2025年大学《声学》专业题库- 声学在音频编解码中的应用

2025年大学《声学》专业题库——声学在音频编解码中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填入括号内）1.音频信号数字化过程中，采样频率必须大于信号最高频率的（）倍，以避免混叠失真。A.1/2B.1C.2D.42.心理声学模型中的频率掩蔽效应指的是，在一个声音存在的频段内，该频段的声音强度会提高，从而使得邻近频段的声音难以被听到的现象。A.正确B.错误3.以下哪种音频编码技术属于有损压缩？A.MP3B.AACC.PCMD.WAV4.对于音乐等具有强结构性的音频信号，以下哪种比特率模式（针对可变比特率编码）通常能获得较好的压缩效果和听感？A.CBR（恒定比特率）B.VBR（可变比特率），使用智能VBRC.VBR（可变比特率），使用CBR模式D.ABR（平均比特率）5.声音的响度感知主要由声音的（）决定。A.频率B.振幅C.相位D.声速6.能够较好地适应不同类型音频内容，并在低码率下提供较高音质的现代音频编码格式是（）。A.MP3v1.0B.AACLCC.VorbisD.G.723.17.在音频编解码过程中，去除人耳听不到或被其他更强声音掩蔽掉的频率成分，主要依据的是（）。A.采样定理B.量化定理C.心理声学掩蔽效应D.频谱分析8.造成音频信号信息冗余的主要来源之一是（）。A.音频信号的瞬时变化非常快B.人耳的听觉特性C.数字化过程中的量化误差D.信号中存在大量重复的频率成分9.以下哪项不是评价音频编解码器性能的常用指标？A.编码延迟B.CPU占用率C.PESQ得分D.信号带宽10.声音的音调感知主要由声音的（）决定。A.频率B.振幅C.相位D.声速二、填空题（请将答案填入横线处）1.编码前，模拟音频信号需要经过______和______两个过程转换为数字信号。2.心理声学模型的核心思想是利用人耳的听觉特性来去除音频信号中的______冗余。3.MP3编码通常采用______编码和子带编码相结合的技术。4.音频信号的三要素是音高、音强和______。5.在音频编解码中，______编码是一种无损压缩编码方式，可以完全恢复原始信号。6.量化过程可能会引入______噪声，其大小与量化精度有关。7.根据掩蔽效应，一个强声音会使其附近频段的声音听阈提高，这个提高的量被称为______。8.音频编解码算法的设计需要综合考虑音质、______、复杂度和延迟等多个因素。9.能够同时支持高质量音频和低延迟传输的现代音频编码格式是______。10.声音在空气中传播的速度约为______米/秒（在20℃时）。三、简答题1.简述从模拟音频信号到数字音频信号的基本过程，并说明采样定理的物理意义。2.简述心理声学模型在音频有损压缩中的主要作用。请列举至少两种心理声学现象。3.比较MP3和AAC两种音频编码格式的主要技术特点（至少从三个方面进行比较）。4.简述固定比特率（CBR）和可变比特率（VBR）编码模式的区别及其适用场景。四、计算题1.假设一个音频信号的频率范围是20Hz到20kHz。根据采样定理，计算其最低理论采样频率是多少？如果采用16位量化，该音频信号每秒的采样点数是多少（以比特为单位）？2.某音频编解码器在编码一段1分钟的音频时，输入比特率为320kbps，输出比特率为64kbps。假设该编码过程没有引入额外的数据（即忽略编码器自身开销），计算这段音频的压缩比（输出比特率/输入比特率）是多少？如果该音频文件大小为10MB，其压缩后的文件大小大约是多少？五、论述题1.结合心理声学中的掩蔽效应，论述音频有损压缩技术（如MP3、AAC）是如何实现数据压缩的，并分析这种压缩方式可能带来的音质损失及其影响因素。2.选择一种你熟悉的音频编解码器（如MP3,AAC,Opus,FLAC等），简要介绍其基本原理和技术特点，并分析其在当前音频应用领域（如音乐流媒体、视频伴音、语音通信等）中的优势和局限性。试卷答案一、选择题1.C2.A3.A4.B5.B6.D7.C8.D9.D10.A二、填空题1.采样，量化2.心理声学3.Huffman4.音色5.无损6.量化7.掩蔽阈值8.码率9.Opus10.343三、简答题1.解析思路：首先描述模拟信号数字化的两个主要步骤：采样（将连续时间信号转换为离散时间信号）和量化（将连续幅度信号转换为离散幅度信号）。然后解释采样定理，其核心内容是：为了无失真地恢复原始模拟信号，采样频率必须大于信号最高频率的至少两倍。物理意义在于防止高于奈奎斯特频率的信号成分在采样过程中混叠到低频区域，导致无法区分和还原。2.解析思路：说明心理声学模型利用人耳的听觉特性（如掩蔽效应）来指导音频压缩过程。其作用是识别出那些即使被删除也不会被人耳察觉的音频信息（冗余信息），从而实现压缩。列举心理声学现象时，必须包含核心概念，如掩蔽效应（包括频率掩蔽和时间掩蔽）、临界频带、掩蔽阈值、掩蔽门等。3.解析思路：从多个维度比较MP3和AAC的技术特点。可以从：①编码效率：AAC通常比MP3有更高的压缩效率，尤其在较高压缩比下。②音质表现：在同等码率下，AAC通常能提供更好的音质。③专利问题：MP3涉及较多专利争议，而AAC专利问题相对较少。④支持的声道数和参数：AAC支持更多声道（如多声道环绕声）和更丰富的参数设置。⑤实时编码能力：AAC的实时编码能力通常优于MP3。4.解析思路：首先定义CBR，即音频在编码过程中使用固定的比特率传输。定义VBR，即音频在编码过程中根据内容的复杂度动态调整比特率。区别在于比特率是否固定。适用场景：CBR适用于对文件大小有严格限制或需要稳定传输质量的场景，如广播、某些流媒体服务。VBR适用于内容变化较大（如音乐）且对极端峰值不敏感的场景，可以在保证整体音质的前提下获得更高的压缩比和更小的文件体积。四、计算题1.解析思路：计算最低采样频率直接应用采样定理，即采样频率>最高频率。20kHz*2=40kHz。计算每秒采样点数，需要知道量化位数（16位）和采样频率（40kHz）。每秒采样点数=采样频率*量化位数=40,000样本/秒*16比特/样本=640,000比特/秒=640kbps。2.解析思路：压缩比计算公式为：压缩比=输出比特率/输入比特率。代入数值：压缩比=64kbps/320kbps=1/5=0.2。计算压缩后文件大小：原文件大小=1分钟*320kbps=60秒*320kbps=19,200kb=18.75MB。压缩后大小=原文件大小*压缩比=18.75MB*0.2=3.75MB。注意题目假设忽略编码器开销，且输入比特率是整个音频段的平均值。五、论述题1.解析思路：首先阐述有损压缩的基本原理是去除音频信号中的冗余信息。重点结合心理声学模型，说明如何利用掩蔽效应识别并去除被强信号掩蔽的弱信号、或删除在特定时间段内人耳听不到的频率成分。例如，如果一个强频率分量覆盖了某个频带，心理声学模型会判断该频带内的声音即使被完全删除也不会被察觉，因此在编码时可以将其置零或用极小的码表示。分析音质损失时，指出音质损失与压缩比、编码算法的精度、原始音频内容特性以及听音者的听觉差异有关。例如，高频成分、突然的动态变化或人声等不易被掩蔽的部分更容易在强压缩下损失音质。2.解析思路：选择一种编解码器（例如Opus），首先介绍其基本原理：Opus是一种开源、高性能的音频编解码器，采用矢量量化（VQ）和感知编码技术，支持非常低的比特率（适用于语音）到高比特率（适用于高质量音乐）的宽范围。技术特点包括低延迟、高压缩效率、良好的声音质量和多通道支持。分析优势：低延迟使