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資料表示基礎:取樣聲音

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試卷 2 - ⇑ 資料表示基礎 ⇑

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因此,我們應該知道聲音波是連續的,而計算機只能儲存離散資料。模擬數字轉換器究竟是如何將連續的聲音波轉換為離散的數字資料的?為此,我們需要看看計算機如何對聲音進行取樣。

取樣率

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取樣率 - 每秒取樣的次數
赫茲 (Hz) - 國際單位制中頻率的單位,定義為週期現象每秒的迴圈次數

要建立聽起來接近真實的聲音的數字音樂,您需要檢視模擬聲波並嘗試用數字方式表示它們。這要求您嘗試將模擬(和連續)波複製為離散值。執行此操作的第一步是確定您應該多長時間對聲波進行取樣,如果取樣次數太少,則儲存在計算機上的樣本聽起來會與正在錄製的聲音相去甚遠。取樣次數太多,儲存的聲音會類似於正在錄製的聲音,但必須儲存每個樣本,這意味著您將獲得非常大的檔案大小。確定您要對模擬訊號進行取樣的頻率稱為取樣率。請檢視以下示例

原始聲音 高取樣率 高取樣率的一半 高取樣率的三分之一 高取樣率的四分之一
原始連續聲波 數字看起來像原始聲波 數字失去了銳利度 峰值丟失 與原始聲波差別很大!

為了建立儘可能接近真實聲音的數字聲音,您需要每秒儘可能多地進行取樣。在錄製 MP3 時,您通常會使用 32,000、44,100 和 48,000 Hz(每秒樣本)之間的取樣率。這意味著對於 44,100 的取樣率,聲波將每秒被取樣 44,100 次!錄製人聲需要較低的取樣率,大約 8,000 Hz。如果您透過電話與某人交談,聽起來可能完全可以接受,但嘗試透過電話線播放音樂,看看聽起來有多糟糕。

以 8kHz、22kHz 和 44kHz 取樣率記錄的相同聲音樣本的比較。注意每個樣本的資料點的間距。取樣率越高,我們需要儲存的資料點就越多

取樣解析度

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取樣解析度 - 分配給每個樣本的位數

如您在前面看到的,不同的聲音可以具有不同的音量。取樣解析度允許您為每個樣本設定可儲存的音量範圍。如果您具有較低的取樣解析度,則音量範圍將非常有限,如果您具有較高的取樣解析度,則檔案大小可能會變得無法接受。CD 的取樣解析度是每個樣本使用 16 位。

檔案大小

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位元率 - 儲存 1 秒聲音所需的位數

要計算出聲音樣本的大小,需要以下公式

File Size = Sample Rate * Sample Resolution * Length of sound

這與以下說法相同

File Size = Bit Rate * Length of sound

讓我們來看一個例子

示例:聲音檔案大小

如果您想在手機上錄製 30 秒的語音留言,您將使用以下內容

Sample Rate = 8,000 Hz
Sample Resolution = 16 bit
Length of Sound = 30 seconds

因此,總檔案大小將為

8,000 * 16 * 30 = 3 840 000 Bits = 480 000 Bytes
擴充套件:聲音編輯

如果您對聲音編輯感興趣,您可以使用名為 Audacity 的程式開始編輯自己的音樂。使用 Audacity,您可以建立具有不同取樣率和取樣解析度的自己的聲音樣本,收聽它們之間的差異並記錄不同的檔案大小。檢視以下以不同取樣率記錄的聲音檔案

練習:取樣聲音
為什麼聲音的數字表示形式可能難以成為完美的表示形式?

回答

聲音波是連續資料,而數字資料是離散資料,表示形式是原始資料的近似值


為什麼您可能會選擇將歌曲儲存在計算機上時使用較低的取樣率而不是較高的取樣率?

回答

取樣率越高,需要儲存的資料就越多,這意味著檔案大小越大。


什麼是取樣解析度?

回答

分配給每個樣本的位數,影響可以儲存在樣本中的音量範圍


計算歌曲位元率的公式是什麼?

回答

取樣率 * 取樣解析度


對於以下聲音樣本,計算其大小

Sample Rate = 16,000 Hz
Sample Resolution = 8 bit
Length of Sound = 10 seconds

回答

16,000 * 8 * 10 = 1 280 000 位


計算以下聲音檔案的取樣率

Sound File = 100,000 bits
Sample Resolution = 10 bit
Length of Sound = 5 seconds

回答

100,000 / (10 * 5) = 2,000 Hz

為什麼以以下設定錄製的一首歌

Sample Rate = 22,000 Hz
Sample Resolution = 16 bit
Length of Sound = 10 seconds

可能具有 7,040,000 位的檔案大小?

回答

該檔案可能以立體聲錄製,這意味著必須儲存兩倍的資料量


使用下面的網格,繪製以下樣本點的取樣點,每個樣本的取樣解析度為 3 位:000001100101100011100110111101

回答


對以下聲波進行取樣,並將其轉換為二進位制形式

回答

101 101 101 011 001 000 001 001 100 100
請注意,您必須對取樣解析度不允許所需細節級別的樣本進行近似


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