WAV文件格式详解

Waveform Audio File Format（WAVE，又或者是因为WAV后缀而被大众所知的），它采用RIFF（Resource Interchange File Format）文件格式结构。通常用来保存PCM格式的原始音频数据，所以通常被称为无损音频。但是严格意义上来讲，WAV也可以存储其它压缩格式的音频数据。

常见的声音文件主要有两种，分别对应于单声道（11.025KHz 采样率、8Bit 的采样值）和双声道（44.1KHz 采样率、16Bit 的采样值）。采样率是指：声音信号在“模→数”转换过程中单位时间内采样的次数。采样值是指每一次采样周期  内声音模拟信号的积分值。

对于单声道声音文件，采样数据为八位的短整数（short int 00H-FFH）；而对于双声道立体声声音文件，每次采样数据为一个16位的整数（int），高八位和低八位分别代表左右两个声道。

1. 音频简介

经常见到这样的描述: 44100HZ 16bit stereo 或者 22050HZ 8bit mono 等等.

44100HZ 16bit stereo: 每秒钟有 44100 次采样, 采样数据用 16 位(2字节)记录, 双声道(立体声);

22050HZ 8bit  mono: 每秒钟有 22050 次采样, 采样数据用 8 位(1字节)记录, 单声道;

当然也可以有 16bit 的单声道或 8bit 的立体声, 等等。

采样率是指：声音信号在“模→数”转换过程中单位时间内采样的次数。采样值是指每一次采样周期内声音模拟信号的积分值。

对于单声道声音文件，采样数据为八位的短整数（short int 00H-FFH）；

而对于双声道立体声声音文件，每次采样数据为一个16位的整数（int），高八位(左声道)和低八位(右声道)分别代表两个声道。

人对频率的识别范围是 20HZ - 20000HZ, 如果每秒钟能对声音做 20000 个采样, 回放时就足可以满足人耳的需求. 所以 22050 的采样频率是常用的, 44100已是CD音质, 超过48000的采样对人耳已经没有意义。这和电影的每秒 24 帧图片的道理差不多。

每个采样数据记录的是振幅, 采样精度取决于储存空间的大小:

1 字节(也就是8bit) 只能记录 256 个数, 也就是只能将振幅划分成 256 个等级;

2 字节(也就是16bit) 可以细到 65536 个数, 这已是 CD 标准了;

4 字节(也就是32bit) 能把振幅细分到 4294967296 个等级, 实在是没必要了.

如果是双声道(stereo), 采样就是双份的, 文件也差不多要大一倍.

这样我们就可以根据一个 wav 文件的大小、采样频率和采样大小估算出一个 wav 文件的播放长度。

譬如 "Windows XP 启动.wav" 的文件长度是 424,644 字节, 它是 "22050HZ / 16bit / 立体声" 格式(这可以从其 "属性->摘要" 里看到),

那么它的每秒的传输速率(位速, 也叫比特率、取样率)是 22050*16*2 = 705600(bit/s), 换算成字节单位就是 705600/8 = 88200(字节/秒),  播放时间：424644(总字节数) / 88200(每秒字节数) ≈ 4.8145578(秒)。

但是这还不够精确, 包装标准的 PCM 格式的 WAVE 文件(*.wav)中至少带有 42 个字节的头信息, 在计算播放时间时应该将其去掉,  所以就有：(424644-42) / (22050*16*2/8) ≈ 4.8140816(秒). 这样就比较精确了.

关于声音文件还有一个概念: "位速", 也有叫做比特率、取样率, 譬如上面文件的位速是 705.6kbps 或 705600bps, 其中的 b 是 bit, ps 是每秒的意思;

压缩的音频文件常常用位速来表示, 譬如达到 CD 音质的 MP3 是: 128kbps / 44100HZ.

WAV文件遵循RIFF规则，其内容以区块（chunk）为最小单位进行存储。WAV文件一般由3个区块组成：RIFF chunk、Format chunk和Data chunk。另外，文件中还可能包含一些可选的区块，如：Fact chunk、Cue points chunk、Playlist chunk、Associated data list chunk等。 本文将只介绍RIFF chunk、Format chunk和Data chunk。

常见的wave文件的格式图示

2.1 RIFF区块

2.2 FORMAT区块

［注意］ 这个区域只需要关心 NumChannels SampleRate BitsPerSample 三个参数就可以了，其它的都是依据这三个计算出来的。

2.3 DATA区块

对于Data块，根据声道数和采样率的不同情况，布局如下（每列代表8bits）：

1. 8 Bit 单声道：

2. 8 Bit 双声道

1. 16 Bit 单声道：

2. 16 Bit 双声道

下面我们看一个具体的例子，声音文件如下：

对应的分析如下图所示：

WAV文件以小端形式来进行数据存储。

所谓的大端模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中； 所谓的小端模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中。

参考：

wave文件(*.wav)格式、PCM数据格式

http://www.cnblogs.com/cheney23reg/archive/2010/08/08/1795067.html

https://www.cnblogs.com/liyiwen/archive/2010/04/19/1715715.html

https://www.jianshu.com/p/947528f3dff8

http://soundfile.sapp.org/doc/WaveFormat/