C++音频开发：什么是50Hz、100Hz测试音？以及如何生成16bit/8000Hz的WAV测试文件

最近在开发一个运行于 Debian 的 C++ 音频程序，需要通过声卡向指定音频通道输出 PCM 音频数据。为了测试整个音频输出链路，主管要求准备以下几种测试音：

• 50Hz
• 100Hz
• 200Hz
• 400Hz
• 1000Hz
• 2000Hz

同时要求音频格式统一为：

• 单声道（Mono）
• PCM编码
• 16位（16-bit）
• 8000Hz采样率

刚开始看到这个需求时，我一度以为这里的 50Hz、100Hz 指的是采样率，后来才发现它表示的是声音本身的频率（音调）。

一、采样率和音频频率的区别

这是数字音频中两个最容易混淆的概念。

采样率（Sample Rate）

采样率表示：

每秒钟采集（或播放）多少个采样点。

例如：

8000Hz

表示：

每秒共有8000个采样点

采样率决定的是数字音频的时间分辨率。

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音频频率（Frequency）

音频频率表示：

声音每秒振动多少次。

例如：

50Hz

表示：

声音每秒振动50次

因此：

• 8000Hz采样率
• 50Hz测试音

并不是同一个概念。

举个例子：

生成一段1秒钟的50Hz正弦波：

采样率 = 8000Hz
声音频率 = 50Hz

意味着：

8000 ÷ 50 = 160

也就是说：

160个采样点组成一个完整波形。

如果换成1000Hz：

8000 ÷ 1000 = 8

仅需要8个采样点便组成一个完整周期，因此音调会高很多。

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二、为什么8000Hz采样率还能播放2000Hz？

这是奈奎斯特采样定理决定的。

采样率为：

Fs = 8000Hz

理论上能够表示的最高频率为：

Fs / 2 = 4000Hz

因此：

测试频率	是否可表示
50Hz	√
100Hz	√
200Hz	√
400Hz	√
1000Hz	√
2000Hz	√

所以主管要求的几个测试频率都完全没有问题。

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三、为什么要准备这些频率？

这些都是音频工程中最常见的单频测试音（Pure Tone）。

不同频率可以测试不同的音频响应。

频率	主要用途
50Hz	超低频测试
100Hz	低频测试
200Hz	低中频测试
400Hz	中频测试
1000Hz	标准测试频率
2000Hz	高频测试

例如：

如果：

• 50Hz没有输出
• 100Hz很弱
• 1000Hz正常

通常说明设备低频响应存在问题。

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四、PCM里面保存的是什么？

PCM文件里保存的是一系列采样值。

对于正弦波而言，每一个采样值都可以通过下面公式计算：

sample = amplitude * sin(2πft)

其中：

• amplitude：振幅
• f：测试频率
• t：当前采样时间

例如生成50Hz：

sample = 26214 * sin(2 * M_PI * 50 * n / 8000.0);

把50修改为：

100
200
400
1000
2000

即可生成对应频率的测试音。

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五、为什么50Hz几乎听不到？

生成测试文件以后，我首先用自己的笔记本试听。

结果发现：

50Hz几乎没有声音。

后来确认，这是完全正常的现象。

原因并不是文件有问题，而是：

笔记本扬声器根本放不出来这么低的频率。

绝大多数笔记本扬声器：

• 150Hz以下开始明显衰减
• 100Hz以下输出已经很弱
• 50Hz基本无法正常播放

这是由扬声器尺寸决定的。

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不同频率的大致听感

频率	听感
50Hz	几乎听不到，仅有低频震动感
100Hz	较闷、较轻
200Hz	低沉
400Hz	中频嗡鸣
1000Hz	标准测试音，非常明显
2000Hz	比较尖锐，长时间试听容易疲劳

因此：

1000Hz、2000Hz听起来比较刺耳，是正常现象。

测试音本来就不是为了"好听"，而是为了测试设备。

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六、为什么音频测试喜欢用正弦波？

正弦波最大的特点就是：

只包含一个频率。

例如：

1000Hz

整个信号中只有1000Hz。

因此很容易判断：

• 是否存在失真
• 是否有杂音
• 左右（多）声道是否正常
• 输出音量是否一致

相比之下，音乐包含大量不同频率，很难定位问题。

因此：

音频行业常见测试信号包括：

• 正弦波（Sine）
• 白噪声（White Noise）
• 粉红噪声（Pink Noise）
• Sweep（扫频）

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七、C++生成16bit/8000Hz测试音

生成测试音其实非常简单。

核心代码如下：

#include <cmath>
#include <cstdint>
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

#ifndef M_PI
#define M_PI 3.14159265358979323846
#endif

const int SAMPLE_RATE = 8000;
const int BITS_PER_SAMPLE = 16;
const int CHANNELS = 1;
const int DURATION = 5;          // 秒
const double AMPLITUDE = 0.8;    // 最大幅值80%

#pragma pack(push, 1)
struct WavHeader
{
    char riff[4] = {'R','I','F','F'};
    uint32_t fileSize;
    char wave[4] = {'W','A','V','E'};

    char fmt[4] = {'f','m','t',' '};
    uint32_t fmtSize = 16;
    uint16_t audioFormat = 1;
    uint16_t numChannels = CHANNELS;
    uint32_t sampleRate = SAMPLE_RATE;
    uint32_t byteRate;
    uint16_t blockAlign;
    uint16_t bitsPerSample = BITS_PER_SAMPLE;

    char data[4] = {'d','a','t','a'};
    uint32_t dataSize;
};
#pragma pack(pop)

void GenerateToneWav(double frequency)
{
    std::string fileName =
        "tone_" + std::to_string((int)frequency) + "Hz.wav";

    std::ofstream file(fileName, std::ios::binary);

    if (!file)
    {
        std::cout << "创建失败：" << fileName << std::endl;
        return;
    }

    int totalSamples = SAMPLE_RATE * DURATION;
    int dataSize = totalSamples * CHANNELS * sizeof(int16_t);

    WavHeader header;
    header.dataSize = dataSize;
    header.byteRate = SAMPLE_RATE * CHANNELS * sizeof(int16_t);
    header.blockAlign = CHANNELS * sizeof(int16_t);
    header.fileSize = 36 + dataSize;

    file.write(reinterpret_cast<char*>(&header), sizeof(header));

    const double maxValue = 32767.0 * AMPLITUDE;

    for (int i = 0; i < totalSamples; ++i)
    {
        double sample =
            maxValue *
            sin(2.0 * M_PI * frequency * i / SAMPLE_RATE);

        int16_t pcm = static_cast<int16_t>(sample);

        file.write(reinterpret_cast<char*>(&pcm), sizeof(pcm));
    }

    file.close();

    std::cout << "生成：" << fileName << std::endl;
}

int main()
{
    std::vector<int> freqs =
    {
        50,
        100,
        200,
        400,
        1000,
        2000
    };

    for (auto f : freqs)
    {
        GenerateToneWav(f);
    }

    std::cout << "\n全部生成完成！" << std::endl;

    return 0;
}

然后按照WAV文件格式：

WAV Header
+
PCM数据

即可得到标准WAV文件。

最终生成：

tone_50Hz.wav
tone_100Hz.wav
tone_200Hz.wav
tone_400Hz.wav
tone_1000Hz.wav
tone_2000Hz.wav

参数统一为：

Mono
16bit
8000Hz
PCM
5秒

Windows、Linux以及各种音频播放器均可直接播放。

最直观的是通过Audacity软件来查看对比

可以看到50hz和400hz、1000hz一个正弦波的频率差异。Audacity下载地址：Audacity ® | Downloads

建议直接下载压缩包

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八、总结

在音频开发过程中，采样率 和声音频率是两个完全不同的概念：

• 采样率决定数字音频每秒包含多少采样点；
• 声音频率决定音调高低。

主管要求准备的50Hz～2000Hz测试音，本质上就是一组不同频率的纯正弦波（Pure Tone），主要用于验证声卡、功放以及整个音频输出链路在不同频段的工作情况。

实际测试中，发现50Hz在笔记本扬声器上几乎听不到，这是由于扬声器低频响应能力有限造成的，并不是音频文件生成错误。对于工业广播、专业音响或带低音单元的设备，这类低频测试音依然具有重要的测试价值。

通过编写一个简单的C++程序，即可自动生成满足 16位、8000Hz、单声道 要求的标准WAV测试文件，为后续的音频开发和调试提供便利。