转换成一串用1和0表示的二进制数字（数字信号）。

我们每秒对声音采样上万次，获得上万个按照时间顺序排列的二进制数字。于是，我们就将连续变化不断的声音转化成了计算机可储存并识别的二进制数字。

如果用图像的形式表示该音频，则图像如下：（横轴是时间，纵轴为振幅，两个图像分别代表左右声道。由于声音频率较大，所以在图像中的信号不是“正弦”，而是实心的。）

2.1 采样频率

采样频率指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数。采样频率越高，声音的还原就越真实越自然。

目前主流的采样频率有8KHZ、22.05KHz、44.1KHz、48KHz三种。

8KHZ为电话通话的声音品质，22.05 KHz为FM广播的声音品质，44.1KHz为理论上的CD声音品质。48KHz为人耳可辨别的最高采样频率。

直观理解：一段连续的声音如下

一段声音

我们等间隔地对其采样

最终，我们真正采样到的音频如下

如下图可见，采样频率越高，我们获得的声音品质越好。

2.2 量化位数

我们不可能获得所有时间下声音的强度，因此声音是等时间间隔、离散采样的。同样，采样获得的数据不可能无限的精确，如数字为63.2222222….，这无法在计算机中储存。因此，采样获得的数据同样也是离散的。

量化位数是音频文件的另一个参数。量化位数越大，声音的质量越高。常用的量化位数有8位、16位和32位。

量化位数指用几位二进制数来存储采样获得的数据。量化位数为8即指用8位二进制数来存储数据，如00010111

还是之前的例子，有一段正弦声波，假设量化位数为3，即存储的数据只有000/001/010/011/100/101/110/111这8种可能。

现在，还是等距离采样，不过采样的点只能落在最近的红线上。

此时，每个点纵坐标的取值只有二的三次方，即只有8中可能。

由下图可见，量化位数越大，声音效果越好。

另外值得注意的是，不同量化位数存储的数据不可直接比较。

如4位量化位数存储的1111，其十进制是15，8位量化位数存储的10000000，其十进制是64。不是因为6415，所以后者对应的声音比前者大。而是应该二者分别除以其总取值范围后在比较。

前者对应的声音比后者大。

2.3 声道数

声道分为单声道与双声道。

单声道即为左右耳听到的声音相同。

双声道两耳听到的信息不同。相同的声音时间、采样频率和比特率的情况下，双声道文件的存储空间是单声道的两倍。但其会给人空间感，游戏和电影中常采用双声道，可达到“听声辨位”的效果。

示例声音如下：

3. 为什么每个人的声音会不一样

3.1 人的发声原理

当肺部呼出空气时，气流通过狭窄的声门时，声带的黏膜会产生如海浪般的波动，此波动使附近的空气介质振动形成疏密波，即为声波。这些声波会在咽、口腔、鼻腔及鼻窦等共鸣器产生共鸣而放大音量，之后再受嘴唇、牙齿及舌头等器官影响，被修正成大家日常所讲的语音。人的声音如果光靠声带振动发出声音，而没有共鸣腔将声音扩大，声音会很小，共鸣腔除了能将声音扩大外，也有吸收杂音的效用，使发出来的声音品质更理想。

声带如同小提琴的琴弦，可藉由调整张力及长短来改变声音的频率（即为音调的高低）。张力可受声带内的肌肉层影响，也受声门大小影响，声门变小时，声带的张力变大而产生频率较高的声音。此外，声带的长度会因男女而异，男性约为17～25mm，而女性约为12.5～17.5mm。儿童和女性因声带较短，振动较快，发音较高；而男性声带较长较厚，此可解释一般成年男性声音较低沉，且较难发高音的原因。

3.2 是什么决定了每个人的声音特色

音高、音强、音长、音色等元素的不同决定每个人声音的差异

音高：音高由基频决定。

基频：其正好对应声带振动的速度，代表声音的音高，基频越高声带振动越快，发出的声音也越尖。通常来说，在干净的语音频谱上（嘶吼不行，混着别的声音不行），最低的那个明显的峰就代表了基频，而基频整倍数频率所对应的峰便是其共振产生的谐波。基频通常用频率值（f）或者周期值（T）去表示。

音色：音色由泛音决定。

泛音：除了发音体整体产生的波长最长的音是基音，以基音为标准，物体的各部分（二分之一，三分之一，四分之一……等）产生的是泛音，泛音的波长通常为基音的整数分之一（如λ/2，λ/3，λ/4......等）。泛音的组合决定了特定的声音，并能使人明确地感到基音的强度。

参考文献：

1. 《数字音频原理》，

2. 《声带的的结构及发声原理》，

3. 《语音处理基础知识》，

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