安卓音频系统之一音频基础

音视基础

声波
音频的录制、存储与回放
音频采样
Nyquist-Shannon采样定律
声道与立体声道
声音定级—WeberFechner law
音频文件格式

声波

从物理学的角度来讲，声音是机械波的一种。机械波是由机械震荡产生的。声音的传播需要介质。其重要属性如下：

响度
音调
音色

（初中物理都学过的）

音频的录制、存储与回放

多媒体并不是为计算机系统而生的，只不过后者的出现极大的推动了它的发展。那么传统多媒体和计算机多媒体系统之间有什么区别吗？
一个很明显的问题就是：我们如何将媒体源数字化？之所以有这个疑问，是因为早期的音频信息存储在录音带中，并以模拟信号的形式存储。而到了计算机时代，这些数据必须经过一定的手段处理，才能够存储到计算机设备中。
1）录制过程。

首先，音频采集设备捕获声音信号
采集到的声音信号，通过模数转换器，处理成计算机能够接受的二进制数据。
上一步得到的数据按照需求进行必要的渲染处理，如音效调整、过滤等
处理收的数据理应可以存储到计算机设备上（硬盘、usb设备等）。由于这时的音频数据体积过大，不利于保存和传输，通常我们还会对其进行压缩处理。比如常见的（mp3格式）。压缩过程根据采样率、位深等因素不同，最终得到的音频文件有一定的失真。

音频的编解码既可以通过软件实现，也可以通过硬件实现
2）回放过程

从设备中读取音频文件，并根据录制时采用的编码，进行解码操作。
选择播放设备（耳机喇叭蓝牙）
解码后的数据经过音频系统设计的路径进行传输
音频信号通过数模转换变为模拟信号
将模拟信号在回放设备上播放。

音频采样

采样的核心就是把练血的模拟信号转化为离散的数字信号。它涉及到如下几个因素：

样本即将被采样的原始资料
采样器 采样器是将样本转为终态信号的关键。它可以是一个子系统，也可以指一个操作过程，甚至至少是一个算法，取决于不同的信号处理场景。理想的采样器是要求尽量不产生信号失真
量化采样后得到的值还需要通过量化，即将连续值近似为某个范围内有限多个离散值的处理过程。原始数据是模拟连续信号，而数字信号的离散的，且数值表达范围是有限的，所以量化是必不可少的步骤
编码在计算机的世界里，所有数值都是用二进制表示的，因而我们还需要把量化值进行二进制变化。这一步通常与量化是同步进行的。

原始模拟信号 -> 通过采样器（Sampler）进行采样（Sampling） -> 量化（Quantitation） -> 编码（Coding）

PCM

PCM （Pulse-code modulation）脉冲编码调制，是将模拟信号数字化的一种经典方式，得到了非常广泛的应用。比如数字音频在计算机、DVD以及数字电话等系统中的标准格式采用的就是PCM。它的基本原理就是上面的几个流程，即对原始模拟信号进行抽样、量化、编码，从而产生PCM流。另外我们可以调整PCM的一下几个属性，从而可以达到不同的采样需求。

采样速率（Sampling Rate）
在将连续信号转化为离散信号时，就涉及到采样周期的选择。如果采样周期太长，虽然文件大小得到了控制，但是采样后的数据很可能无法准确的表达原始信息。反之，如果采样速率过快，则最长产生的数据量会大幅增加。这两种情况都是我们不愿意看到的，因而在项目中需要根据实际情况来选择合适的采样率。

由于人耳鞥便是的声音范围是20-20KHz，所以人们一般选中44.1KHz，48KHz或者96KHz作为采样速率。

采样深度（Bit Depth）
位深越大，所能表达的数值范围就越广，而从而使得量化值更接近原始数据

Nyquist-Shannon采样定律

奈奎斯特采样理论：
“当对采样的模拟信号进行还原时，其最高频率只有采样率的一半”
话句话说，如果我们要完美的重构原始模拟信号，则采样率必须是它的二倍以上。比如人耳听到的声音频率范围为20-20KHz，那么采样率必须选择40Kz+。太小则失真明显，太大资源浪费，且不能明显提高人耳的质感。

声道与立体声道

单声道（Monaural）
双声道（stereophonic）
4.1环绕立体声四个音源前左、前右、后左、后右。1代表一个低音喇叭（subwoofer），专门用于加强低频信号效果。
5.1环绕立体声相比4.1增加了一个中置音源

声音定级—WeberFechner law

音频文件格式

前面小节的内容分析了音频采样的过程，它将连续的声音波形转为若干范围内的离散数值，从而将音频数据以二进制的形式显示在计算机系统中。不过音频的处理并没结束，我们通常还需要对上述过程中产生的数据进行格式转化，然后存储到设备中。

要特别注意文件格式和文件编码器的区别。文件编码器负责对原始数据进行一定的前期处理，如采用压缩算法减小体积，然后以特定的文件格式进行存储。编码器和文件格式不是一一对应的。
音频文件格式分类：

不压缩 PCM数据（windows上是wav， mac上是aiff）
无损压缩如FLAC APE WV m4a
有损压缩如ACC MP3