信息技术实验：计算机如何对声音进行“录制”存储

2017-12-07张渤

中国信息技术教育 2017年21期

张渤

数字化技术是信息技术课程中的基础内容之一，尤其是数字化的原理、用途、特点及相关技术的特色，比较难以理解，通过信息技术实验，用數据与作品输出技术原理及应用，可以更容易地探索其技术特点。例如，在音频处理中，可以通过音频处理软件观察计算机将自然界声音进行转换，存储为音频文件的过程、方法、结果，加深计算机对数据进行处理的认识和理解。

实验目的

（1）具体感知计算机采集处理声音的一般过程，掌握声音录制所需的硬件设备和软件设置等基础知识。

（2）通过观察波形，结合采样频率的设置，了解计算机采集声音的基本原理。

（3）通过更改设置录音的不同参数、改变存储格式等，对比分析计算机采集声音的共性特征、不同参数和格式对音频文件存储容量的影响。

实验原理

自然界的声音信号，我们称之为模拟信号。根据学过的物理知识，我们知道自然界的声音信号都是连续的波形。计算机是采用二进制进行数据存储和处理，所以将自然界的声音录制到电脑中，其实就是把连续的模拟信号转换成为使用0或1表示的数字信号的过程，这个过程称为模拟/数字转换（通常称为声音的数字化）。自然音源只有转换为数字信号后，才能在计算机中作进一步加工处理。

声音数字化包含两个关键步骤——采样和量化。

采样就是每隔一定时间读一次声音信号的幅度，而量化则是将采样得到的声音信号幅度转换为数字值。从本质上来说，采样是时间上的数字化，每隔一定时间就对声音进行抽取，单位时间内的采样次数称为采样频率（采样过程可以类比数学上的描点作函数图像）。采样频率越高则采样时间间隔越小，采样得到的数据越接近原来的波形。而量化则是幅度上（音量高度）的数字化，通常采用采样位数对模拟音频信号进行数字化。采样位数越高（度量越精确），数字化后的信号就越接近原始信号（如图1）。

根据奈奎斯的采样理论，采样频率要高于输入信号最高频率的两倍，而正常人的听觉频率为20Hz～20KHz，所以采样频率应在40KHz左右，常用采样频率有44.1KHz、48KHz等。采样位数决定了模拟信号数字化后的动态范围，常用的有8位、12位和16位。从模拟/数字转换角度来看，影响音频文件质量的主要因素就是采样频率和采样位数。

数字化后的声音信号在通过电脑进行回放处理时，需要再次将数字信号按照一定的规则还原成连续的模拟信号，这就是在音频编辑软件中看到声音仍然是连续波形的原因。另外，数字化时采样频率和采样位数越高，还原效果就越接近原来的声音（如图2、图3）。

数字化后的声音信号要存储和再处理，都需要按照一定的规则把信号进行编码。因为编码会把数据冗余部分去掉，所以经过编码压缩后的音频信号也会有不同程度的质量损失，存储占用空间也不尽相同。我们常采用的音频压缩编码格式有PCM、WAV、APE、FLAC、MP3、MP3PRO、AMR、AAC等，对应有无损压缩和有损压缩等不同品质的音频文件。

除此之外，不同声道数的音频信号也会影响人的听觉感受。

实验设备

电脑、耳麦、音频编辑软件（如Cool Edit Pro或GoldWave、Auditio等）、歌曲一首或多首。

实验内容

（1）进行录音前的设备调试准备（录制外界声音或人声与录制电脑自身发出声音设置有差异）。

（2）新建不同采样频率、采样位数的音频文件，进行录音，并采用不同格式进行存储，对比分析其听觉差异和文件容量差异。

（3）记录数据，并分析推理实验结论（如左下表）。

通过听觉感受前后对比，重点区分音频文件的清晰度能否真实反映原声音，以及有何不同，不能单纯以好或不好作为描述。

实验思考

（1）如何设置实验，对比分析观察某一参数变化所造成的影响？

（2）为避免不同音源录音所造成的差异影响实验效果，应如何保证音源的一致性？

（3）如何观察采样后的波形其实是原始信号的抽样结果？（请把观察截图附在本题后）