再论CD采样频率和音乐最高频率的关系

红灯记

       音乐的最高频率有多高，恐怕谁也不好回答这个问题，虽然说超声波超出了我们人耳的听觉的上限，可是现在有研究表明，超声波里接近我们听觉上限的一部分频率的能量大小，对我们听觉的感知还有有些影响的，这个影响因人而异，估计大多数人听不到，我是肯定听不到的。在模拟时代，用电子技术记录和重放音乐信息的时候，人们注重的频响，不同的领域对频响要求不一样，同样是20-20K的范围，有的能做到±0.5db，一些的民用设备则在±3db范围。无论怎样，超出设计指标的频率成分多少还是能够被记录和播放的，只是它会依据每倍频程多少个db减少罢了。而到了以PCM方式拾取音乐信号记录并重放，人们关注的到是取样频率的大小了。在这里我来说说我对后者的认识，长久时间以来，在对音乐有着执着追求的人们看来，CD是他们又爱又恨的玩意儿，爱的理由我不用细说了，说说这个恨吧，恨什么呢？恨这个取样频率高不成低不就。于是除了16比特的44.1K外，48K、96K、192K的所谓高规格、高分辨率、高采样率的音频文件，然而这样的文件太大了，光盘是装不下了，怎么办呢？硬件生产厂家们于是想到了硬盘，用硬盘来做存储介质，这个最直接了当。文件的拾取和制作软硬结合，随着各种卡的发展和软件提高，于是就产生各种各样的播放器，播放这些所谓的高规格数码流文件，在发烧圈内盛行过一阵子，可人们回过头来，这些分辨率高的文件好听但不耐听，甚至真的还没有CD好听，为什么呢？
' y1 G- J/ k2 Y; c       我们人耳的听觉频率上限是多少？下限是多少？科学家早有了实验数据，虽然说是因人而异，但是大多数人还遵从一个规律的范围的。我们习惯于以秒为单位来衡量一个往复振动快慢，低于20次每秒的叫做次声波，对人体有害别去碰它，有也要把它滤掉。35次每秒到16000次每秒是常人能听到的声音，16000次每秒以上的能听到的就很少人了，测试实验的时候需要采取一些技术手段，尽管这样，科学家们还是把人耳的听觉上限定义为20000次每秒，也有的领域里把22000次作为最高的上限，除此以外的统统切掉。那么这些被统统切掉的“超声波“对我们拾取和播放音乐有影响吗？恐怕对百分之九十几的大多数人来说是没有的，另有百分之几的“另类高人”还是有的。     
) o  a6 T0 A' y& A       CD的取样频率是44.1K，这是当年飞利浦和索尼公司共同合作、共同竞争的结果。在这里我们有必要都去了解一下奈奎斯特-香浓采样定律，这是一个很复杂的数学论著，更深的内容没学过高等数学恐怕看起来会很吃力，这个定理在信号传输系统上有很多的应用，涉及到很多方面，就我今天 这个话题来说，我简单说一下：如果我们要把一个连续的模拟正玄波用一组离散的二进制数码序列来表，也就是说把模拟量数码量化，必须用一个至少是这个被表达的模拟正玄波频率的2倍的离散脉冲对其取样而生成离散的二进制数码序列，在还原成模拟正玄波的时候也必须用和采样频率一致的脉冲才能够完整的、准确无误的还原出来。这里强调要理解的是：被采样的信号的必须是连续的正玄波，其它的三角波、方波等不在我们这个讨论范围内。也就是说，假如我要对50HZ的正玄波信号采样成数码信号，那么我至少要用一个100HZ的采样频率来操作它，才能够保障非常高品质的复原出来。同理我们音乐信号的频率是20000HZ或者22000hz这样采样的频率必须要在40000或者44000才行，否则由于混叠作用而不能正确的还原出被采样波形。
& F6 S# y* I; r  t       好了，现在我们回到我们要讲的问题了，有很多发烧友甚至专业人士都这样认为CD的采样频率对高端的采样精度不够，假如有一个100HZ的正玄波频率频率被44.1K的采样频率脉冲采样，那么这100HZ就会有441个采样点；一个10000HZ的正玄波被一个44.1K的采样脉冲采样，每个正玄波能有4.41个采样点；而22000HZ的正玄波被44.1K的采样脉冲采样，那只能是每个波形有两个采样点了，我的天哪才踩两个点，开国际玩笑啊，这样的CD能听吗？所以他们得出CD唱片的高频是不好的，是不完整的是失真的结论，这个结论根固在人们的思想里起码也有二十几年了，至今还非常盛行。
8 p/ {) @) e/ J, S; c       实际上这是一种非常片面的理解，是极其错误的。那么我们要怎样理解才能接近实物的本质呢？
' R2 @0 `1 @' M1 A( ?# B" q  w( g8 ~       首先，我想很多人都明白这样一个道理：无论多么复杂的音乐成分，都是有无数个（也可以说是有限的N多个）幅度不一、频率各异相位各异的连续的正玄波组成组成，这是必须的。假如这里面混入了少量的、微弱的三角波、方波等，那是没法听的失真信号，在这里讨论没有意义；其次，所谓采样频率的采样方式，可以使规则的也可以是离散的，但是在规定的时间段内会保障次数的稳定。在某一个T时刻，我们能通过采样频率把一个复杂的多个连续的正玄波构成复合信号中的每单个正玄波信号都能如实无误的踩了样，就能够在下一步的还原的时候如实地还原出各种频率的信号从而合成出和采样前一样的被采样的音频波形。我来打个比方：说起频率我们都知道是以秒为单位，这个必须要统一否则讨论没意义，因为衡量的尺度不一样了。假设我们对100HZ、1000HZ、10000HZ、20000HZ、22000HZ用44.1K采样频率采样，在一秒内，无论对那个频率都会进行44.1K次采样，也就是有44.1K个采样点，那么对于任何一个连续的正玄波，知道频率和那么多个点还恢复不出这个完整的正玄波吗？比如我们知道频率和幅值这两个参数，画出这个正玄波应该易如反掌，除非你没学过或者是你的数学是全世界最笨的那个体育老师教的。我再说清楚一点我的肤浅认识：就拿22000HZ来说吧，在一秒钟内，注意是在1秒钟内它有22000个独立完整的幅值是A的正玄波，那么我的采样频率是44.1K，也就是说在同样的一秒钟内，我对这22000个正玄波组成连续正玄波踩点44100次，这么多的数据你还画不出一个正确、完美的22000HZ的正玄波吗？其它低于22000HZ的正玄波就更不用说了吧。
       用电子手段实现奈奎斯特-香浓理论是很复杂的，我们只要知道大致的理论概念就行了。更深层次的内容，那是硬件工程师和软件工程师的事情，我也说不清楚，就算是我能说清楚您也不一定能听得懂也没有必要去弄懂...

. _  n: n; |4 K

  @# `2 I. R6 \/ b待续...

) d/ ^2 @# D/ B1 k9 m0 _' z5 Y
) b. `6 U) q- h8 o' r
8 [  Y1 c6 H6 Q0 T1 z" O

东城遗恨

曾经做过听力测试，16k以上完全听不到.....能把20-20k范围处理好真就可以了，超出这个范围的不值得花时间和精力。
6 }- l: H0 d: H- k& `数码音频的采样率这些年发展很快，但是仅仅是存在于录音工程中。总的来说，主观感受上，高采样率（24/96以上）和低采样率的录音文件差别不大。所以高采样率的像SACD完全没有没有发展开来，几十年了绝大部分还是停留在CD的采样率水平，甚至是压缩过的mp3格式。
3 }; \9 x2 X/ E( k2 _! ~1 B毕竟音频行业相对来说是极小众的领域，没有庞大的市场需求推动，技术上很难有太大的进步。

红灯记

东城遗恨 发表于 2017-5-29 17:03
曾经做过听力测试，16k以上完全听不到.....能把20-20k范围处理好真就可以了，超出这个范围的不值得花时间和 ...

8 U) H0 w; P/ b4 h, gCD已经是最好的数码格式了，采样率等再高出，会产生一些列的副作用，这是很多稍有不懂的也看不到的，这也就是高分辨率的格式的各种款式到头过来还没有CD好听，大家还是主要听CD