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什么是音频#xff1f;振动与感知
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什么是音频振动与感知
音频在其最核心的层面即是我们通常所说的声音。它起源于物体的振动。这些振动扰动了其周围的介质例如空气或水在介质中产生了微小的压力变化这些压力变化以波的形式传播开来。当这些压力波到达我们的耳朵时耳内的复杂机制会探测到这些变化并将其转换成神经信号我们的大脑随后将这些信号解读为声音。正如一段简练的描述所言“普遍物体的振动形成声波即声音”。
这种对音频物理基础的理解至关重要因为它揭示了音频并非一个抽象概念而是一种可触可感的物理现象。所有我们听到的声音本质上都是空气或其他介质的压力变化以不同的速率撞击我们的耳朵。这一基本原理构成了所有音频技术的基础。无论是麦克风的设计旨在捕捉这些压力变化还是扬声器的构造旨在重现这些变化乃至各种音频存储方法如模拟唱片的凹槽、磁带上的磁性图案或数字文件中的采样数据都是对这一物理现实进行操控或再现的尝试。因此音频技术的整个领域从根本上说是建立在对这种物理过程的理解和互动之上的。它不仅仅关乎抽象的信号处理更是对真实世界物理事件的精确表达与重塑。这意味着在捕捉或再现这些物理事件过程中的任何局限性例如麦克风的灵敏度不足或扬声器的频率响应范围有限都会直接影响最终感知到的音频质量。
声音的物理特性 声波传播的能量
声音以声波的形式传播这是一种能量的传播方式。声波属于纵向波意味着介质中的粒子如空气分子的振动方向与波的传播方向平行。声波由一系列的压缩区高压区和稀疏区低压区组成交替向前推进。理解声音是作为波传播的能量有助于解释波长、声速等概念以及声音如何与环境相互作用如反射、吸收。
核心要素
声音的特性可以通过几个核心物理要素来描述它们共同决定了我们听到的声音的特性。
频率 (Frequency) 与 音调 (Pitch)
频率是指声压波每秒钟重复振动的次数其单位是赫兹 (Hz)。我们感知到的频率即为音调的高低频率越高音调越高反之频率越低音调则越低沉。例如鼓声的频率远低于哨声。更具体地说“声波的频率越高音调越高我们听起来的声音就越高音”。频率是描述声音的一个基本参数直接影响我们对音乐和环境声音的感知并且是音频处理如均衡器调整中的一个关键参数。
振幅 (Amplitude) 与 响度 (Loudness)
振幅是指声波的相对强度或波动幅度我们将其感知为声音的响度或音量。振幅通常用分贝 (dB) 来衡量。声波的振幅越大我们感知到的声音就越大。例如用力拨动吉他弦会使其振动幅度更大从而产生更大的振幅和更响亮的声音。值得注意的是分贝是一个对数标度这意味着响度的感知变化与声能的绝对变化不成线性关系。振幅决定了声音的感知强度这对于从日常交流到音乐动态表现乃至听力保护都至关重要。
波长 (Wavelength) 与 声速 (Velocity)
波长是指一个完整的波形例如从一个压缩区中心到下一个压缩区中心所传播的距离。声速则是声波在特定介质中每秒传播的距离它会因介质的种类和状态如温度、密度而变化。这三个物理量之间存在固定的关系声速等于频率乘以波长。波长在声学中非常重要它影响声音如何与物体和空间相互作用例如长波长的低频声音更容易绕过障碍物。
相位 (Phase)
相位描述了一个声波相对于另一个声波在时间上的起始位置或同步状态。这是一个非常关键的概念因为当多个声波相遇时它们的相位关系会决定它们是相互增强同相叠加还是相互抵消反相叠加。例如如果两个麦克风从不同距离拾取同一个声源它们接收到的信号可能会因相位差异而导致某些频率成分的抵消从而改变最终录制的声音效果。在多麦克风录音、扬声器摆位以及某些音频效果如移相器的应用中对相位的理解和控制至关重要。
这些声波的物理特性——频率、振幅、波长和相位——并非孤立存在而是内在关联并共同定义了一个声音事件。更重要的是每一个物理特性都有其直接且通常直观的感知对应物频率对应音调振幅对应响度。在更复杂的场景中例如我们感知声音的空间位置很大程度上依赖于声音到达双耳时的微小相位差异。同样当不同相位的声波叠加时它们会发生相长干涉声音变大或相消干涉声音变小甚至消失。因此对“音频”的完整理解不仅需要掌握单个属性还需要理解它们如何物理地相互作用以及这些互动如何塑造我们的听觉感知。
虽然频率主要决定音调振幅主要决定响度但声音独特的“质感”或“色彩”即音色Timbre则源于基频及其一系列泛音谐波的复杂组合包括这些泛音的相对振幅和相位关系。这就是为什么钢琴和小提琴以相同的音高和响度演奏同一个音符时我们依然能够轻易区分它们。一个单一频率的声音被称为纯音例如音叉发出的声音。然而现实世界中的大多数声音尤其是乐器的声音都是由一个基准频率决定了音符的音高和一系列频率更高、振幅各异的泛音叠加而成的复杂波形。正是这些泛音的特定组合及其相对强度和相位构成了特定乐器或人声独特的波形结构从而产生了其特有的音色。因此音色并非单一的物理属性而是整体波形结构由多种频率、振幅和相位关系构成所产生的感知结果。这也解释了为何音色常被认为由声源的材料和结构决定因为这些物理特性直接影响了物体可能的振动模式进而决定了其泛音的构成。
人耳的聆听我们如何感知声音
听觉范围赫兹与分贝
人类的听觉系统对声音的感知有一定的范围限制。在频率方面听力正常的人通常可以听到大约 20 Hz 到 20,000 Hz (即 20 kHz) 范围内的声音。低于 20 Hz 的声音被称为次声波 (Infrasound)而高于 20,000 Hz 的声音则被称为超声波 (Ultrasound)。有趣的是婴儿的听觉上限可以略高于 20 kHz但这种能力通常会随着年龄的增长而下降。
在响度方面人类听觉的动态范围通常从 0 dB可听阈即人耳能察觉到的最微弱声音的水平开始一直延伸到大约 120-130 dB痛阈超过此水平的声音会引起不适甚至疼痛。了解这些听觉极限对于音频工程例如设计能够再现可听频率范围的设备、心理声学例如为音频压缩建立听觉模型以及听力保护都至关重要。
响度感知与声音安全
分贝标度是一个对数标度这意味着声强增加十倍感知到的响度大约增加一倍约增加 10 dB。一般而言持续暴露在 70 dB 或以下的声音环境中被认为是安全的。然而长时间暴露在 85 dB 以上的声音中则可能导致听力损伤。例如美国环境保护署 (EPA) 和世界卫生组织 (WHO) 均建议为避免听力受损应将 24 小时内的平均噪音暴露量控制在 70 dBA 以下而 85 dBA 则被认为是职业噪音暴露 8 小时的上限阈值。每当声音强度增加 3 dB其能量就增加一倍相应的安全暴露时间则减半。这些知识对于公共卫生、职业安全以及培养健康的个人聆听习惯以预防噪音性听力损失至关重要。
尽管音频技术力求实现标准化的测量和再现例如统一的频率响应曲线、分贝等级但人类的实际听觉感知却具有主观性并且因年龄、健康状况和个体差异而显著不同。例如“正常”的人类听觉频率范围是 20 Hz 到 20 kHz但这个上限会随着年龄增长而降低也会受到噪音暴露的影响。听力测试通常关注 250 Hz 到 8000 Hz 的频率范围因为这个范围对理解语音至关重要。音频设备通常被设计为覆盖 20 Hz 到 20 kHz 的范围音频内容也基于这些通用能力进行混音和母带处理。然而一位年长者可能无法感知到年轻人或音频工程师刻意营造的 14 kHz 以上的高频“空气感”。这揭示了音频的客观技术规格与其主观接收之间可能存在的差异并强调了听力保护的重要性以维持感知预期音频的能力。
采用对数标度的分贝 (dB) 来衡量声音强度并非偶然它深刻反映了人类感官包括听觉感知刺激强度的方式。我们对响度变化的感知更接近对数关系而非线性关系。这意味着在高声压级时需要声功率有更大的变化才能产生与低声压级时相同的感知响度增量。例如从 10 dB 增加到 20 dB 所感知到的响度变化远比从 100 dB 增加到 110 dB 所感知到的变化更为显著尽管后者的绝对声功率增量要大得多。这种特性与心理物理学中的韦伯-费希纳定律或史蒂文斯幂定律所描述的人类感官特性相符。因此分贝标度是一种实用且与感知高度相关的量化声音级别的方法它使测量系统与我们的实际响度体验相一致这对于音频工程师进行有意义的音量和动态调整至关重要。
音频的记录与再现从模拟到数字
声音的捕获和重放技术经历了从模拟到数字的重大变革每种方式都有其独特的原理和特点。
模拟音频连续的信号
模拟录音技术将声音作为连续变化的波形记录在物理介质上。这些信号被直接存储在介质之中或其表面例如黑胶唱片上刻录的物理凹槽或是磁带上磁场强度的波动。因此模拟信号是声波的一种连续、平滑的物理表征。
模拟磁带录音在第二次世界大战后随着德国磁带录音机 (Magnetophon) 的出现而兴起并迅速成为主流。它相较于当时的醋酸盐盘录音提供了更长的录音时间超过30分钟和前所未有的编辑能力首次使得音频可以被后期处理和操控。吉他手莱斯·保罗 (Les Paul) 在此基础上进一步推动了多轨录音技术的发展使得录音从最初的双轨逐步发展到 24 轨甚至更多并在 20 世纪 70 年代和 80 年代成为专业录音棚的标准配置。模拟录音过程通常涉及磁头将音频电信号转换为变化的磁场从而磁化涂覆在聚酯薄膜带基上的氧化铁颗粒以此“捕获”声音信号。模拟音频因其特有的“温暖感”而受到一些人的喜爱但这通常与其固有的非线性和失真特性有关同时也易受物理磨损和环境因素影响而发生信号衰减。
数字音频离散的表达
与模拟音频的连续性不同数字音频通过采样 (Sampling) 和量化 (Quantization) 这两个核心过程将连续的声音信号转换成离散的数值数据通常以二进制的0和1来表示。它不再是连续的波形而是代表原始音频波形在特定时间点上的一系列离散数值。这种从连续到离散的转变是数字音频的根本特征也是理解后续如采样率、位深度等关键概念的基础。
数模转换 (ADC) 与模数转换 (DAC)
在数字音频系统中模拟到数字转换器 (Analog-to-Digital Converter, ADC) 和数字到模拟转换器 (Digital-to-Analog Converter, DAC) 扮演着至关重要的角色。ADC 负责将来自麦克风或其他声源的连续模拟声波通过在规律的时间间隔内进行“采样”测量转换成离散的数字数据流。反之DAC 则执行相反的过程它将存储或处理后的数字音频数据转换回连续的模拟电信号这个信号随后可以被放大并驱动扬声器或耳机从而重放出声音。ADC 和 DAC 是连接真实世界的模拟声音与虚拟世界的数字处理和存储之间的关键桥梁它们的性能好坏直接影响最终音频的保真度。
关键概念 采样率 (Sampling Rate) 采样率是指在一秒钟内对模拟音频信号进行采样即测量的次数单位是赫兹 (Hz)。采样率越高意味着对原始声波的捕捉越频繁从而能够更精确地记录音频波形尤其是高频部分的信息。常见的采样率包括 44.1 kHzCD 音质标准、48 kHz常用于数字视频和专业音频制作以及 96 kHz 或更高用于高解析度音频。 根据奈奎斯特定理Nyquist Theorem为了无失真地再现某一特定频率的声音采样率必须至少是该频率的两倍。因此一个采样系统能够记录的最高音频频率称为奈奎斯特频率是其采样率的一半。例如44.1 kHz 的采样率能够记录最高约 22.05 kHz 的音频这恰好覆盖了人类的平均听觉上限。 如果在采样过程中输入信号中包含了高于奈奎斯特频率的成分这些高频成分会被错误地表现为原始信号中不存在的较低频率这种现象被称为混叠 (Aliasing)。混叠会产生听得见的失真听起来像是奇怪的、非音乐性的谐波。为防止混叠ADC 在采样前通常会使用抗混叠滤波器一种低通滤波器来滤除高于奈奎斯特频率的信号成分。采样率的选择直接决定了数字音频系统能够捕捉的最高频率而奈奎斯特定理是数字音频领域的一块基石。 位深度 (Bit Depth) 位深度是指用多少个二进制位 (bit) 来表示每一个音频样本的振幅值它决定了声音记录的精度或“分辨率”。位深度直接影响了数字音频的动态范围即最轻柔声音和最响亮声音之间的差距以及本底噪声即系统固有的背景噪声水平。每增加一个比特的位深度理论上动态范围大约增加 6 dB。例如16 位位深度可以表示 216即 65,536个不同的振幅级别其理论动态范围约为 96 dB。常见的位深度有 16 位CD 音质标准、24 位广泛用于专业音频录制和处理提供约 144 dB 的动态范围和 32 位浮点用于需要极高精度和极大动态范围的场合。更高的位深度意味着对每个样本振幅的描述更精确能够记录更细微的响度变化并拥有更低的噪声基底。 比特率 (Bit Rate) 比特率是指每秒钟处理或传输的数据量比特数通常以千比特每秒 (kbps) 或兆比特每秒 (Mbps) 为单位。对于未经压缩的数字音频如 PCM 编码的 WAV 文件比特率可以通过以下公式计算得出采样率 × 位深度 × 声道数。例如一个双声道、采样率为 44.1 kHz、位深度为 16 位的 CD 音质音频其比特率约为 1411.2 kbps。而对于经过压缩的音频格式尤其是有损压缩格式如 MP3比特率则表示压缩后的数据流速率是衡量其音质的一个重要指标比特率越高通常意味着保留的原始信息越多音质越好。比特率对于理解音频文件的大小以及在线流媒体的带宽需求至关重要。
关于模拟音频与数字音频孰优孰劣的争论由来已久但这个问题往往被过度简化。两者各有其理论上的优势和实际应用中的局限性。高质量的数字音频能够实现极其精确的声音再现而模拟音频则常因其“温暖”的特质受到赞誉这种“温暖感”部分源于其固有的非线性特性和一些听者认为悦耳的失真例如磁带饱和。数字音频提供了精确性、便捷的编辑能力以及播放时无信号衰减的优点。然而早期或质量欠佳的数字音频系统可能会引入可闻的失真如量化噪声或混叠效应。实际上“声音本身是模拟的。模拟和数字声音之间没有本质区别只有正确和不正确的声音之分。数字声音可以被正确地再现而模拟声音则带有录音介质的局限性”。最终的选择往往取决于工作流程的需求、期望的音色美学以及所用设备的具体质量而非某种格式固有的绝对优越性。现代数字技术甚至可以模拟出模拟设备的特性。
数字音频参数如采样率和位深度的选择并非随意的它们代表了在保真度与数据量之间依据人类感知极限所做出的权衡。例如CD 音质采用 44.1 kHz 的采样率和 16 位的位深度这是经过精心设计的工程折衷44.1 kHz 的采样率根据奈奎斯特定理足以捕捉高达约 22.05 kHz 的频率略高于人类的平均听觉上限约 20 kHz。16 位的位深度提供了约 96 dB 的理论动态范围这能够覆盖大多数音乐的动态起伏并且在许多聆听环境下其本底噪声也低于环境噪声。更高的参数如 96 kHz 采样率和 24 位位深度虽然在理论上能提供更高的保真度例如捕捉超声波频率进一步降低混叠失真提供更大的动态范围和更低的噪声基底但也带来了显著增加的数据存储和传输开销。对于普通听众在典型条件下这些更高参数所带来的感知益处可能并不明显但在专业录音和混音过程中它们能提供更大的处理裕度和更精细的细节捕捉能力。因此“CD 音质”是在其时代技术条件下为满足多数人听觉需求并兼顾数据管理可行性而取得的平衡点。而“高解析度音频”则进一步提升这些参数追求潜在的更高保真度但伴随着更高的数据成本。
音频格式存储与传输的艺术
数字音频在被存储或传输之前通常会被编码成特定的文件格式。这些格式可以大致分为三类无压缩格式、无损压缩格式和有损压缩格式。
无压缩格式 (如 WAV, AIFF)
无压缩音频格式直接存储原始的数字音频数据通常是脉冲编码调制 (Pulse Code Modulation, PCM) 数据不经过任何压缩处理。这使得它们能够提供最高的音频保真度完全保留了录制时的所有细节。然而代价是文件体积非常庞大。WAV (Waveform Audio File Format) 是在 Windows 平台上非常常见的无压缩格式而 AIFF (Audio Interchange File Format) 则多用于 macOS 系统。AIFF 格式采用分块结构能支持更丰富的元数据如音轨名称、版权信息等而 WAV 结构相对简单但兼容性更广。由于其高保真特性无压缩格式是专业音频制作流程中如录音、编辑、母带处理的首选以确保在最终压缩输出前保留最佳音质。
无损压缩格式 (如 FLAC, ALAC)
无损压缩格式通过特定的算法减小音频文件的体积但与有损压缩不同的是它们在压缩过程中不会丢弃任何原始的音频信息。这意味着解压缩后得到的音频数据与压缩前完全一致音质没有任何损失。FLAC (Free Lossless Audio Codec) 是一种开源的无损压缩格式因其高效的压缩率通常能将文件大小缩减至原始无压缩文件的一半左右同时保持音质不变和广泛的平台支持而备受欢迎。ALAC (Apple Lossless Audio Codec) 则是苹果公司开发的无损压缩格式主要用于其自家的生态系统如 iTunes、iOS 设备。尽管 FLAC 在压缩效率和跨平台兼容性上略优于 ALAC但两者在音质上是等同的。无损压缩格式为那些既关注音质又希望节省存储空间的音乐爱好者和档案管理者提供了一个理想的平衡点。
有损压缩格式 (如 MP3, AAC) 与心理声学
有损压缩格式通过永久性地移除一部分音频数据来显著减小文件体积。这种数据移除并非随机进行而是基于心理声学 (Psychoacoustics) 模型。心理声学研究人类听觉系统感知声音的方式和局限性例如频率掩蔽一个响亮的声音会使得其附近频率的较轻声音难以被察觉和时间掩蔽一个强音之后紧接着的弱音可能听不见等现象。有损压缩算法利用这些原理优先去除那些被认为人耳最不敏感或最不容易察觉的声音成分从而在尽可能保持可接受音质的前提下最大限度地压缩文件。
MP3 (MPEG-1 Audio Layer III) 是最早普及也是最为人熟知的有损压缩格式它彻底改变了音乐的存储和分发方式。AAC (Advanced Audio Coding) 是作为 MP3 的后继者而被设计的通常在相同的比特率下能提供比 MP3 更好的音质因此被苹果公司以及许多流媒体服务所采用。有损压缩格式因其极小的文件体积极大地推动了便携式音乐播放器和在线音乐流媒体的发展。
这三种主要的音频格式类型——无压缩、无损压缩和有损压缩——并非偶然形成而是代表了在音频保真度、存储/传输效率以及感知影响这三个关键因素之间进行工程妥协后产生的一系列解决方案。无压缩格式如 WAV、AIFF将绝对保真度置于首位完整保存所有原始数据但文件体积巨大。无损压缩格式如 FLAC、ALAC则试图在不损失任何音频信息的前提下减小文件体积实现了中等程度的压缩。而有损压缩格式如 MP3、AAC则以牺牲部分理论上人耳不敏感的数据为代价优先追求文件体积的显著减小这不可避免地会带来一定程度的音质损失尽管在较高比特率下这种损失可能难以察觉。MP3 的出现正是为了满足当时互联网带宽有限、便携设备存储空间小等技术瓶颈下的需求。专业音频制作依然依赖无压缩格式进行母带处理而音乐归档常采用无损格式流媒体服务则主要使用有损格式。这清晰地表明每种格式类型都是针对特定约束条件和目标的特定解决方案不存在适用于所有情况的“最佳”格式选择总是在这些因素间进行权衡。
音频格式的演变与存储技术、处理器能力和互联网带宽等使能技术的进步紧密相连。从模拟录音到数字化的无压缩 PCM如 CD再到为适应早期互联网和便携设备限制而生的有损压缩 MP3每一步都反映了当时的技术水平。随着存储成本大幅下降、处理器速度飞快提升以及互联网带宽日益充裕曾经迫使人们广泛采用高强度有损压缩的限制逐渐缓解。这使得对更高保真度格式的需求得以满足无损格式如 FLAC在发烧友中流行起来流媒体服务也开始提供更高质量的有损编码如 AAC乃至无损/高解析度音频选项。这一历程显示尽管心理声学为有损压缩提供了理论基础但其广泛应用的需求是由当时的技术局限性驱动的。当这些局限性减弱时人们对更高音质更少或没有“损失”的偏好便能得到更广泛的实现。
建议表格常见音频格式对比
为了更直观地比较这些常见的音频格式下表总结了它们的主要特性
特性 (Feature)WAVAIFFFLACALACMP3AAC压缩类型 (Compression Type)无压缩 (Uncompressed)无压缩 (Uncompressed)无损压缩 (Lossless)无损压缩 (Lossless)有损压缩 (Lossy)有损压缩 (Lossy)音质 (Sound Quality)极佳 (Excellent)极佳 (Excellent)极佳 (Excellent)极佳 (Excellent)好/尚可 (Good/Fair)较好/好 (Better/Good)文件大小 (File Size)非常大 (Very Large)非常大 (Very Large)中等/较大 (Medium/Large)中等/较大 (Medium/Large)小 (Small)小/较小 (Small/Smaller than MP3 at same quality)主要用途 (Primary Use)专业制作、母带 (Pro Production, Mastering)专业制作、母带 (Pro Production, Mastering) (Apple生态)音乐存档、高保真聆听 (Archiving, Hi-Fi Listening)音乐存档、高保真聆听 (Archiving, Hi-Fi Listening) (Apple生态)便携播放、流媒体 (Portable, Streaming)流媒体、Apple设备 (Streaming, Apple Devices)元数据支持 (Metadata)有限 (Limited)较好 (Better than WAV)良好 (Good)良好 (Good)良好 (ID3 tags)良好 (Good)兼容性 (Compatibility)广泛 (Windows)较好 (macOS)广泛 (Broad)Apple生态系统 (Apple Ecosystem)非常广泛 (Very Broad)广泛 (Broad, esp. Apple)
体验音频声道与沉浸感
我们体验音频的方式也随着技术的发展而不断演进从单一的声源感知到被声音完全包围的沉浸式体验。
单声道 (Mono) 与 立体声 (Stereo)
单声道 (Monophonic) 音频使用单一的音频通道进行录制和播放。无论有多少个扬声器所有声音听起来都像是从同一个点发出的。这在早期的录音和某些特定应用如电话通话、某些公共广播中很常见。
立体声 (Stereophonic) 音频则使用两个独立的音频通道左声道和右声道来录制和播放声音。通过这两个通道传送不同的声音信息并在两个扬声器或耳机的左右单元上播放可以营造出声音在听者面前形成一定宽度和空间分布的感觉听者可以大致辨别出不同声源的左右位置。因为人类拥有双耳立体声能够更好地模拟我们日常生活中感知声音的方式提供比单声道更自然、更具空间感的聆听体验因此已成为音乐聆听的主流标准。 环绕声 (Surround Sound) (如 5.1, 7.1 声道)
传统的环绕声系统如 5.1 声道和 7.1 声道通过在听者周围布置多个扬声器进一步扩展了声音的空间表现力。
5.1 声道 系统通常包含六个声道三个前置扬声器左前、中置、右前两个后置或侧置环绕扬声器左环绕、右环绕以及一个专门用于播放低频效果 (Low-Frequency Effects, LFE) 的超低音扬声器即“.1”声道。中置声道主要负责人声对白而环绕声道则用于营造环境氛围和表现来自侧面或后方的声音效果。 7.1 声道 系统在 5.1 的基础上增加了两个额外的环绕声道通常是侧环绕或后中置环绕从而能够提供更精确的声音定位和更平滑的声像移动进一步增强包围感。 环绕声技术极大地提升了电影、游戏等视听娱乐的沉浸感让听众感觉仿佛置身于场景之中。
空间音频与基于对象的音频简介 (如 Dolby Atmos, DTS:X)
空间音频 (Spatial Audio) 和基于对象的音频 (Object-Based Audio) 技术如杜比全景声 (Dolby Atmos) 和 DTS:X是沉浸式音频领域的最新进展它们超越了传统基于声道的环绕声概念。与预先将声音混合到固定数量的声道中不同基于对象的音频将每一个独立的声音元素如一个人的脚步声、一架飞机的轰鸣声视为一个“音频对象”。这些对象携带着自身的音频数据以及描述其在三维空间中精确位置和运动轨迹的元数据。在播放时支持这些格式的音频系统如接收器或条形音箱会实时解读这些元数据并根据实际可用的扬声器配置包括顶部扬声器以实现高度感来动态渲染这些音频对象从而在听者周围营造出一个包含高度信息的三维声场。
从单声道到立体声再到基于声道的环绕声直至今日基于对象的空间音频音频通道和播放方式的演进清晰地反映了人类对提升听觉感知真实感和沉浸感的不懈追求。单声道仅提供一个点声源这与我们拥有双耳、能够感知声音空间方位的生理特性相去甚远。立体声的出现是一个重大进步它通过两个声道在听者面前构建了一个具有宽度和一定定位感的声场更好地模拟了我们的双耳听觉。基于声道的环绕声如5.1、7.1则将声场扩展至听者周围的二维平面增加了前后和侧向的声音线索显著增强了尤其是在影院和家庭影院中的包围感。而基于对象的空间音频如杜比全景声、DTS:X则通过引入高度维度并将声音视为可在三维空间中任意定位和移动的独立“对象”将沉浸式体验推向了新的高度。这一系列发展其核心驱动力在于更有效地“欺骗”我们的大脑使其将录制的声音环境感知为真实的物理空间。每一步都增加了更多的空间信息从而带来了更具包围感和可信度的听觉体验最终目标是让听者完全融入所听内容之中。
基于对象的音频技术代表了一种从依赖特定扬声器布局到由内容定义空间体验的范式转变。传统的基于声道的音频如杜比数字、DTS其混音结果与特定的扬声器配置例如5.1声道的混音针对5.1系统紧密绑定。如果在扬声器数量较少的系统上播放需要进行“下混”如果扬声器数量更多则可能无法充分利用所有扬声器或需要进行“上混”。相比之下基于对象的音频格式如杜比全景声、DTS:X将声音定义为包含三维位置元数据的“对象”。播放系统会实时“解码”这些元数据“以使其空间定位适应所部署的特定扬声器阵列”。这意味着无论听众拥有的是一套完整的 7.1.4 杜比全景声系统还是一台支持该格式的普通条形音箱创作者的艺术意图例如直升机从头顶飞过都能得到保留和恰当的呈现。虽然不同配置下的精确度和沉浸感会有所不同但核心的空间信息得到了有效的转换。这标志着一个根本性的转变混音不再仅仅是一组扬声器信号而是对声场景的描述由播放系统根据自身能力进行解读和再现为内容创作者提供了更大的灵活性也为消费者带来了更具适应性的体验。
结论音频的旅程
音频的旅程是从最基本的物理振动开始通过人类巧妙的感知系统被赋予意义再经由不断发展的技术手段被捕捉、记录、处理、存储、传输和再现。我们已经探讨了声音作为压力波的物理特性如频率、振幅、波长和相位以及它们如何分别对应于我们感知到的音调、响度和音色。我们了解了人类听觉的范围和局限性以及响度感知与听力安全的重要性。
技术的发展引领我们从模拟时代迈入数字时代。模拟音频以连续信号的形式记录声音而数字音频则通过采样和量化将声音转换为离散的数字信息其核心参数——采样率和位深度——直接决定了数字音频的保真度。为了有效地存储和传输这些数字信息各种音频格式应运而生从无压缩的 WAV、AIFF到无损压缩的 FLAC、ALAC再到广泛应用的基于心理声学模型的有损压缩格式 MP3 和 AAC它们在音质、文件大小和应用场景之间做出了不同的权衡。
最终我们通过不同的声道配置来体验音频从简单的单声道、普遍的立体声到影院级的环绕声乃至当前最前沿的、能够营造三维沉浸式声场的空间音频技术如杜比全景声和 DTS:X。
音频在我们的生活中无处不在它不仅是沟通交流的基础也是艺术表达、娱乐体验和技术创新的重要载体。展望未来音频技术仍在不断演进。人工智能 (AI) 正在音频处理领域展现出巨大潜力例如用于智能降噪、自动均衡、音源分离、音频修复乃至音乐创作与生成。同时空间音频技术也在持续完善致力于为用户带来更加逼真和个性化的沉浸式听觉盛宴。
从最初对声音物理本质的探索到发展出能够精确复制和创造性地操控声音的复杂数字算法和沉浸式播放系统整个音频技术领域的发展历程是人类智慧在捕捉、处理和重塑一种基本感官体验方面不懈追求的生动证明。这种持续的创新源于人类利用和增强声音体验以服务于沟通、艺术和娱乐的内在驱动力彰显了音频技术作为人类重要创造领域的核心价值。 文章转载自： http://www.morning.pkpqh.cn.gov.cn.pkpqh.cn http://www.morning.hwhnx.cn.gov.cn.hwhnx.cn http://www.morning.ypcbm.cn.gov.cn.ypcbm.cn http://www.morning.rcwzf.cn.gov.cn.rcwzf.cn http://www.morning.ymjgx.cn.gov.cn.ymjgx.cn http://www.morning.lhztj.cn.gov.cn.lhztj.cn http://www.morning.tdhxp.cn.gov.cn.tdhxp.cn http://www.morning.wfcqr.cn.gov.cn.wfcqr.cn http://www.morning.gbrps.cn.gov.cn.gbrps.cn http://www.morning.ghxsn.cn.gov.cn.ghxsn.cn http://www.morning.gtkyr.cn.gov.cn.gtkyr.cn http://www.morning.nnpfz.cn.gov.cn.nnpfz.cn http://www.morning.glnmm.cn.gov.cn.glnmm.cn http://www.morning.fxpyt.cn.gov.cn.fxpyt.cn http://www.morning.flxqm.cn.gov.cn.flxqm.cn http://www.morning.dnhdp.cn.gov.cn.dnhdp.cn http://www.morning.lksgz.cn.gov.cn.lksgz.cn http://www.morning.hwcln.cn.gov.cn.hwcln.cn http://www.morning.wngpq.cn.gov.cn.wngpq.cn http://www.morning.cpzkq.cn.gov.cn.cpzkq.cn http://www.morning.lqynj.cn.gov.cn.lqynj.cn http://www.morning.nspzy.cn.gov.cn.nspzy.cn http://www.morning.lqffg.cn.gov.cn.lqffg.cn http://www.morning.qbgff.cn.gov.cn.qbgff.cn http://www.morning.cpktd.cn.gov.cn.cpktd.cn http://www.morning.trnhy.cn.gov.cn.trnhy.cn http://www.morning.hblkq.cn.gov.cn.hblkq.cn http://www.morning.zwpzy.cn.gov.cn.zwpzy.cn http://www.morning.sfwfk.cn.gov.cn.sfwfk.cn http://www.morning.psxfg.cn.gov.cn.psxfg.cn http://www.morning.kzbpx.cn.gov.cn.kzbpx.cn http://www.morning.kzyr.cn.gov.cn.kzyr.cn http://www.morning.sogou66.cn.gov.cn.sogou66.cn http://www.morning.lprfk.cn.gov.cn.lprfk.cn http://www.morning.wqcz.cn.gov.cn.wqcz.cn http://www.morning.ffbl.cn.gov.cn.ffbl.cn http://www.morning.jkwwm.cn.gov.cn.jkwwm.cn http://www.morning.ktxd.cn.gov.cn.ktxd.cn http://www.morning.nchsz.cn.gov.cn.nchsz.cn http://www.morning.wdprz.cn.gov.cn.wdprz.cn http://www.morning.qctsd.cn.gov.cn.qctsd.cn http://www.morning.lpmlx.cn.gov.cn.lpmlx.cn http://www.morning.fnwny.cn.gov.cn.fnwny.cn http://www.morning.lhzqn.cn.gov.cn.lhzqn.cn http://www.morning.gediba.com.gov.cn.gediba.com http://www.morning.jgnjl.cn.gov.cn.jgnjl.cn http://www.morning.bxyzr.cn.gov.cn.bxyzr.cn http://www.morning.mmhyx.cn.gov.cn.mmhyx.cn http://www.morning.rwyd.cn.gov.cn.rwyd.cn http://www.morning.nzxdz.cn.gov.cn.nzxdz.cn http://www.morning.lqjlg.cn.gov.cn.lqjlg.cn http://www.morning.nynpf.cn.gov.cn.nynpf.cn http://www.morning.azxey.cn.gov.cn.azxey.cn http://www.morning.cmhkt.cn.gov.cn.cmhkt.cn http://www.morning.crsqs.cn.gov.cn.crsqs.cn http://www.morning.npcxk.cn.gov.cn.npcxk.cn http://www.morning.ldcsw.cn.gov.cn.ldcsw.cn http://www.morning.rmdwp.cn.gov.cn.rmdwp.cn http://www.morning.nrlsg.cn.gov.cn.nrlsg.cn http://www.morning.kpwdt.cn.gov.cn.kpwdt.cn http://www.morning.znqfc.cn.gov.cn.znqfc.cn http://www.morning.wctqc.cn.gov.cn.wctqc.cn http://www.morning.dbylp.cn.gov.cn.dbylp.cn http://www.morning.rjjys.cn.gov.cn.rjjys.cn http://www.morning.pxtgf.cn.gov.cn.pxtgf.cn http://www.morning.yrxcn.cn.gov.cn.yrxcn.cn http://www.morning.qfgxk.cn.gov.cn.qfgxk.cn http://www.morning.qcztm.cn.gov.cn.qcztm.cn http://www.morning.plflq.cn.gov.cn.plflq.cn http://www.morning.lqljj.cn.gov.cn.lqljj.cn http://www.morning.zfyfy.cn.gov.cn.zfyfy.cn http://www.morning.mdpkf.cn.gov.cn.mdpkf.cn http://www.morning.gbkkt.cn.gov.cn.gbkkt.cn http://www.morning.rjbb.cn.gov.cn.rjbb.cn http://www.morning.mdtfh.cn.gov.cn.mdtfh.cn http://www.morning.dqxph.cn.gov.cn.dqxph.cn http://www.morning.wbxtx.cn.gov.cn.wbxtx.cn http://www.morning.lffrh.cn.gov.cn.lffrh.cn http://www.morning.xbhpm.cn.gov.cn.xbhpm.cn http://www.morning.kqqk.cn.gov.cn.kqqk.cn
