频率史—从电源频率到音频采样频率与视频帧率:29.97/44.1
Author：zhoulujun Date：
电源频率的标准：电流频率50HZ和60HZ问题
60Hz为美国、日本、加拿大及亲美国家广泛使用。其二极发电机的同步转速为1秒转60圈。每分钟3600转。民用电标准：110V/60Hz
50Hz为欧洲及苏联及受苏联影响地区使用。其二极发电机的同步转速为每分钟3000转。发电机转速较低，对机器设备的制造、安装和调试精度要求较低，相对成本也较低。民用电标准：220V/60Hz
60Hz的发电机是3600转的，50Hz的是3000转的
我国电力工业主要是苏联来的，所以同苏联，采用了50赫兹。解放前，50Hz与60Hz电网并存于世，之间以变频机组联结交换电力；解放后，60Hz的发电机逐步被淘汰。目前我国大陆、港澳已成为单一50Hz电网的国家。台湾依旧是110V/60Hz。日本50Hz于60Hz并存。这里推荐阅读《为何中国电压是220V？220V电压的由来》
PAL制式与NTSC制式
世界上的录像机主要有二大制式。就是欧洲的PAL制式和美国日本的NTSC制式。
NTSC制式：1952年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播标准，它采用正交平衡调幅的技术方式，故也称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家以及中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。
NTSC制式，场频59.94Hz（接近但不是60Hz，为了抗干扰），行频15575Hz，每一场525条扫描线。适用于NTSC制式录像机的编码器，其采样频率就是44.056。早期，日本确有一些采用44.056kHz采用频率的数码录音，但后来统一到44.1kHz了
PAL制式：1962在西德(德国苏控区)被指定为彩色电视广播标准，它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺点。苏联、西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。PAL制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式，其中PAL－D制是我国大陆采用的制式。
PAL制式录像机的编码器，其采样频率就是44.1kHz。
SECAM制式：SECAM是法文的缩写，意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制，是由法国在1956年提出，1966年制定的一种新的彩色电视制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺点，但采用时间分隔法来传送两个色差信号。使用SECAM制的国家主要集中在法国、东欧和中东一带。这里算是比较偏门，就不讲了。
44.1kHz与44.056kHz的由来
44,100= 50 x294 x 3=50×9×7×7×2
44,056= 59.94 x 245 x3
50Hz和59.94Hz分别是PAL和NTSC的场频， 294和245是从PAL和NTSC的线数上来的，因为是隔行扫描的，所以扫描线数要除2。故此PAL的扫描线就变成312.5而NTSC则变成262.5。但在模拟电视时代，为确保电视画面内容完整，所以摄像机，录像机，电视机都采用过扫描技术，最上，最下，最左，最右的部分都给舍去了。因此，无论PAL还是NTSC制式的实际扫描线，都比625和525少。PAL制式下可用扫描线数是294线，而NTSC则是245线。至于x3，则是在一条视频扫描线的磁迹中，纪录三个数码音频数据块。于是，就有了上面的式子，就有了44.1kHz。
音频采样率列表：
常见音频采样频率：
8,000 Hz - 电话所用采样率, 对于人的说话已经足够
11,025 Hz-AM调幅广播所用采样率
22,050 Hz和24,000 Hz- FM调频广播所用采样率
32,000 Hz - miniDV 数码视频 camcorder、DAT (LP mode)所用采样率
44,100 Hz - 音频 CD, 也常用于 MPEG-1 音频（VCD, SVCD, MP3）所用采样率
47,250 Hz - 商用 PCM 录音机所用采样率
48,000 Hz - miniDV、数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率
50,000 Hz - 商用数字录音机所用采样率
96,000 或者 192,000 Hz - DVD-Audio、一些 LPCM DVD 音轨、BD-ROM（蓝光盘）音轨、和 HD-DVD （高清晰度 DVD）音轨所用所用采样率
以前一直被教育，说音频范围是20HZ~20KHZ，那么我就以为是人耳能听见这范围。其实人耳真正能听到的范围是在90-15.1K Hz（15.1K Hz是人耳的极限），这是最理想的时候，随着年龄增大和其他原因，实际的听力范围要远远小于它，主要在高频方面，随着年龄增大下降明显。人的听力范围是由生理结构所决定的，不可能超出，长时间生活在高频的环境里，人只能感觉到烦躁，是不是主观察觉到它的存在那只有天知道，低频做为一种能量，人通过皮肤能察觉到，而非听到。
由于人耳对不同频率的解析度不同，MPEG1/Audio将22khz内可感知的频率范围，依不同编码层，不同取样频率，划分成23~26个临界频带。下图列出理想临界频带的中心频率与频宽。图中可看到，人耳对低频的解析度较好。
对于音频存储于播放，20kHz足够，但是对于音频采样，模拟时代的音频生产中，由于滤波器、效果器的性能问题，一般会使用极高的采样率，来给畸变留出空间。44.1Ksps是一个常用的采样率，对应的带宽是22.05KHz，这个频率是由协议规则，取这样一个值可能是考虑时钟分频的方便(9×7×7×2×100)。40KHz 以上的采样一定可以确保准确还原 20KHz 的信号，这有香农定律证明；12帧的连续图片看起来就是运动的，为什么还有电影的24帧、30帧、48帧、60帧以及120帧？同理高频采样可以跟细腻地还原低频采样，虽然边际效应很明显，但的确有所提高
Nyquist采样定律：采样率大于或等于连续信号最高频率分量的2倍时，采样信号可以用来完美重构原始连续信号。
实践中 44.1KHz 和 48KHz 所留出的余地也足够应付滤波器带来的畸变等。在数字电路角度来考虑，高采样其实是把大量的采样噪声向高频转移。反正高频你听不见，有噪声就有噪声呗～噪声不能消除，但是巧妙的规避了。
音频位深度
44分贝 － 属于人类可以接受的程度
55分贝 － 开始感觉到烦
60分贝 － 开始没有睡意
70分贝 － 令人精神紧张
85分贝 － 长时间让人无法接受而捂住耳朵
100分贝 － 可让你你的耳朵暂时失去听觉
120分贝 － 可以瞬间刺穿你的耳膜
160分贝 － 碎玻璃
200分贝 － 人类死亡
一般CD就是44.1Hz/16bit 采样。我们常见的16Bit，可以记录大概96分贝的动态范围，每一个比特大约可以记录6分贝的声音。同理，20Bit可记录的动态范围大概就是120dB；24Bit就大概是144dB。
假如，我们定义0dB为峰值，那么声音振幅以向下延伸计算，那么，CD音频可的动态范围就是"-96dB～0dB。"，依次类推，24Bit的HD-Audio高清音频的的动态范围就是"-144dB~0dB。"。由此可见，位深度较高时，有更大的动态范围可利用，可以记录更低电平的细节。
频域上的掩蔽效应
幅值较大的信号会掩蔽频率相近的幅值较小的信号，如下图：
时域上的遮蔽效应
在一个很短的时间内，若出现了2个声音，SPL（sound pressure level）较大的声音会掩蔽SPL较小的声音。时域掩蔽效应分前向掩蔽（pre-masking）和后向掩蔽(post-masking),其中post-masking的时间会比较长，约是pre-masking的10倍。
参考文章：
CD为什么采用44.1kHz采样频率的问题 https://www.jianshu.com/p/d49cdc2f716d
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