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音频基础概念

news 来源：原创 2025/8/25 3:26:29

声音

物体在一定的振动频率下产生了声音。声音可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。

声音三要素

声调

音调: 由发声体振动的频率决定，频率越高（振动越快）则音调越高，听起来就越“刺耳”，反之音调越低、听起来就越低沉。

声音的音调，即音频频率或每秒的变化次数

响度

响度: 由发声体振动的幅度决定,当传播的距离相同时，振动幅度越大、则响度越大；相反，当振幅一定时，传播距离越远，响度越小。

音色

音色: 不同声音表现在波形方面与众不同的特性

声音的采集与量化

模拟信号

模拟信号:是一种连续变化的信号，可以表示为电压、电流或电荷的形式。这种信号的变化可以反应真实世界的物理量（如声音、温度、压力等）的变化。

在不同振幅、频率声波的影响下，振动膜会同步振动，并配合其他关联模块将振动转换为变化的电流。

数字信号

数字信号:是指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示。

将音频模拟信号转换为音频数字信号，这个过程称为音频模拟信号的数字化，整个过程主要包括采样、量化、编码等步骤
第一步，采样：以一定采样率，在时间轴上对模拟信号进行数字化。
第二步，量化：以一定精度，在幅度轴上对模拟信号进行数字化。
第三步，编码：按特定格式，记录采样/量化后的数据。

PCM

量化编码后的音频采样数据裸流，即为PCM音频数据(Pulse Code Modulation,脉冲编码调制),实际应用还会通过编码算法进行压缩封装

来自参考5

17447908008526.jpg

数字信号质量三要素

1.采样率

自然界的模拟信号声音转换成数字信号存储到计算机的过程中，一个是离散的，一个是连续的，就会有转换精度的描述。

采样率(sampleRate): 单位时间内(1s)对声音信号的采集次数，采样率越高，声音的还原越真实。采样率单位为Hz。

奈奎斯特采样定理：当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样后的数字信号能够完整保留原始信号的信息。

因为人一般能够听到的声音范围：20Hz～20000Hz，所以很多采样率是基于这个区间而设计的。

来自参考5:

常见声音采样率:

采样率使用场景
8kHz在语聊、通话场景，满足基本的沟通目的，同时有效减少数据量、兼容各种传输/存储环境。人说话声音频率一般在300-700Hz之间，最大区间一般为60Hz-2000Hz
16kHz、32kHz在保证基本沟通的基础上，进一步提升音质，同时平衡带宽、存储的压力。某些音频处理算法会要求使用32KHz的采样率
44.1kHz、48kHz大多数的音视频应用场景。我们一般将 44.1kHz作为CD音质的采样标准
96kHz/192kHz更特殊的应用，比如需要对采集的音频进行后期加工、二次处理等。96KHz、192KHz等采样率对于人耳听感来说已无明显的提升，反而会增大存储、带宽的压力，对采集/播放设备也有较高要求，RTC场景一般不考虑
为什么是44.1kHz

找了些资料，技术 + 历史原因决定的

技术
  1. 奈奎斯特采样定理决定至少要满足40000Hz才能避免
  2. 工程选择:麦克风能接收,采集到的空气振动的频率范围远超过人耳听力。如果直接采集这样的信号，会导致出现混叠，所以必须要先使用一个低通滤波器，把高于阈值的信号过滤掉。高于40000Hz的部分实际是给低通滤波器留出空间，使得下降曲线可以落在20kHz以外，不影响音频效果
历史
  1. 在数字存储媒介被发明之前，早期的数字音频是要被录制在模拟录像带上的，因为只有VCR带能存储一定长度的数字音频信号。当年有两种标准NTSC/PAL
    NTSC每场扫描245线，每秒钟60场，每条扫描线只需要存储三个采样就可以达到44100Hz
    PAL每场扫描294线，每秒钟50场，每条扫描线也只需要存储三个采样就能达到44100Hz

人耳 20kHz 封顶，为什么数字音频都要记录和解析到更高的频率上去？

其它的说法

44.1 kHz 也允许CD格式的创作者在120毫米的唱片上记录至少80分钟的音乐（多于一个黑胶唱片的容量），在当时这被认为是一个极好的卖点。

Why 44.1 kHz

2.采样位数

前面的采样率是音频采集量化的频率,那每次采样得到值如何描述?

采样位数: 在音频采集量化过程中，每个采样点幅度值的取值精度，一般使用bit作为单位。

来自参考5:

常用的几种采样位数

采样位深描述
8bit早期常用的位深精度，可满足基础的通话音质需求
16bit被认为是达到专业音频质量的位深标准，足够完整地收录绝大多数音频场景的动态变化，适用范围广。和44.1KHz采样率一起，被作为CD音质的标准
24bit,32bit,64bit对于使用常见播放设备（手机、普通音箱）的用户来说，32bit与16bit的感官差异很细微，音质上的提升不明显，反而带来了更大的带宽、存储压力，更不用说64bit。并不需要盲目追求

3.声道数

因为音频的采集和播放时可以叠加的，因此可以同时从多个音频源采集声音，并分别输出到不同的扬声器。

声道数: 指声音在录制或播放时，在不同空间位置采集或回放的相互独立音频信号。声道数指在录音时的音源数量，或在播放时的扬声器数量。

常见的声道数
  1. 单声道(Mono): 只有一个声道，优点:数据量小，缺点:缺乏对声音位置定位
  2. 双/立体声道(Stereo): 由左声道，右声道组成，改善对声音位置定位的状态
  3. 四声环绕: 由左、前右、后左、后右组成，形成立体环绕。4.1声道是在四声环绕基础上，增加一个低音
  4. 5.1声道: 在4.1基础上，增加一个中场声道，就是电影院说的杜比音效

其它

采样数

采样数: 每帧采样的数量。

源码:libavutil > frame.h

typedef struct AVFrame {
.../*** number of audio samples (per channel) described by this frame*/int nb_samples;
...
}

在ffmpeg中使用结构体AVFrame中的成员变量nb_samples来表示采样数

音频帧

因为音视频文件播放时，为了保证音视频同步，程序需要根据每帧的播放时间戳进行有序播放。但是每个音频采样数据太小,音频帧实际上就是把一小段时间的音频采样数据都打包。

这是根据需要人为抽象的概念。

帧时长

音频的帧时长 = 采样数 / 采样率。假设采样率为44.1k，采样数为1024。那么每帧时长约等于23ms。

采样格式

采样格式: 采样数据的保存格式

音频的采样格式分为大端存储和小端存储。按照符号划分有: 有符号与无符号。按照类型划分有:整形与浮点数。按照存储位数划分有：8位、16位、32位、64位，都是8的倍数。

enum AVSampleFormat {AV_SAMPLE_FMT_NONE = -1,AV_SAMPLE_FMT_U8,          ///< unsigned 8 bitsAV_SAMPLE_FMT_S16,         ///< signed 16 bitsAV_SAMPLE_FMT_S32,         ///< signed 32 bitsAV_SAMPLE_FMT_FLT,         ///< floatAV_SAMPLE_FMT_DBL,         ///< doubleAV_SAMPLE_FMT_U8P,         ///< unsigned 8 bits, planarAV_SAMPLE_FMT_S16P,        ///< signed 16 bits, planarAV_SAMPLE_FMT_S32P,        ///< signed 32 bits, planarAV_SAMPLE_FMT_FLTP,        ///< float, planarAV_SAMPLE_FMT_DBLP,        ///< double, planarAV_SAMPLE_FMT_S64,         ///< signed 64 bitsAV_SAMPLE_FMT_S64P,        ///< signed 64 bits, planarAV_SAMPLE_FMT_NB           ///< Number of sample formats. DO NOT USE if linking dynamically
};

源码:libavutil > samplefmt.h

封装格式与编码协议

封装: 将音频数据，元数据和其它多媒体内容组合在一起。它提供了一种标准化的方式来存储和传输音频数据，使得不同的设备和软件能够理解和处理这些数据。

封装格式由特定格式头,媒体信息，音频轨数据组成

常见的封装格式有：mp3、m4a、ogg、amr、wma、wav、flac、aac、ape等。

不同封装格式的区别

来自参考8

格式发布者年份编码器是否有损描述
wav微软1991pcm无损波形文件，直接存储声音波形
mp3MPEG-11992mp3有损压缩比1:10甚至1:12，占有存储空间小，有版权
aacMPEG-21997aac有损支持多声道，更高解析度，更高压缩率
m4aMPEG-41998aac有损MPEG-4的扩展名，由ipod采用m4a变得流行
wma微软1999wma有损支持证书加密，主要应用于VOIP视频通话

音频码率

音频码率: 又称比特率，指的是单位时间内(一般为1s)所包含的音频数据量。

原始码率 = 采样率 * 采样位深(bit) * 声道数 * 时长(1s)

比如采样率 44.1kHZ，位深16bit的双声道的PCM数据，它的原始码率为

44.1 * 1000 * 16 * 2 * 1 = 1411200bps ≈ 1.346 Mbps

传输一分钟的音频数据需要消耗带宽 60 * 1.346 = 80.75Mbps

因为 1MB/s = 8Mbps, 所以接收原始音频的PCM数据1分钟大约要10M的流量，这个有点大,所以也可见传输过程的压缩很有必要。

参考

  1. 音乐与数学(1) - 从正弦函数讲起
  2. 数字信号
  3. 语音识别入门01-基本概念
  4. 音频相关基础知识（采样率、位深度、通道数、PCM、AAC）
  5. 音视频开发基础入门｜声音的采集与量化、音频数字信号质量、音频码率
  6. 音频帧如何理解，码率采样率、音频帧、位深度、声道编码介绍
  7. 视频和视频帧：视频和帧基础知识整理
  8. 走进音视频的世界——音频封装格式
  9. 一文看懂 Mbps、Mb / s、MB/s 有什么区别

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编程日记 2025/8/24 5:51:04

Angular 框架详解：从入门到进阶

Hi&#xff0c;我是布兰妮甜 &#xff01;在当今快速发展的 Web 开发领域&#xff0c;Angular 作为 Google 主导的企业级前端框架&#xff0c;以其完整的解决方案、强大的类型系统和丰富的生态系统&#xff0c;成为构建大型复杂应用的首选。不同于其他渐进式框架&#xff0c;An…...

编程日记 2025/8/21 5:51:34

使用Vue 3与.NET 8.0通过SignalR实现实时通信，并结合JWT身份验证

实时通信是一个非常重要的功能。SignalR是一个强大的库&#xff0c;能够帮助我们轻松实现客户端和服务器之间的实时数据传输。本文将结合你的代码示例&#xff0c;向你展示如何使用Vue 3作为前端框架&#xff0c;ASP.NET Core作为后端框架&#xff0c;通过SignalR实现实时消息通…...

编程日记 2025/8/23 1:49:52

Harmonyos-Navigation路由跳转

Harmonyos-Navigation路由跳转 概述Navigation路由跳转模块内页面路由系统路由表测试页代码创建并配置路由表文件配置创建好的路由表文件跳转页面 自定义路由表 跨模块路由封装库模块路由跳转工具类 概述 Navigation是路由容器组件&#xff0c;一般作为首页的根容器&#xff0…...

编程日记 2025/8/20 16:30:25

《人工智能应用创新》5天出审稿意见！

期刊简介 《人工智能应用创新&#xff08;Innovative Applications of AI&#xff09;》 &#xff08;ISSN&#xff1a;3078-2147&#xff09;是由香港修墨信息工程研究院举办&#xff0c;经国际同行评审后收录的学术期刊。本刊共分三个栏目&#xff1a;综述分析、应用示范、前…...

编程日记 2025/8/20 10:49:45

Excel数据自动填充到Word自定义表格

上一份工作在一家国企做软件测试&#xff0c;需求变来变去&#xff08;3天一小改&#xff0c;5天换版面&#xff09;&#xff0c;xmind要先整理一遍测试用例&#xff08;版本迭代&#xff0c;该废的废&#xff0c;该加的加&#xff09;&#xff0c;完了细节在禅道里补充&#x…...

编程日记 2025/8/22 5:07:17

Spring Boot一次接口请求涉及的完整执行链路

Spring Boot一次接口请求涉及的完整执行链路 &#x1f501; Spring 项目请求执行链路&#xff08;简化视图&#xff09; 客户端请求&#xff08;浏览器、Postman&#xff09;↓ Tomcat&#xff08;Servlet 容器&#xff09;↓ 【Listener 监听器】↓ 【Filter 过滤器】&#x…...

编程日记 2025/8/19 6:48:58

mapbox基础，加载视频到地图

👨‍⚕️ 主页： gis分享者 👨‍⚕️ 感谢各位大佬 点赞👍 收藏⭐ 留言📝 加关注✅! 👨‍⚕️ 收录于专栏：mapbox 从入门到精通 文章目录 一、🍀前言1.1 ☘️mapboxgl.Map 地图对象1.2 ☘️mapboxgl.Map style属性1.3 ☘️raster 栅格图层 api二、🍀加载视频到…...

编程日记 2025/8/21 12:01:11

Android动态化技术优化

Android动态化技术优化 一、WebView优化基础 1.1 WebView性能瓶颈 初始化耗时内存占用高页面加载慢白屏问题 1.2 WebView基本配置 class OptimizedWebView : WebView {init {// 开启硬件加速setLayerType(LAYER_TYPE_HARDWARE, null)// 配置WebSettingssettings.apply {//…...

编程日记 2025/8/23 2:04:38

Spring Boot 自定义定时任务组件深度解析：Quartz 集成与设计模式实战

一、组件设计目标 解决痛点&#xff1a; 简化 Quartz 原生 API 的复杂性统一任务调度管理&#xff08;增删改查、日志、重试&#xff09;与 Spring Boot 生态无缝整合 二、实现步骤详解 1. 组件初始化配置 1.1 初始化 Quartz 表结构 下载 SQL 脚本 &#x1f517; 官方表…...

编程日记 2025/8/17 18:35:43