一、聲音的三要素

1.音調(diào)

       人耳對聲音高低的感覺稱為音調(diào)(也叫音頻)。音調(diào)主要與聲波的頻率有關(guān)。聲波的頻率高，則音調(diào)也高。當(dāng)我們分別敲擊一個(gè)小鼓和一個(gè)大鼓時(shí)，會(huì)感覺它們所發(fā)出的聲音不同。小鼓被敲擊后振動(dòng)頻率快，發(fā)出的聲音比較清脆，即音調(diào)較高；而大鼓被敲擊后振動(dòng)頻率較慢，發(fā)出的聲音比較低沉，即音調(diào)較低。一般音頻 兒童>女生>男生。

       人耳聽覺音頻范圍是20Hz-20000Hz(做音頻壓縮時(shí)不在這個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)就可以砍掉)。
 

2.音強(qiáng)

       也就是響度。人耳對聲音強(qiáng)弱的主觀感覺稱為響度。響度和聲波振動(dòng)的幅度有關(guān)。一般說來，聲波振動(dòng)幅度越大則響度也越大。當(dāng)我們用較大的力量敲鼓時(shí)，鼓膜振動(dòng)的幅度大，發(fā)出的聲音響；輕輕敲鼓時(shí)，鼓膜振動(dòng)的幅度小，發(fā)出的聲音弱。

       另外，人們對響度的感覺還和聲波的頻率有關(guān)，同樣強(qiáng)度的聲波，如果其頻率不同，人耳感覺到的響度也不同。

 

3.音色

       也就是音品。音色是人們區(qū)別具有同樣響度、同樣音調(diào)的兩個(gè)聲音之所以不同的特性，或者說是人耳對各種頻率、各種強(qiáng)度的聲波的綜合反應(yīng)。音色與聲波的振動(dòng)波形有關(guān)，或者說與聲音的頻譜結(jié)構(gòu)有關(guān)。

       音叉可產(chǎn)生一個(gè)單一頻率的聲波，其波形為正弦波。但實(shí)際上人們在自然界中聽到的絕大部分聲音都具有非常復(fù)雜的波形，這些波形由基波和多種諧波構(gòu)成。諧波的多少和強(qiáng)弱構(gòu)成了不同的音色。各種發(fā)聲物體在發(fā)  出同一音調(diào)聲音時(shí)，其基波成分相同。但由于諧波的多少不同，并且各諧波的幅度各異，因而產(chǎn)生了不同的音色。
 

基波與諧波

 

二、音頻的量化與編碼

音頻的量化過程

現(xiàn)實(shí)生活中，我們聽到的聲音都是時(shí)間連續(xù)的，我們把這種信號叫模擬信號。模擬信號(連續(xù)信號)需要量化成數(shù)字信號(離散的、不連續(xù)的信號)以后才能在計(jì)算機(jī)中使用。如下圖所示量化過程分為5個(gè)步驟：

1.1 模擬信號

現(xiàn)實(shí)生活中的聲音表現(xiàn)為連續(xù)的、平滑的波形，其橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)表示聲音的強(qiáng)弱。

1.2 采樣

按照一定的時(shí)間間隔在連續(xù)的波上進(jìn)行采樣取值，如下圖所示取了10個(gè)樣。

1.3 量化

將采樣得到的值進(jìn)行量化處理，也就是給縱坐標(biāo)定一個(gè)刻度，記錄下每個(gè)采樣的縱坐標(biāo)的值。

1.4 編碼

將每個(gè)量化后的樣本值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼。

1.5 數(shù)字信號

將所有樣本二進(jìn)制編碼連起來存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上就形成了數(shù)字信號。

量化的基本概念

2.1 采樣大小

       一個(gè)采樣用多少個(gè)bit存放，常用的是16bit(這就意味著上述的量化過程中，縱坐標(biāo)的取值范圍是0-65535，聲音是沒有負(fù)值的)。

2.2 采樣率

       也就是采樣頻率(1秒采樣次數(shù))，一般采樣率有8kHz、16kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz等，采樣頻率越高，聲音的還原就越真實(shí)越自然，當(dāng)然數(shù)據(jù)量就越大。

       模擬信號中，人類聽覺范圍是20-20000Hz，如果按照44.1kHz的頻率進(jìn)行采樣，對20HZ音頻進(jìn)行采樣，一個(gè)正玄波采樣2200次；對20000HZ音頻進(jìn)行采樣，平均一個(gè)正玄波采樣2.2次。

2.3 聲道數(shù)

       為了播放聲音時(shí)能夠還原真實(shí)的聲場，在錄制聲音時(shí)在前后左右?guī)讉€(gè)不同的方位同時(shí)獲取聲音，每個(gè)方位的聲音就是一個(gè)聲道。聲道數(shù)是聲音錄制時(shí)的音源數(shù)量或回放時(shí)相應(yīng)的揚(yáng)聲器數(shù)量，有單聲道、雙聲道、多聲道。
 

2.4 碼率
        也叫比特率，是指每秒傳送的bit數(shù)。單位為 bps(Bit Per Second)，比特率越高，每秒傳送數(shù)據(jù)就越多，音質(zhì)就越好。

碼率計(jì)算公式：

碼率 = 采樣率 * 采樣大小 * 聲道數(shù)

比如采樣率44.1kHz，采樣大小為16bit，雙聲道PCM編碼的WAV文件：

碼率=44.1hHz*16bit*2=1411.2kbit/s。

那么錄制1分鐘的音樂的大小為(1411.2 * 1000 * 60) / 8 / 1024 / 1024 = 10.09M。


三、音頻壓縮技術(shù)

音頻壓縮主要包括2種方法：

3.1 消除冗余數(shù)據(jù)

       這種壓縮的主要方法是去除采集到的音頻冗余信息，這些被刪除掉的音頻信號是沒法恢復(fù)的，所以稱為有損壓縮。

       冗余信息包括人類聽覺范圍之外的音頻信號和被掩蔽掉的音頻信號。什么是被掩蔽的信號呢？信號的掩蔽分為頻域掩蔽和時(shí)域掩蔽。

3.1.1 頻域掩蔽效應(yīng)

       人類聽覺范圍是20-20000Hz，但這并不意味著只要是這個(gè)頻率范圍內(nèi)的聲音都可以聽到，能否聽到還與聲音的分貝大小有關(guān)，有個(gè)分貝臨界值，高于這個(gè)臨界值的聲音才能聽到，低于這個(gè)臨界值的聲音就聽不到，在不同的頻率下這個(gè)臨界值是不一樣的。如下圖所示，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為分貝值，圖中的黑色曲線就是這個(gè)臨界值曲線，所以位于曲線下方的聲音是聽不到的。

       還有一種情況，比如2個(gè)音調(diào)差不多的人同時(shí)說話，一個(gè)聲音很大，一個(gè)聲音很小，聲音小的會(huì)受到聲音大的影響，導(dǎo)致聲音小的無法被聽到。如下圖所示，紅色的柱子是一個(gè)很大分貝的聲音，它會(huì)產(chǎn)生掩蔽效應(yīng)將與它頻率相近的小分貝的聲音掩蔽掉，紅柱子兩邊的藍(lán)色曲線就是它的掩蔽范圍曲線，紫色柱子都在它的掩蔽曲線覆蓋的范圍內(nèi)，所以紫色柱子代表的聲音是聽不到的；而綠色柱子不在其范圍內(nèi)，所以是可以聽到的。
 

 

3.2 哈夫曼無損編碼

將人類無法識別的聲音信號刪除掉后，對剩余的聲音信號繼續(xù)進(jìn)行壓縮編碼，經(jīng)過這種壓縮后再還原時(shí)是可以復(fù)原到和原來一樣的數(shù)據(jù)的(當(dāng)然，復(fù)原也只是復(fù)原到壓縮前的狀態(tài)，那些刪除的人類無法識別的部分是不能復(fù)原的)，所以稱為無損壓縮。



四、音頻編解碼器

4.1 常見音頻編解碼器

       常見的音頻編解碼器包括OPUS、AAC、Vorbis、Speex、iLBC、AMR、G.711等。目前泛娛樂化直播系統(tǒng)采用rtmp協(xié)議，支持AAC和Speex。
性能上來看，OPUS > AAC > Vorbis，其它的逐漸被淘汰。

       下圖為音頻編解碼器性能對比，橫坐標(biāo)是碼率，縱坐標(biāo)是音頻的采樣大小等級劃分(比如采樣大小為8bit是窄帶音頻，采樣大小為16bit是寬帶音頻)。