wie wav files kodiert sind, weiß ich nicht, ich habe ja nur mit Lautstärke-Schwankungen experimentiert.
Dass Werte von 0...255 ankommen wundert mich nicht, aber ich vermute, die sind gruppiert in int16-Blöcke (bei 16-bit-sampling), einmal rechter und einmal linker Kanal.

wenn du allerdings mit 8 bit sampelst, sind es sicher einzelne Bytes, nicht int16.

Bei ausschließlicher Verwendung von expliziten Datentypen hat man übrigens noch einen enormen Geschwindigkeitsvorteil
(int32_t ist auch hier beim Raspi schneller als int16_t).

sind nämlich sowohl wave als auch input vom selben Typ (switchen wir ruhig mal auf int32_t, das ist ja mit int auf ARMs meist identisch ...)
int32_t wave[FESTE_LAENGE], input[FESTE_LAENGE];

dann ist das hier nämlich -zigmal schneller als iterativ einzelne Zellen rüberzukopieren...:
memcpy(wave, input, sizeof(input) );