声音的基本特点及数字化

4．2．1　声音的基本特点及数字化

4．2．1．1　声音的基本特点

声音是通过一定介质(空气、水等)传播的一种连续的波，是一个随着时间连续变化的模拟信号，在物理学中称为声波。声波具有普通波所具有的特性:反射、折射和衍射。声音的这些特性使人们能够感知到声音信号，它主要由以下几个要素来描述。

1．基准线

基准线提供模拟信号的基准点。

2．振幅

声波的振幅就是通常人们所说的声音的大小，即音量。在声学中，振幅是用来定量研究空气受到压力的大小。振动越强，振幅越大，声音就越大，反之声音越弱。它的大小用分贝表示，人可以听到的声音大小在0～120dB之间。

3．周期

声音波形一般是周期性的波形，以一定的时间间隔重复出现，这个时间间隔称为声音信号的周期，单位为秒(s)。

4．频率

声音信号的频率和周期互为倒数，频率即为每秒钟的周期数。

人耳并不能听得到所有频率的声音，它可以听到的最低频率为20Hz，最高频率约为20 000Hz。人说话的信号频率通常为300～3 000Hz，人们把在这种频率范围内的信号称为语音信号。

声音的传播是以声波形式进行的。人耳可以根据声波到达左右耳的相对时差、相对强度等来判断出声音的来源方向。但是声音难以进行远距离传送，也难以将它直接存储起来。为了将声音存储并传输，通常用传声器将声音信号转变为电信号，再对这个变化的电信号进行放大、存储和传输。由于这些信号是模拟信号并且所用的输入、输出设备都是以模拟方式工作的，如麦克风和音响等。由于在计算机中，信息必须以数字化形式存在，所以为了在多媒体计算机系统中对声音信号进行加工处理和存储，就必须把模拟音频信号数字化，形成数字音频。

4．2．1．2　声音的数字化

声音的数字化主要通过计算机的声卡来完成的。

1．声卡的主要功能

声卡一般具有录制、编辑、回放数字音频文件和混合、压缩、解压缩音频文件等功能。

2．声卡的基本结构

声卡由数据总线驱动器、总线接口和控制器、数字声音处理器、混合信号处理器、接口电路以及多个音乐合成器等部件构成。声卡的外部接口包括:线性输入(LINE IN)、话筒输入(M IC IN)、线性输出(LINE OUT)、扬声器输出(SPK OUT)、游戏杆/ M IDI接口(JOYSTICK/M IDI)、CD音频连接器等。声卡的基本结构见图4-9。

图4-9　声卡的基本结构

3．声卡的工作原理

声卡插在主板的扩展槽上，PC总线与声卡之间建立起信号通道，声卡通过地址总线、控制总线和数据总线控制器与PC总线交换信息。

4．声卡处理音频信号的品质

声卡处理音频信号的品质主要有3种，它们分别是电话音频品质、FM音频品质、高品质音频。

5．声卡的性能指标

1)采样能力

对波形信号的采样能力，它包括处理、压缩的能力等。

2)芯片类型

声卡所使用的芯片的种类，不同类型的芯片其性能存在差异。

3)总线类型

声卡的常用总线有ISA总线、控制总线和PCI总线。

4)标准支持

声卡对各种音频标准的支持，如对三维立体声标准Direct 3D等。

5)音效

音效是声音的效果，如回音、和声、环绕立体声等。

在多媒体系统的音频处理过程中，采样量化和编码技术是音频信号数字化的关键。对音频信号的采样，实际上是把模拟音频信号每隔相等的时间间隔截成一段，将在时间上连续变化的波形截取成在时间上离散的数字信号，对所得的数字信号进行量化、编码后，形成最终的数字音频信号。

6．影响数字化声音质量及声音文件大小的主要因素

1)采样频率

采样频率指单位时间内的采样次数，即单位时间内模拟信号被截取的段数。采样频率越高，采样点之间的间隔就越小，数字化后得到的声音就越逼真，但相应的数据量就越大。

2)采样的量化大小

它反映出对各个采样点进行数字化时所选用的精度，用记录每次样本值大小的数值的位数来表示，一般有8位和16位，其中8位量化的精度有256个等级，即每个采样点的音频信号最大振幅的1/256;16位量化的精度有65 536个等级，即为音频信号最大幅度的1/65 536。可见，量化越大，所能记录声音的变化就越细腻，相应的数据量就越大。

3)采样的声道数

采样的声道数是指处理的声音是单声道还是立体声。单声道在声音处理过程中只有单个数据流，而立体声则需要左、右两个数据流。显然，立体声的效果要好些，但相应的数据量要比单声道的数据量加倍。

7．在多媒体计算机中的音频处理技术

1)音频技术

把模拟信号转换成为数字化信号，然后存储到存储设备中。

2)文语转换

经过语言学处理把计算机内的文本转换成声音输出。

3)声音编码/解码

对语音信息进行压缩编码和解压缩编码。

4)语音识别

计算机辨别和理解人说的话。

5)音乐合成

利用音乐合成芯片，把乐谱转换成乐曲输出。