数字采样频率与自然声频率具有什么关系
数字采样频率与自然声频率具有什么关系
09-12-12 &匿名提问 发布
声卡知识介绍 声卡的意义　　　声卡的意义，在现在多媒体已经成为标准的时候，讨论这个问题似乎有些多余，但是还要提及声卡的意义：声卡让电脑具备了嘴巴和耳朵！电脑有了嘴巴可以歌唱、可以让大家欣赏到丰富多彩的电脑音乐。现在人们注意的还都是声卡'嘴巴'的功能，但忽略了声卡'耳朵'的功能，虽然现在电脑可以录音，可以用各种语音软件录入文字，但是这些应用远远没有发挥出耳朵全部的功能，虽然这和操作系统、声卡技术都有一定的关系，但是我们相信随着技术的发展，声卡在'耳朵'这方面的功能将会变的更加强大。　声卡的各种指标　　　声卡有不少的专业术语，比如声卡采样、声道数目、三维音效、MIDI、FM合成等，我们在此作个简单介绍。　1．声音采样　　　声卡采样，就要谈到数码音乐记录和模拟音乐记录的不同，模拟音乐的记录是以模拟量为形态的，比如普通卡式磁带上记录的就是模拟信息，它通过对磁带上磁信号强弱的记录来记录音乐，记录是连续的；而数码音乐是由01信号的组合来表达的，记录之间有空隙。具体来讲，把自然界的模拟音转变为数字音时，需要在模拟声音波形上每一个时间间隔取一个幅度值，这样过程就是采样。声音采样的描述有两个指标：'采样位数'和'采样频率'。采样位数就是指用来描述波形幅度的细腻程度，8位声卡可以把波形划分为256个级别，而16位声卡就可以划分为64×1024个级别，现在的声卡一般都采用16位的声卡。'采样的频率'是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的还原就越真实越自然，现在声卡采样频率一般有22.05KHz、44.1KHz、48KHz三个等级，22.05 KHz是FM广播的声音品质，44.1KHz则是理论上的CD音质界限，而48KHz则更加精确一些。　2．声道数目　　　声道，就是声卡处理声音的通道的数目，以前是单声道，后来又发展出立体声、5.1声道、四声道等的标准。　　　单声道、立体声，大家都比较熟悉了，单声道缺乏对声音的位置定位，而立体声在录制过程中就使用了两个独立的声道，从而达到了很好的声音定位效果。立体声技术在音乐欣赏中，听众可以清晰地分辨出各种乐器来自的方向，接近于临场感受，现在许多声卡还都是立体声的。　　　5.1声道随着DVD的流行，大家已经都比较熟悉了，它已广泛运用于各类传统影院和家庭影院中，譬如杜比AC-3（Dolby Digital）、DTS等著名压缩格式，都是以5.1声音系统为技术蓝本的。其实5.1声音系统有六个独立的声道，可以推动四个环绕音箱、一个前置音箱、一个低音炮。现在市面上许多声卡都可以支持5.1系统了。　　　四声道技术是声卡支持四个独立的声道，可以构成四点环绕系统，前左、前右，后左、后右四个音箱，听众则被包围在这中间，可以有比较不错的身临其境的感受了。如今现在市场上有不少廉价的四声道声卡。　　　当然还有更高标准的7.1系统，在5.1的基础上又增加了中左和中右两个发音点，以求达到更加真实的效果，但是成本会更高。3．三维音效　　　三维音效就是表现三维的音响效果。现在较流行有Direct Sound 3D、A3D和EAX等，基本原理都是利用一定的函数算法欺骗我们的耳朵，让我们产生比较真实的三维听觉效果。　　　PAI DS3D(DirectSound 3D) ，DS3D是Microsoft DirectX的一个组件，DS3D的作用在于帮助开发者定义声音在3D空间中的定位和声响，然后交由DS3D兼容的声卡通过各种算法加以实现。声音的定位效果取决于声卡所采用的具体算法。　　　A3D(Aureal 3D) ，A3D由美国Aureal公司所开发，A3D1.0版包括A3D Surround和A3D Interactive两个重要应用领域，强调的是只需在立体声硬件环境下就可以得到真实的声场模拟。A3D2.0版则是在1.0基础上加入了声波追踪（WaveTracing）技术，可以表现出非常强烈的空间感，目前主要在应用在游戏中。　　　EAX（Enviromental Audio）是创新公司开发的环境音效技术，它建立在DS3D之上，通过它可以在游戏中实现环境音效以及声音的准确定位，原理就是通过调整各种声音频率的指数使得PC可以模拟各种声场环境，比如空旷的大厅、高山、水下等，用户可自己确定各个音源实际位置，这一技术大大提高了游戏中的应用效果。不过创新公司认为凭两个音箱无法准确实现声音的3D定位，所以仍然建议用户使用4个以上的音箱。
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接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。  接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止，接近开关的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。  2.接近开关的主要功能  2.1检验距离  检测电梯、升降设备的停止、起动、通过位置；检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；检测回转体的停止位置，阀门的开或关位置；检测气缸或液压缸内的活塞移动位置。  2.2尺寸控制  金属板冲剪的尺寸控制装置；自动选择、鉴别金属件长度；检测自动装卸时堆物高度；检测物品的长、宽、高和体积。  2.3检测物体存在有否 检测生产包装线上有无产品包装箱；检测有无产品零件。  2.4转速与速度控制  控制传送带的速度；控制旋转机械的转速；与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。  2.5计数及控制  检测生产线上流过的产品数；高速旋转轴或盘的转数计量；零部件计数。  2.6检测异常  检测瓶盖有无；产品合格与不合格判断；检测包装盒内的金属制品缺乏与否；区分金属与非金属零件；产品有无标牌检测；起重机危险区报警；安全扶梯自动启停。  2.7计量控制  产品或零件的自动计量；检测计量器、仪表的指针范围而控制数或流量；检测浮标控制测面高度，流量；检测不锈钢桶中的铁浮标；仪表量程上限或下限的控制；流量控制，水平面控制。  2.8识别对象  根据载体上的码识别是与非。  2.9信息传送  ASI（总线）连接设备上各个位置上的传感器在生产线（50-100米）中的数据往返传送等。
 3.接近开关分类及结构  接近开关的作用是当某物体与接近开关接近并达到一定距离时，能发出信号。它不需要外力施加，是一种无触点式的主令电器。它的用途已远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护。 接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸以及用作无触点式按钮等。就目前应用较为广泛的接近开关按工作原理可以分为以下几种类型：
 高频振荡型：用以检测各种金属体
 电容型：用以检测各种导电或不导电的液体或固体
 光电型：用以检测所有不透光物质
 超声波型：用以检测不透过超声波的物质
 电磁感应型：用以检测导磁或不导磁金属  按其外型形状可分为园柱型、方型、沟型、穿孔（贯通）型和分离型。园柱型比方型安装方便，但其检测特性相同，沟型的检测部位是在槽内侧，用于检测通过槽内的物体，贯通型在我国很少生产，而日本则应用较为普遍，可用于小螺钉或滚珠之类的小零件和浮标组装成水位检测装置等。  接近开关按供电方式可分为；直流型和交流型，按输出型式又可分为直流两线制、直流三线制、直流四线制、交流两线制和交流三线制。  3.1两线制接近开关  两线制接近开关安装简单，接线方便；应用比较广泛，但却有残余电压和漏电流大的缺点。  3.2直流三线式   直流三线式接近开关的输出型有NPN和PNP两种，70年代日本产品绝大多数是NPN输出，西欧各国NPN、PNP两种输出型都有。PNP输出接近开关一般应用在PLC或计算机作为控制指令较多，NPN输出接近开关用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。  4.接近开关的选型和检测  4.1.接近开关的选型
  对于不同的材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性能价格比，为此在选型中应遵循以下原则：   4.1.1.当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、A3钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度就低。   4.1.2.当检测体为非金属材料时，如；木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。   4.1.3.金属体和非金属要进行远距离检测和控制时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。   4.1.4.对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。  4.2.接近开关技术指标检测   4.2.1.动作距离测定；当动作片由正面靠近接近开关的感应面时，使接近开关动作的距离为接近开关的最大动作距离，测得的数据应在产品的参数范围内。   4.2.2.释放距离的测定；当动作片由正面离开接近开关的感应面，开关由动作转为释放时，测定动作片离开感应面的最大距离。   4.2.3.回差H的测定；最大动作距离和释放距离之差的绝对值。   4.2.4.动作频率测定；用调速电机带动胶木圆盘，在圆盘上固定若干钢片，调整开关感应面和动作片间的距离，约为开关动作距离的80%左右，转动圆盘，依次使动作片靠近接近开关，在圆盘主轴上装有测速装置，开关输出信号经整形，接至数字频率计。此时启动电机，逐步提高转速，在转速与动作片的乘积与频率计数相等的条件下，可由频率计直接读出开关的动作频率。  4.2.5.重复精度测定；将动作片固定在量具上，由开关动作距离的120%以外，从开关感应面正面靠近开关的动作区，运动速度控制在0.1mm/s上。当开关动作时，读出量具上的读数，然后退出动作区，使开关断开。如此重复10次，最后计算10次测量值的最大值和最小值与10次平均值之差，差值大者为重复精度误差.
接近开关是一种毋需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无无触点开关），它即有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。 接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。因此到目前为止，接近开关的应用范围日益广泛，其自身的发展和创新的速度也是极其迅速。
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2012级信息技术复习提纲
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官方公共微信第四章 多媒体音频技术
多媒体音频技术
多媒体技术的特点是对声音、文字和图像等媒体信息进行综合式交互处理。声音则是携带信息的重要媒体之一，是多媒体技术研究中的一个重要内容。
本章要点：
●声音数字化的基本概念
●声音文件格式和编码标准
●音频卡的原理及应用
●语音合成和音乐合成
●语音识别技术
声音及其要素
声音是通过空气传播的一种周期性的连续的波，称为声波。声音转换为电信号时，声音的电信号在时间和幅度上都是连续的模拟信号，见下图：
4.0.2.频率（f）
声波频率是指信号每秒种变化的次数，用赫兹（Hz）表示，这种变化可快可慢。根据人们对声波的感知能力，我们将声波分成几个层次：
（1）亚音信号（Subsonic）：频率小于20Hz的声音信号。
（2）语音信号（Speech）:频率范围为300Hz~3kHz的声音信号。
（3）音频信号（Audio）：频率范围为20Hz~20kHz的声音信号。
（4）超声波（Ultrasonic）：频率范围为20kHz的信号。
声音信号数字化
模拟与数字
声音信号是连续信号，时间、幅度上都连续。在特定的时间段内对这种连续变化模拟信号进行不断地测量叫做采样（Sampling），采样得到的信号为离散信号。而每次采样所得到的信号值实质上就是连续变化的幅度值中的一个值，再用数字表示这个幅度值，那么所得到的信号就是数字信号。
数字信号处理器（DSP）的处理方式为数学运算，突出的优点表现在：数字信号运算精度高、不受时间和环境变化的影响、处理方式变化只需相应改变算法即可。
数字信号在处理上的灵活性，传递中的抗干扰性、加工的简易性，有存储的持久性以及失真的可修复特性等，使数字音视频技术具有光明的前景。
声音信号数字化
把模拟音频信号转换成有限个数字表示的离散序列，称为音频数字化。数字声音要通过采样技术进行记录，主要硬件是从模拟到数字的转换器（A/D转换器），由它完成音频信号的采样工作。在数字声音回放时，再由数字到模拟（D/A转换器），将数字信号转换为原始电信号，这一过程需要有三个重要的指标来控制：频率、精度、声道数。
1.采样频率
是指每秒钟需要采集多少个声音样本。目前通用的标准采样频率有：8kHz、11.025kHz、22.05kHz、16kHz、44.1kHz和48kHz等。
采样频率的选取应考虑如下原则：
（1） 音视频信号的最高频率；
（2）防混叠低通滤波器的截止特性；
声频有四种：（1）48kHZ；
（2）44.1kHZ；
（3）44.056kHZ； （ 4）32kHZ
（1）、（2）、（4）是国际声频工 程协会（AES）推荐的取样频率
奈奎斯特理论（Nyquist Theory）认为数字信号采样频率的大小由声音信号本身的最高频率决定。并指出：采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音。
公式表示为：fs=2f
其中f为源信号的最高频率，fs为采样频率。
2.采样精度
是指每个声音样本需要用多少位二进制数表示，它反映出度量声音波形幅度值的精确程度。样本位数的大小影响到声音的质量，位数越多，声音的质量越高。
是指所使用的声音通道的个数，它表明声音记录只产生一个波形（即单音或单声道）还是两个波形（即立体声或双声道）。
采样频率、采样精度和声道数对声音的音质和占用的存储空间起着决定性作用，如下表所示：
4.1.2 采样频率、采样精度、声道数与存储容量关系
采样频率（kHz）
采样精度（bit）
单声道/双声道
存储量（Mb/min）
这个关系可用以下公式表示：
声音文件存储格式
常见的声音文件格式
Windows采用的波形声音文件存储格式
MPEG Layer III最常见的音乐压缩文件
Windows 的MIDI文件存储格式
rm(RealMedia)
RealNetworks公司的流式媒体文件格式
ra(RealAudio)
RealNetworks公司的流式声音文件格式
snd(sound)
aif(Audio Interchange)
Apple（苹果）机以及美国视算公司SGI工作站上的声音文件存储格式
SunNeXT公司的声音文件存储格式，主要用于Unix工作站上
是来源于对声音的模拟波形进行采样得到一系列离散的取样点，以不同的量化位数（8位或16位等）把这些取样点的值转换成二进制数，以某种格式保存成文件，这就产生了声音的WAV文件，称为波形文件格式。它是一种为交换多媒体资源而开发的资源交换文件格式。
WAV文件有许多同类型的文件构造块组成，其中最主要的两个文件构造块是格式 块（Format Chunk）和声音数据块（Sound Chunk）。前者包含描述波形的重要参数，后者则包含有实际的波形声音数据。
WAV文件夹的数据量到底有多大？可用如下公式推算：
WAV文件的数据量 (字节数/秒) = 采样频率 (Hz)×量化位数(bit)×声道数/ 8
2.MIDI文件
它是乐器数字接口的英文缩写，是由世界上主要电子乐器制造厂商建立起来的通信标准。MIDI文件采用字节指令格式，这些指令可在任何兼容的MIDI合成器上指定声道、音名标识符、控制器和声道音量等。它本身并不含有任何的数字音频信号，因此，它的回放过程实际上是一个由MIDI文件中的指令控制MIDI合成器发声的过程。这些控制指令包括指定发声乐器、力度、音量、延迟时间和通道编号等信息。
与WAV文件相比，MIDI文件记录音乐事件，而不是记录音乐信息，所以它占用的存储空间比WAV文件小很多，（一分钟8KB数据。WAV一分钟单声道22.05K8bit是1.26MB。）而且可以通过简单地修改MIDI数据实现演奏的乐器、演奏节拍、速度、音符的改变。
MPEG－1 声音标准特点
MPEG-1 声音压缩算法是第一个高保真声音数据压缩国际标准。
（1）采样频率：32kHZ，44.1kHZ，48kHZ；
（2）压缩后比特流支持以下4种模式：
提供给单声音通道的单声道模式
提供给两个独立的单声道的双―单声道模式
提供给立体声通道的立体声模式，通道间比特共享
联合立体声模式（joint-stereo mode)
（3）三个独立的压缩层次：
Digital Compact Cassette(DCC)
DAB,CD-ROM ,CD-I,VCD
（4）压缩后比特流有预定义比特率，还支持用户自定义
（5）编码后的比特流支持CRC循环冗余校验
(6)支持比特流中载带附加信息
层3使用从ASPEC(Audio Spectral Perceptual Entropy Encoding)和OCF(Optimal Coding in the Frequency Domain)导出的更精细算法，比层1和层2都要复杂。虽然层3的用的滤器组与层1和层2所用的相同，但是层3使用改进离散余弦变换MDCT(Modified Discrete Cosine Tramsform)对滤波器组的不足作了一些补尝。与多相滤波器组不同，不作量化的MDCT是没有失真的。MDCT把子带输出在频域里进一步细分以达到更高的频域分辨率。而且通过对子带的进一步细分，层3编码器已经部分消除了多相滤波器引入的混叠。
数据量的比较：
WAV一分钟单声道22.05K8bit是1.26MB。
一分钟双声道10.584MB}