數字音頻的發聲原理及其格式的運用

【摘要】處在信息化時代，計算機和網絡技術得到了普遍應用，數字音頻這一概念也就隨之出現，經過不斷的發展，在休閑娛樂、學習等領域均發揮著重要作用，成為現代人休閑活動的時尚大趨勢。本文主要研究了模擬音頻和數字音頻之間的轉換、數字音頻錄制與播放及數字音頻格式等內容進行研究，闡述了數字音頻的格式運用和發生原理，堅信數字音頻未來發展前景會更加廣闊。

【關鍵詞】數字音頻;發聲原理;播放格式

數字音頻是一種全新的數字技術，其應用深入到人們日常生活中的多個領域，給人們的生活帶來了很大的變化，像MD、CD、MP3及flash等音頻設備及軟件均應用到了數字音頻。盡管計算機多媒體技術逐漸完善，具備多項功能，但仍無法完成對聲音模擬信號的處理，處理對象僅限于數字信號，而計算機之所能發揮收聽、錄制聲音的作用都是建立在數字音頻的基礎上才實現的。

一、模擬音頻與數字音頻的轉換

數字音頻的聲音采樣指的是在電腦中把模擬音頻轉化成數字音頻的過程，需要借助數字-模擬轉換器（簡稱DAC）。D/A轉換器這一器件的任務就是將模擬信號以二進制碼比特（bit）即0和1的形式表達出來，數字音頻文件都是通過0和1表示出來的[1]。如圖1所示，原始音頻曲線通過正弦曲線表現出來，經數字音頻采樣后的結果通過深色方格顯示出來，數字音頻采樣效果同正弦曲線同深色方格吻合程度成正比，即吻合程度越高，采樣效果越好。

圖1 數字音頻采樣效果圖

圖1中橫、縱坐標分別為采樣頻率及采樣分辨率，自左向右縱向分析得知小格子的體積逐漸縮小，密度越來越大，呈現橫坐標先增密，縱坐標后增密的現象。這就說明：隨著橫坐標密度的增大，相鄰采樣時刻間距縮短，在這種情況下采集的聲音數據更加趨向于真實化，同原始聲音越接近。因此，要想保證良好的音質就必須增大采樣的頻率，可以通過縮小縱坐標單位的方式來達到提高音質的目的。

數字音頻文件中含有非常龐大的數據信息量，一般對于CD音樂的音質，都將聲卡的采樣頻率設置為44.1kHz，要想達到這個標準就要求保證采集頻率為每秒四萬次[2]。下面以圖2為例，說明規定采集頻率要求的原因。采樣點通過圓點來表示，原始音頻波形顯示在圖的上半部分，錄制后波形顯示在圖的下半部分。

如圖2所示，由于采樣點數量較少而導致原始音頻波形和錄制后波形吻合程度差，這種現象即為低頻失真。針對這一問題，奈奎斯特定理（Nyquist’s Theorem）中指出：應確保采樣頻率大于等于兩倍的錄制音頻頻率最高值，才能有效的避免低頻失真的現象，提高音頻的音質，該標準即為信道的極限速率。而圖2中的采樣頻率達不到要求的標準，只為3/4倍的錄制頻率，所以會造成上下波形不吻合的情況。通常在普通的音樂作品中只要確保最高音符在小于7kHz～8kHz的范圍內即可，從理論上來看采樣頻率只要為16kHz即可，但是這只能說明基音音高為7kHz～8kHz，在錄制過程中還會出現多種泛音列，所以，僅依靠信道的極限速率的途徑對采樣頻率進行設置是遠遠不夠的，缺乏一定的科學性[3]。

圖2 數字音頻采樣頻率圖

數字音頻采樣過程中出現的失真的具體含義是，人們在聽到的聲音不真實，人類實際的聽覺范圍為20Hz～20kHz，因此為了保證聽覺不失真就必須要求采樣頻率為40kHz。上述CD聲卡44.1kHz的采樣頻率也基于這一要求而制定的，考慮到實際情況的誤差，保有余地而將其設置的略大于40kHz。參考奈奎斯特定理，在維持44.1kHz的采樣頻率的情況下，不會因為出現頻率為22.05kHz的超聲波而發生失真的問題。48kHz的采樣頻率是目前音頻行業普遍采用的標準，對信道的極限速的要求更高，要求也更加嚴格。

計算機對聲音數據進行處理后，應先利用麥克風對錄制的各種聲音進行處理，通過模數變換器（A/D轉換器）的轉換后，模擬信號會轉化為數字信號，并輸入到計算機中進行相關的編輯和修改工作，最后將完工后的音頻作品輸入到D/A轉換器中，實現數字信號向模擬信號的轉變，對錄制的聲音進行高質量的還原，借助音箱等工具使聲音播放出來。

二、數字音頻的錄制與播放

通過以上研究，可以發現數字音頻具有優秀的品質，具體可以通過以下幾個方面體現出來：聲音數據是通過數字的方式對錄制好音樂進行儲存，這種儲存方式大大降低了傳輸誤差，提高了數據傳輸的準確性，從根本上提高了音質，即使在多次播放后，完成錄制的音樂作品會依然保持良好的效果，而這些都需要嚴格控制制作環節的質量;如果采用模擬信號的方式進行存儲，在完成一次的傳輸后就會發生不同程度的失真現象，再加上錄音本底噪音過大，必須要購置相當貴重的設備來符合錄音標準，使用操作更加嚴格和復雜。同模擬信號相比，電腦數字信息處理功能僅依靠顯示器就能完成上述操作，效率明顯提升，具有顯著的優勢[4]。

三、數字音頻格式的運用

目前常用的數字音頻格式及其使用方式、存在意義主要體現為：

1.MIDI

樂器數字接口即MIDI，表示的是對電聲樂器間控制參數及音符等指令的統一描述，這些指令稱為MIDI消息。計算機中的數字合成器、音樂程序和相關電子設備均通過MIDI來明確音樂信號的交換途徑，具有占用存儲空間小的優勢，數據傳輸要求低。

2.WAV格式

WAV格式別稱波形聲音文件，是微軟公司最早開發的數字音頻格式，其主要功能是對音頻信息資源進行保存，普遍應用于Windows 平臺和相關應用程序中。WAV文件的取樣頻率為44.1K，在不同聲道、音頻位數中均發揮重要的作用，可同CD音質相媲美，然而也存在存儲空間過大的問題[5]。

3.MP3格式

動態影像專家壓縮標準音頻層面3簡稱為MP3，主要功能是使音頻數據量降低，能夠在保證播放音效的前提下，將音樂作品以極高的壓縮率使文件容量大大縮小。利用MP3格式可以達到將大型文件大程度壓縮的目的，MP3音樂則指的就是通過該形式儲存的音樂作品。

4.CD格式

CD格式包括多種類型，其中在人們生活中應用最廣泛的一種就是聲頻CD，采用44.1kHz的采樣頻率。音軌是CD存儲的主要方式，不會損失音質，適用于儲存大數量的數據，具有便利、耐用的特點[6]。

5.DVD Audio格式

作為新型數字音頻儲存格式，DVD Audio（DVD-A）格式采用48kHz/96kHz/192kHz或44.1kHz/88.2kHz/176.4kHz的采樣頻率。該格式并不屬于圖像儲存格式，同DVD Video雖然存在容量相同、尺寸相同的共同點，但在功能上存在較大的差異。

6.WMA 格式

WMA 格式屬于音頻格式，微軟公司通過該格式進行了大量的音頻創作，其目的是在保證音質的同時最大限度使數據流量降到最低，提高壓縮率。同MP3文件相比，WMA格式生成的文件縮小了1/2，還具備阻止盜版的功能。

在科學技術不斷進步的過程中，計算機技術日益趨向于成熟化，計算機功能越來越強大，這就為以計算機硬件技術為核心的多媒體處理技術提供了堅實的發展基礎，音頻處理技術獲得了突飛猛進的發展。數字音頻的應用，使操作方法大大簡化，錄制和播放功能更具高效化、快捷性，極大的豐富了人們的娛樂活動，具有優越的性能，逐漸成為傳輸媒體的主流，應用范圍不斷擴大，具有非常廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]周玉芳，孫美華.漫談數字音頻格式及相互轉換[J].中國科技信息，2005（24）.

[2]彭陶.淺析數字音頻轉換的意義和應用[J].內江科技，2010（11）.

[3]翁哲.基于TMS320DM6446的音頻系統硬件設計的研究[J].黑龍江科技信息，2009（25）.

[4]馬艷風.數字音頻播控系統在廣播電臺中的應用[J].河南科技，2000（11）

[5]林曉丹.一種基于支持向量機的數字音頻認證方法[J].華僑大學學報（自然科學版），2011（02）.

[6]張愛云，盧興亞.淺談數字音頻文件格式及其轉換應用[J].電腦知識與技術，2009（26）.