《声音文件的参数》参考资料
来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_6f0eeb330100px0r.html
声音信号的特性
语言和音乐信号都是不规则的随机信号，由基频信号和各种谐波（泛音）成分组成。要“原汁原味”的重放这些随机的音频信号，扩声音响系统必须具有符合语言和音乐的平均特性。其中最重要的三个特性是平均频谱特性（频率响应特性）、平均声压级和声音的动态范围。
2.1.1 人声信号
人声是一种典型的随机过程，它与人的生理特点、情绪和语言内容等因素有关。
（1）语言 基音的频率范围为130~350Hz，包括全部泛音（谐波）的频率范围为130~4000Hz。
（2）演唱 声的频率范围比较宽，可分为男低音、男中音、男高音、女中音和女高音等5个声部。他们的基音范围从80~1100Hz，包括全部泛音（谐波）的频率范围可达80~8000Hz。5个声部的基音频率范围分别为：82~294Hz；110~392Hz；147~523Hz；196~698Hz；262~1047Hz。
（3）声压级正常谈话时语言的声功率为1μW，大声讲话时可增加到1Mw.正常讲话时与讲话人相距1m时的平均声压级为65~69dB。
（4）动态范围语言的动态范围（最大声压级与最小声压级之差值）为30~40dB.
2.1.2 音乐信号
音乐信号的频谱范围更宽。它与乐器的类型有关。在乐器中管风琴具有最宽的基音范围，从16~9000Hz。其次是钢琴，它的基音频率范围为27.5~4136Hz。民族乐器的基音范围为100~2000Hz。打击乐器能产生更高频率的基音。所有的乐器都包含有丰富的高次谐波（泛音）。因此音乐的频谱范围可扩展到15000~20000Hz。
单个乐器的声功率在0.01~100mW的范围内。大型交响乐队的声功率可达到10W以上。15~18件乐器的乐队演出时，离声源10m处的平均声压级约为95dB.75件乐器的乐队演出时其平均声压级约为105dB.
乐器的信号动态范围与乐器的种类有关，木管乐器约为50 dB。一般乐队的动态范围为40~0dB.大型交响乐队的动态范围可达到100dB.
高质量的音响系统（音乐重放）的频率响应（频率特性）范围应不小于40~16000Hz。信号动态范围应不小于50~55dB。
描述一个音乐信号的特征还有另外一些量，例如颤音特性、持续时间以及声音的建立和衰减时间等，这些量反映了音乐的瞬态特性。
语言和音乐的一些重要特性列于表2-1。
人声和音乐信号还有一个重要特性，就是最大声压级（持续时间较短的瞬态信号）与长时间内的平均声压级之差称为声音信号的峰值因子，它是声音信号动态范围的组成之一，如图2-3所示。由图看出，不同节目信号的峰值因子是不同的，为保证声音重放时不失真，系统的动态范围设计必须满足节目要求。
测量表明，语言信号的能量集中在130~4000的中低音和中高音范围内。音乐信号的能量分布范围很宽，从30~16000hz随着频率的升高而减小，低音（包括80HZ以下的超低音）能量最大；中音的强度稍低，高音强度则迅速下降。因此扬声器箱中的低音、中音和高音扬声器单元的功率配置必须与之相适应。当分频频率为570HZ时，低音和中高音的功率比为1.42（即低音+中低音的功率占58.7%）；分频频率为900hz时的功率比为1.78（即低音+中低音的功率占64%）；分频频率为1430hz时的功率比等于2.45（即低音+中音的功率占72%）。
基本信息
章节
第三章 计算机中的声音世界 第一节 学习指引
课题
声音文件的参数
教学目标
1.知识与技能
掌握声音采样的三个基本参数，能根据采样参数计算声音文件的容量大小
2.过程与方法
1.从音量的动态范围与人耳听觉频率范围，理解录音采样参数
2.从小数据推导出数据存储容量公式
3.情感态度价值观
1.从录音的参数设置，理解人们行为的合理性
2.从中国古代乐理到中医五音，感受中国文明的博大精深
重点和难点
重点
理解采样的作用，掌握声音的采样参数
难点
理解采样参数的设置原理
授课策略
学情分析
声音采样是“计算机中的声音世界”中第一节学习指引中的内容，是声音数字化的基本过程。学生刚刚学习了基本的录音软件，知道了录音的基本方法，但还并不清楚“数字录音”的基本原理及录音时的参数设置，作为高中生应该学会多问一个“为什么”。
设计思路
根据授课环境，本课采用讲授与讨论相结合的方式
用模拟信号与数字处理之间的矛盾，引入PCM
用小数据存储来推理并理解声音文件的存储容量公式
用中医理论来调节课堂节奏和气氛
用人类生理的听觉特征来理解采样参数的设置
用练习（常规）巩固本课的知识
用解决“实际问题”来激发学生的创新能力
用拓展（细节）来激发学生的求知欲
授课方式
讲授与讨论
授课时长
40分钟
教学过程
课程环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课引导
1分钟
从物理学中我们知道，声音是由振动产生的，当声音转换为电流时，就可以用随时间振动的波形来表示，传统上，声音以模拟方式储存在录音磁带和唱片上。
我们在上节课用“录音机”录制了声音，现在我有一个疑问需要与大家讨论一下： CPU是计算机的“大脑”，它能处理的信息是由“0”、“1”组成的“二进制”数据，而声波是模拟信号，计算机该如何处理呢？
学生听讲并回忆
学生回答：声卡
由模拟信息与数字处理设备的冲突引入课题
声卡的基本功能
1分钟
1. 因此声卡应该具备的最基本功能有：
（1）输入和输出
（2）模数转换器
（3）数模转换器
（4）音效处理器
2.这是一张录音时的屏幕截图，其中有哪类参数？
3. 基本采样方式PCM（pulse code modulation）
(1)采样频率
(2)量化位数
(3)声道
采样率、声道、采样精度
引入本课主要知识点：PCM的三个基本参数
了解采样频率的概念
2分钟
1.曲线（声波）通过什么方式可以与数字联系起来？
（在声波下呈现方格）
2.采样：是将信号从连续时间域上的模拟信号转换到离散时间域上的离散信号的过程。
在曲线上取了12点
3.采样频率：每秒钟采样的次数
上例中，如果用了1秒钟，则采样频率是……？
学生回答：坐标
学生回答：12Hz
了解并理解采样频率
简单计算，巩固采样频率的概念
了解量化位数
2分钟
1.纵坐标是量化位数，对于这个声波文件，需要多大的量化位数：
2.量化过程会出现误差（以第2个点为例），制定某种规则，保存这些点的二进制幅度值（编码）。
3.动态范围
声音的最大声压级和最小声压级的差值，单位是“分贝”。
它还可以表示录音设备和载体处理信号电压的范围
学生思考：纵坐标的最大值为9，共有10个数（动态范围为10）由于2^4=16，因此，量化位数用4位就可以了
理解并认可“规则”
了解量化位数与纵坐标的关系，知道如何确定量化位数。
模拟信号数字化
与量化位数相关的重要概念
小容量计算
2分钟
1.保存这些数据，需要多大的空间（容量）？
指导学生的学习过程
容量=位数╳采样个数/8
2.如果再增加一个点，需要多少个字节的容量？
（字节是最小容量单位）
每个点需要4位，共12个点，则总位数为48位，一个字节是8位，所以需要6个字节。
7位
为容量计算公式做准备
复习一下最小容量单位
声道数
1分钟
声道（channel）是指一个记录能产生的波形。单声道是记录了一个声波信号，显然，双声道是指记录了两个声道的信号。
1.你知道的声道数最大是多少？
2.增加声道数后的声音文件存储容量有什么变化？
学生回答
可能：双声道（立体声）、4.1、5.1、7.1等
容量再乘以声道数
声道数学生很容易理解，要引导学生合理选择或使用音频器材（理性消费）
加深一下容量公式的计算
中医五音
2分钟
1.形成数字声波，引发失真讨论。
2.为什么不喜欢失真的音乐？
（在黑板上写一个繁体字：樂，然后再写一个“藥”）
3.中医里提到的“五音”(角、徵、宫、商、羽)和身体脏腑(心、肝、脾、肺、肾)是关联的，例如“宫”调入脾，对消化系统作用明显，电影中在皇庭寿宴时就会奏宫（调）乐。
中华文明，博大精深。计算机处理后的音乐如果不能还原美妙的音乐，就会让我们听起来很难受，是“药”三分毒啊。
直观数字声波与原始声波的差异
听与认同
1.体会中华文明的博大精深
2.调节学习节奏与气氛
这里可以播放一段“宫”调音乐
学生探究录音参数的合理性
10分钟
1.如何减少录音的失真度呢？
2.很明显，由前面的容量计算公式可以知道，这样做会增加声音文件的存储容量，如何平衡量化位数、采样频率与存储容量之间的关系呢？
参考素材：
1.常用采样参数
2.人类听力动态范围
3.常见动物发声和听觉频率
4.奈奎斯特（Nyquist）定律：
当采样频率不小于样本信号最高频率的2倍时，就可以不失真地重构原始信号。
5.辅助读物《声音信号的特性》
学生回答：增加量化位数和提高采样频率
学生分组交流讨论
观察常用的参数
了解听力的动态范围
了解人类听觉常识
应用
细读
引入
抛出问题
引导学生的主动学习过程，让学生知道合理确定量化位数是有根据的，从而触动学生对人们行为合理性的思考
教师在这个活动中要注意观察学生的学习过程，正确指导学生的学习
这个定律是确定采样频率的依据
《声音信号的特性》中有关于人声及常见乐器的动态范围表，用于帮助学生对量化位数的确定
如何合理确定量化位数反馈
5分钟
1. 增加采样位数后，对声音文件的存储容量和量化误差有什么影响？
2. 如何确定合理的量化位数
3. 请问：8位和16位各有多少个值？动态范围是多少？
参考：
4. 你们的结论是什么？
(5.用16位采样比8位采样的声音更响一些吗？)
存储容量增加，量化误差减少
从《人的听觉动态范围》和《声音信号的特性》可以看出，动态范围在100分贝左右即可满足录音的大部分需求。
2︿8=256
2︿16=65536
48分贝
96分贝
采用8位和16位的量化位数是比较合理的。
不是，量化位数决定声音的采样精度（动态范围），与音量无直接关系
人声约50分贝，大型交响乐可能会超过100分贝
验证8位和16位的合理性
产生结论
以免产生量化位数越大声音越响的误区
如何合理确定采样频率的反馈
5分钟
1. 从这张 “常见动物发声和听觉的频率范围”图可以看出：
人的听觉范围为多少？
2. 根据奈奎斯特（Nyquist）定律，采样频率不小于2倍样本的最高频率，因此，采样频率应该定为多少？
3. 老师补充：由于低通滤波器具有频率下滑效应，所以取样频率应该再高出大约百分之十才行。现在，采样频率就达到了44kHz。
4. 常见的采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
(5.你认为CD唱盘的采样频率应该为多少比较合适？)
2
0Hz~20KHz
40KHz
听与理解
44.1KHz
引导性问题，也是关键问题
Harry Nyquist是美国物理学家，采样研究专家（可以拓展学生的知识面）
了解常识
22.05KHz常用于调频广播
存储容量与练习
2分钟
根据前面的讨论：请总结声音文件数据量的计算公式，并根据标准CD的采样频率（44.1KHz），量化位数（16bit）和声道数（双声道），计算一分钟的声音数据量是多少？一张CD（约600MB）能存储多少分钟的声音？
对照上面的公式：
容量=位数╳采样个数/8
总结并回答：
数据率=（采样频率*量化位数*声道数）（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8（单位：字节）
10584KB
60分钟
让学生自我归纳，加深理解，比死记公式要好的多。
bps
kbps
1MB=1024KB
思考讨论
5分钟
张老师有一个512MB容量的数码录音笔，明天要去参加一个会议，需要将会议的讲话内容录下来，时间共约7小时，他能做到吗？为什么？
学生讨论交流
1.尝试修改PCM参数，制定录音方案
2.讨论方案对音质的影响
3.充分考虑到语音录音的特点（人声最高频率约为1.1KHz，非泛音）
利用采样频率、量化位数、声道等参数的合理选择，推理事件的过程与结果，培养学生的创新能力
小结
1分钟
1.音频数字化，最常见的方式是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)，它有三个重要参数是：采样频率、量化位数和声道数。
2.常用量化位数：
8位和16位
3.常用采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
4.计算公式
数据率=（采样频率*量化位数*声道数）（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8
根据老师的小结，认真听讲，巩固知识
指明本课的知识点，提炼重点内容
拓展
1分钟
为什么采样频率是44.1KHz，而不是44KHz？
#世界上TV制式有NTSC－PAL－SECAM三种，它们的帧频分别为30Hz、25Hz、25Hz，为了与电视信号调制在一起，采样频率应该是它们的整倍数，因此，采样频率就定为了44.1kHz。
课后作业
进一步激发学生的求知欲望
课后反思
声音文件的参数 教学设计
1教学目标
1.知识与技能：
掌握声音采样的三个基本参数，能根据采样参数计算声音文件的容量大小
2.过程与方法：
1）从音量的动态范围与人耳听觉频率范围，理解录音采样参数
2）从小数据推导出数据存储容量公式
3.情感态度与价值观：
1）从录音的参数设置，理解人们行为的合理性
2）从中国古代乐理到中医五音，感受中国文明的博大精深
2学情分析
学情分析：
声音采样是“计算机中的声音世界”中第一节学习指引中的内容，是声音数字化的基本过程。学生刚刚学习了基本的录音软件，知道了录音的基本方法，但还并不清楚“数字录音”的基本原理及录音时的参数设置，作为高中生应该学会多问一个“为什么”。
设计思路：
1.根据授课环境，本课采用讲授与讨论相结合的方式 2.用模拟信号与数字处理之间的矛盾，引入PCM 3.用小数据存储来推理并理解声音文件的存储容量公式 4.用中医理论来调节课堂节奏和气氛 5.用人类生理的听觉特征来理解采样参数的设置 6.用练习（常规）巩固本课的知识 7.用解决“实际问题”来激发学生的创新能力
8.用拓展（细节）来激发学生的求知欲
3重点难点
重点：理解采样的作用，掌握声音的采样参数
难点：理解采样参数的设置原因
4教学过程
活动1【导入】新课导入1分钟
从物理学中我们知道，声音是由振动产生的，当声音转换为电流时，就可以用随时间振动的波形来表示，传统上，声音以模拟方式储存在录音磁带和唱片上。 我们在上节课用“录音机”录制了声音，现在我有一个疑问需要与大家讨论一下： CPU是计算机的“大脑”，它能处理的信息是由“0”、“1”组成的“二进制”数据，而声波是模拟信号，计算机该如何处理呢？
活动2【活动】声卡的基本功能1分钟
1. 因此声卡应该具备的最基本功能有：
（1）输入和输出
（2）模数转换器
（3）数模转换器
（4）音效处理器
2.这是一张录音时的屏幕截图，其中有哪类参数？3. 基本采样方式PCM（pulse code modulation）
(1)采样频率
(2)量化位数
(3)声道
活动3【讲授】了解采样频率的概念2分钟
1.曲线（声波）通过什么方式可以与数字联系起来？
（在声波下呈现方格）
2.采样：是将信号从连续时间域上的模拟信号转换到离散时间域上的离散信号的过程。
在曲线上取了12点
3.采样频率：每秒钟采样的次数
上例中，如果用了1秒钟，则采样频率是……？
活动4【讲授】了解量化位数2分钟
1.纵坐标是量化位数，对于这个声波文件，需要多大的量化位数：2.量化过程会出现误差（以第2个点为例），制定某种规则，保存这些点的二进制幅度值（编码）。
3.动态范围
声音的最大声压级和最小声压级的差值，单位是“分贝”。
它还可以表示录音设备和载体处理信号电压的范围
活动5【练习】小容量计算2分钟
1.保存这些数据，需要多大的空间（容量）？
指导学生的学习过程
容量=位数╳采样个数/8
2.如果再增加一个点，需要多少个字节的容量？
（字节是最小容量单位）
活动6【讲授】声道数1分钟
声道（channel）是指一个记录能产生的波形。单声道是记录了一个声波信号，显然，双声道是指记录了两个声道的信号。
1.你知道的声道数最大是多少？
2.增加声道数后的声音文件存储容量有什么变化？
活动7【活动】中医五音2分钟
1.形成数字声波，引发失真讨论。
2.为什么不喜欢失真的音乐？
（在黑板上写一个繁体字：樂，然后再写一个“藥”）
3.中医里提到的“五音”(角、徵、宫、商、羽)和身体脏腑(心、肝、脾、肺、肾)是关联的，例如“宫”调入脾，对消化系统作用明显，电影中在皇庭寿宴时就会奏宫（调）乐。
中华文明，博大精深。计算机处理后的音乐如果不能还原美妙的音乐，就会让我们听起来很难受，是“药”三分毒啊。
活动8【活动】学生探究录音参数的合理性10分钟
1.如何减少录音的失真度呢？
2.很明显，由前面的容量计算公式可以知道，这样做会增加声音文件的存储容量，如何平衡量化位数、采样频率与存储容量之间的关系呢？
参考素材：
1.常用采样参数
2.人类听力动态范围
3.常见动物发声和听觉频率
4.奈奎斯特（Nyquist）定律：
当采样频率不小于样本信号最高频率的2倍时，就可以不失真地重构原始信号。
5.辅助读物《声音信号的特性》
活动9【活动】如何合理确定量化位数反馈5分钟
1. 增加采样位数后，对声音文件的存储容量和量化误差有什么影响？
2. 如何确定合理的量化位数3. 请问：8位和16位各有多少个值？动态范围是多少？
参考：
4. 你们的结论是什么？(5.用16位采样比8位采样的声音更响一些吗？)
活动10【活动】如何合理确定采样频率的反馈5分钟
1. 从这张 “常见动物发声和听觉的频率范围”图可以看出：
人的听觉范围为多少？
2. 根据奈奎斯特（Nyquist）定律，采样频率不小于2倍样本的最高频率，因此，采样频率应该定为多少？
3. 老师补充：由于低通滤波器具有频率下滑效应，所以取样频率应该再高出大约百分之十才行。现在，采样频率就达到了44kHz。
4. 常见的采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
(5.你认为CD唱盘的采样频率应该为多少比较合适？)活动11【测试】存储容量2分钟
根据前面的讨论：请总结声音文件数据量的计算公式，并根据标准CD的采样频率（44.1KHz），量化位数（16bit）和声道数（双声道），计算一分钟的声音数据量是多少？一张CD（约600MB）能存储多少分钟的声音？
活动12【活动】思考讨论5分钟
张老师有一个512MB容量的数码录音笔，明天要去参加一个会议，需要将会议的讲话内容录下来，时间共约7小时，他能做到吗？为什么？
活动13【活动】小结1分钟
1.音频数字化，最常见的方式是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)，它有三个重要参数是：采样频率、量化位数和声道数。
2.常用量化位数：
8位和16位
3.常用采样频率：
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
4.计算公式
数据率=（采样频率*量化位数*声道数）（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8活动14【作业】拓展1分钟
为什么采样频率是44.1KHz，而不是44KHz？
#世界上TV制式有NTSC－PAL－SECAM三种，它们的帧频分别为30Hz、25Hz、25Hz，为了与电视信号调制在一起，采样频率应该是它们的整倍数，因此，采样频率就定为了44.1kHz。
课件30张PPT。声音文件的参数上海科技教育出版社高中《多媒体技术应用》第3章 计算机中的声音世界声音录制与播放的设备设备之间的信号传输问题模拟信号处理数字信息声卡声卡的基本功能DAC
数/模转换器ADC
模/数转换器DSP
数字信号
处理器声卡声卡的基本功能脉冲编码调制(PCM)常见录音参数声音采样的基本思路采样t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0采样频率：
每秒钟的采样次数振幅时间确定量化位数t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0量化空间的最大值是9，共有10个值
由于
2^4=16
可以表示[0~15]共16个值
因此，用4bit就可以了1001
1000
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000量化位数9
8
7
6
5
4
3
2
1
0量化误差量化误差t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 1001
1000
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000数字声波（DAC）1001
1000
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 音频文件的存储空间容量1001
1000
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 音频文件的存储空间容量每个数据有4位共有12个采样点因此，存储空间需要
4*12=48（位）
一个字节有8位，则
存储容量=48/8
=6（字节）存储容量=位数*采样点个数/8 (字节)声道声道（channel）是指一个记录能产生的波形采样与失真原始声波数字化声波减少失真增加量化位数提高采样频率采样量化位数、采样频率与存储容量的矛盾失真大存储容量大常用量化位数和采样频率探究：量化位数与采样频率确定的合理性奈奎斯特定律《声音信号的特性》人耳听力动态范围与量化位数分贝频率48dB96dB计算器语言：15~20dB
演唱：30~40dB
乐器：30~50dB
大型交响乐：100dB听觉范围与采样频率20~20KHzfs≥2fmax采样频率fs
被采样声音的最高频率fmax奈奎斯特定律采样参数与存储容量问题：一张CD（约600MB）能存储多少分钟的声音？根据标准CD的采样频率（44.1KHz），量化位数（16bit）和声道数（双声道），计算一分钟的声音数据量是多少？10584KB
60分钟数据流=量化位数*采样频率*声道数（单位：位/秒）
存储容量=数据流*时间/8 （单位：字节）思考讨论张老师有一个512MB容量的数码录音笔，明天要去参加一个会议，需要将会议的讲话内容录下来，时间共约7小时，他能做到吗？为什么？思考讨论张老师有一个512MB容量的数码录音笔，明天要去参加一个会议，需要将会议的讲话内容录下来，时间共约7小时，他能做到吗？为什么？小结1.音频数字化
最常见的方式是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)
三个重要参数是：采样频率、量化位数和声道数
2.常用量化位数
8位和16位
3.常用采样频率
11.025KHz（语音效果）
22.05KHz（音乐效果）
44.1KHz（高保真效果）
4.计算公式
数据率=量化位数*采样频率*声道数（单位：位/秒）
存储量=数据率*时间/8（单位：字节）
拓展采样频率: 44.1KHz为什么？谢谢
