Month: October 2020

Grundbegriffe der digitalen Klangtheorie

Schall ist im Allgemeinen die Schwingung eines elastischen Mediums. Der Schall wird durch mechanische Vibrationen eines Objekts (dies kann eine Saite, Stimmbänder usw. sein) in Kontakt mit der Umgebung verursacht. Die Schwingungsfrequenz (gemessen in Hertz) bestimmt die Tonhöhe. Je höher die Frequenz, desto lauter der Klang. Das menschliche Ohr kann Schallschwingungen aus der Luft mit einer Frequenz von 20 Hz bis 20 kHz wahrnehmen. Das Ohr nimmt die Amplitude der Schwingung als Volumen wahr. Je höher die Amplitude, desto lauter der Klang.

Elektromagnetische Wellen sind ein direktes Analogon von Schallwellen. Letztere sind weniger anfällig für die Verbreitung durch die Umwelt, die Informationen, die sie enthalten, sind einfacher zu speichern und zu verarbeiten. Elektromagnetische Wellen sind der wichtigste sekundäre Schallträger. Die Umwandlung von Schallwellen in elektromagnetische Wellen (sowie der umgekehrte Betrieb) erfolgt aufgrund des üblichen Induktionseffekts, der darin besteht, dass ein Strom in einem Leiter auftritt, wenn er in ein magnetisches Wechselfeld gebracht wird.

Einfach ausgedrückt, induziert die Schwingung des Lautsprechermembranmagneten in der Nähe der Spule einen Wechselstrom. Wenn dieser Strom an einen anderen Lautsprecher angelegt wird, bewegt sich der Magnet auf seiner Membran und erzeugt einen entsprechenden Klang.

So funktionieren Telefon und Radio.

In elektromagnetische Wellenform umgewandelter Schall kann leicht gespeichert werden. Dazu muss ein Parameter des Trägers (die Tiefe der Plattenspur oder der Magnetisierungsgrad des Films) mit der Amplitude der Schwingungen (dh der Stärke des induzierten Stroms in der Lautsprecherspule) verglichen werden. . Schall, der direkt in elektromagnetische Wellen umgewandelt wird, wird als analoger Schall bezeichnet. Sein Hauptmerkmal ist die direkte Entsprechung der übertragenen oder aufgezeichneten elektromagnetischen Wellen mit den akustischen.

Digitaler Sound ist relativ neu. Der Hauptunterschied zum Analogon liegt in der Diskretion. Beim Digitalisieren misst ein spezielles Gerät, ein Analog-Digital-Wandler (ADC), in regelmäßigen Abständen (ca. 0,001 bis 0,0001 Sekunden) die Größe der Amplitude einer elektromagnetischen Welle, die einer analogen Klangform entspricht, und schreibt ihren Wert zu einer Datei mit einer bestimmten Genauigkeit. Dieser Wert wird im Allgemeinen als Stichprobe oder im Jargon als Stichprobe (der Stichprobe in Englisch als Stichprobe) bezeichnet. Die gleiche Digitalisierung wird oft als Abtastung oder Abtastung bezeichnet.

Durch Konvertieren von Ton von digital in analog (dies erfolgt durch ein Gerät, das als Digital-Analog-Wandler (DAC) bezeichnet wird).

Die Interpolation (Approximation) der Zwischenwerte der Amplitude erfolgt nach den bekannten. Da die Abtastfrequenz normalerweise hoch ist, können Sie mit dieser Operation das ursprüngliche analoge Signal ziemlich genau rekonstruieren.

Die digitale Klangform zeichnet sich durch fünf Parameter aus.

1. die Abtastrate;
2. Bitgröße der Samples.
3. Die Anzahl der Kanäle oder Spuren.
4. Komprimierungs- / Dekomprimierungsalgorithmus (Codec).
5. Speicherformat.

Da jeder dieser Parameter sehr spezifisch ist, werden wir sie separat betrachten.

Abtastrate
Die Abtastrate bestimmt, wie viele Abtastungen pro Sekunde beim Digitalisieren entnommen werden. Wenn wir digitalen Ton mit digitalen Bildern vergleichen, entspricht die Abtastrate der Auflösung (eine “realistischere” Analogie ist die Bildrate im Kino). Je höher die Abtastfrequenz ist, desto besser ist es möglich, das analoge Signal basierend auf der digitalen Form des Klangs zu rekonstruieren (genauer gesagt, je höher die Abtastfrequenz, desto breiter ist das Frequenzspektrum, das während der Digitalisierung aufgezeichnet werden kann).
Das berühmte Nyquist-Kotelnikov-Theorem besagt, dass für die korrekte Rekonstruktion eines analogen Signals aus seiner digitalen Aufzeichnung die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein muss wie die maximale Schallfrequenz.

Da die obere Hörgrenze 20 kHz beträgt, sollte die Abtastrate idealerweise mindestens 40 kHz betragen. Aus diesem Grund beträgt die Standard-Abtastfrequenz für die Aufnahme von CDs 44,1 kHz (sogenannte CD-Qualität). Die Samplerate kann zwar höher sein, diese Klangqualität wird jedoch nur von Aufnahmestudios und besonders anspruchsvollen Musikliebhabern verwendet.

Eine Abtastrate von 44,1 kHz ist nicht immer ideal. Bei der Übertragung von Daten über ein Netzwerk mit geringer Bandbreite muss die Klangqualität zugunsten der Größe geopfert werden. In der Praxis werden häufig Abtastfrequenzen verwendet, die zwei-, vier- und achtmal niedriger als 44,1 kHz sind.

Soundinformationen auf dem Computer

Schall ist ein kontinuierliches Signal, eine Schallwelle mit variabler Amplitude und Frequenz.

Je größer die Amplitude des Signals ist, desto stärker ist es für eine Person.

Je höher die Frequenz des Signals ist, desto höher ist die Tonhöhe.

Die Frequenz einer Schallwelle wird als Anzahl von Schwingungen pro Sekunde ausgedrückt und in Hertz (Hz, Hz) gemessen.

Das menschliche Ohr kann Geräusche im Bereich von Hz bis 20 kHz wahrnehmen, was als Schall .2020 bezeichnet wird
Die Anzahl der Bits pro Audiosignal wird als Audiocodierungstiefe bezeichnet.
Moderne Soundkarten bieten eine 16-, 32- oder 64-Bit-Audiocodierungstiefe. 163264

Beim Codieren von Audioinformationen wird ein kontinuierliches Signal durch ein diskretes ersetzt, dh es wird in eine Folge von elektrischen Impulsen (binäre Nullen und Einsen) umgewandelt.
Der Prozess der Umwandlung von Audiosignalen von einer kontinuierlichen Darstellungsform in eine diskrete digitale Form wird als Digitalisierung bezeichnet.
Ein wichtiges Merkmal beim Codieren von Audio ist die Abtastrate, die Anzahl der Signalpegelmessungen in Sekunden: 1
– (eine) Messung pro Sekunde entspricht einer Frequenz von Hz; 11
– Messungen pro Sekunde entsprechen einer Frequenz von kHz. 10001
Die Audio-Abtastrate ist die Anzahl der Audio-Lautstärkemessungen in einer Sekunde.
Die Anzahl der Messungen kann im Bereich von kHz bis kHz liegen (von der Funkübertragungsfrequenz bis zur Frequenz, die der Klangqualität von Musikmedien entspricht) .848

Je höher die Abtastfrequenz und -tiefe des Klangs ist, desto besser ist der Klang des digitalisierten Klangs. Die niedrigste Qualität des digitalisierten Tons, die der Qualität der Telefonkommunikation entspricht, wird mit einer Abtastrate von Zeiten pro Sekunde, einer Abtastrate von Bits und durch Aufzeichnen einer Audiospur (“Mono” -Modus) erhalten. Das digitalisierte Audio mit der höchsten Qualität, das der Qualität einer Audio-CD entspricht, wird mit einer Abtastrate von Zeiten pro Sekunde, einer Abtastrate von Bits und der Aufnahme von zwei Audiospuren (Stereomodus) erreicht .8000 848 000 16
Es ist zu beachten, dass das Informationsvolumen in der Audiodatei umso größer ist, je höher die Qualität des digitalen Klangs ist.
Das Informationsvolumen in einer Mono-Audiodatei () kann wie folgt geschätzt werden: VV = N⋅ f⋅ k, wobei die Gesamtdauer des Tons (Sekunden) die Abtastfrequenz (Hz) ist, ist die Codierungstiefe (Bit) .norteFk

Zum Beispiel mit einer Klangdauer von einer Minute und einer mittleren Klangqualität (Bits, kHz): 11624
V = 60 ≤ 24000 ≤ 16 Bit = 23040000 Bit = 2.880.000 Bytes = 2812,5 kB = 2,75 MB.

Bei der Codierung von Stereoton wird der Abtastvorgang für den linken und den rechten Kanal getrennt und unabhängig voneinander ausgeführt, wodurch sich die Größe der Audiodatei im Vergleich zu Monoton verdoppelt.

Lassen Sie uns beispielsweise das Informationsvolumen einer digitalen Stereo-Sounddatei mit einer Dauer von einer Sekunde und einer durchschnittlichen Klangqualität (Bits, Messungen pro Sekunde) schätzen. Für diese Codierung muss die Tiefe mit der Anzahl der Messungen pro Sekunde multipliziert und mit (Stereo) multipliziert werden: 11624 00012
V = 16 Bit ⋅ 24000⋅2 = 768000 Bit = 96000 Bytes = 93,75 KB.

Es gibt verschiedene Methoden zum Codieren von Audioinformationen mit Binärcode, wobei zwei Hauptbereiche unterschieden werden können: die FM-Methode und die Wave-Table-Methode.

Das FM-Verfahren (Frequency Modulation) basiert auf der Tatsache, dass theoretisch jeder komplexe Klang in eine Folge der einfachsten harmonischen Signale unterschiedlicher Frequenzen zerlegt werden kann, von denen jedes eine reguläre Sinuskurve ist und daher Es kann durch einen Code beschrieben werden. Die Zerlegung von Audiosignalen in harmonische Reihen und die Darstellung in Form von diskreten digitalen Signalen erfolgt durch spezielle Geräte – Analog-Digital-Wandler (ADC).

Umwandlung eines Audiosignals in ein diskretes Signal: zu – Audiosignal am ADC-Eingang; b – diskretes Signal am ADC-Ausgang.

Digital-Analog-Wandler (DACs) führen eine Rückwärtskonvertierung durch, um mit einem numerischen Code codierten Ton wiederzugeben. Der Tonumwandlungsprozess ist in Abb. Unten dargestellt. Diese Codierungsmethode bietet keine gute Klangqualität, aber kompakten Code.

Umwandlung eines diskreten Signals in ein Audiosignal: zu – diskretes Signal am DAC-Eingang; b – Audiosignal am DAC-Ausgang.

Die Tischwellenmethode (die Welle, die Tabelle) basiert auf der Tatsache, dass die zuvor vorbereiteten Tabellen Klangbeispiele aus der Welt, Musikinstrumente usw. speichern.