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数据编码——声音编码

一、教学目标：

（一）理解声音编码实现过程，知道采样、量化、编码三个步骤。【信息素养】【计算思维】

（二）知道影响音频质量的因素，掌握音频存储容量（未压缩）的计算方法。【信息素养】【计算思维】

二、教学重难点

教学重点：声音编码的实现过程

教学难点：音频质量的影响因素

三、教学过程

（一）问题导入

在平时的生活中，我们经常会使用微信语音来和别人交流。在聆听微信语音的时候，你有没有注意过这样一个现象：对方发过来的微信语音和他真实说话的声音不太一样呢？声音是如何进入手机成为微信语音的？今天我们就来聊一聊，说话声音到微信语音都经历了什么过程。

（二）探究一：声音数字化的实现过程

1.声音的表示

声音是由振动产生的，振动可以通过波形来记录。振幅反映了响度的强弱，频率反映了音调的高低。连续变化的模拟信号可以在多次传输时，易受干扰，导致失真、产生噪音等。例如，以前的磁带就是依靠模拟信号来记录声音，但不易多次复制、保存等。

2.声音编码的实现过程

声音编码就是将模拟信号转换成数字信号，从而能够被计算机存储、处理、传输。那么声音编码如何实现呢？同学们还记得上节课学习的图像编码过程吗？我们可以类比猜想一下。

(1)声音采样

声音采样是以相等的时间间隔(通常为1秒)测得多少个声音模拟信号的值，即用多少采样点来表示声音波形。采样点是越多还是越少，采样的效果更好呢？

采样频率是每秒采样声音的次数，单位为赫兹(Hz)。采样频率越高，声音还原度越高，但是存储容量也就越高。通常，高保真音乐的采样频率为44.1kHz，即每秒采集44100次。

体验活动：44100Hz与5500Hz

利用GoldWave打开原始音频，将其原始采样频率44100Hz改为5500Hz，比较不同采样频率的音频质量。

(2)声音量化

声音量化是将采样点的值进行分级量化，将采样值变换到最接近的数字值，即用有限个数的数值近似地表示原来连续变化的值。那么，量化值的分级是越多还是越少，量化的结果更好呢？

量化位数是指表示量化值的二进制位数。量化位数越多，声音越接近原始的模拟信号，音频质量越好。

经过量化，每个采样点的幅值转换成了对应的量化值，确定二进制位数，形成二进制编码。但初始的二进制编码数据量较多，占用的存储容量较大。

(3)声音编码

确立编码规则，优化数据排列。由于图像中会存在许多的重复和冗余信息，因此在编码时可以通过压缩技术，来减少图像文件存储容量。

未压缩音频文件格式：WAV

无损压缩音频文件格式：无损压缩是通过优化数据排列方式减少文件的存储容量，其还原压缩数据后与压缩前相同。APE音频文件格式就是一种无损压缩。

有损压缩音频文件格式：有损压缩是损失一定的信息，提高压缩比，从而减少存储容量。人耳听到的频率是20Hz-20000Hz，可以将此范围外的数据删除，从而减少存储容量。例如，常用的MP3、移动端AMR都是属于有损压缩。

小结常见音频文件格式：

体验活动：WAV与MP3

利用GoldWave打开原始音频，将其另存为MP3格式，比较两者的文件大小。

3.小结声音编码实现过程

（二）探究二：影响音频质量的因素

经过刚才的学习，我们了解了声音是如何通过编码称为数字信号，从而可被计算机存储、处理与传输的。现在我们回到最开始的问题，为什么真实说话声音与微信语音的声音听起来不太一样呢？在声音编码的实现过程中，哪些环节在影响着音频的质量呢？

采样频率：采样频率越高，采集点越多，声音还原度越好。

2.量化位数：量化位数越多，量化值越精确，音频质量越高。

3.编码方式（文件格式）：经过有损压缩的文件格式会舍去部分信息，未压缩和无损压缩文件格式的音频质量更好。

4.声道数：

人耳在接收声音信息时，依据左右耳的差异来感知声音的位置、效果等。声道数就是基于此产生的。声道数是指声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量，不同的声道数可以播放相同或者不同的音源以达到不同效果。例如，单声道常用语广播等；双声道常用于音乐播放，所以我们利用耳机听音乐时会感觉到左右耳声音有些微不同，就是因为左右声道音源的差异；环绕声通常用于电影院，常见声道数有5个，以让观众体会到身临其境的感受。

(三)探究三：音频文件存储容量的计算

刚刚我们探究了影响音频质量的因素，其实这些因素也在影响着音频存储容量的大小。

音频所占存储容量的计算方法=采样频率×量化位数×声道数×时间（秒）/8（字节）

例：一首100s的双声道音频，采样频率为44.1kHz，量化位数为16，计算该音频所占的存储容量。你能尝试列出计算式子吗？

44100×16×100×2/8=≈17MB

（四）探究四：数字音频的价值

1.语音信息交流

2.移动支付语音播报