Grundbegriffe der digitalen Klangtheorie


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Grundbegriffe der digitalen Klangtheorie

Sample Rate

Schall ist im Allgemeinen die Schwingung eines elastischen Mediums.

sample rate

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 Wellen 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.


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Was ist die Abtastrate und das Birat?

Was ist die Abtastrate und das Birat?

Sample Rate

Die Frequenz ist definiert als die Anzahl der periodischen Bewegungszyklen pro Zeiteinheit. Die SI-Einheit der Frequenz heißt Hertz (Hz, nach ihrem Erfinder Heinrich Hertz). Ein Hertz entspricht einem Zyklus (oder einer vollständigen Schwingung) pro Sekunde.

Sample Rate

Beispiel. Schallwellen haben eine Frequenz im Bereich von ungefähr 20 bis 20.000 Hz. Dies bedeutet, dass an jedem Punkt entlang des Weges der Schallwelle der Druck 20 bis 20.000 Mal pro Sekunde von hoch nach niedrig schwankt.

Bei digitalem Audio beträgt die maximale Frequenz, die erfolgreich wiederhergestellt werden kann, die Hälfte der Abtastrate. Daher können mit einer Abtastrate von 44,1 kHz Frequenzen bis zu 22,05 kHz wiederhergestellt werden. Die Wellenfrequenz bezieht sich darauf, wie oft sich eine Welle pro Sekunde von ihrem höchsten Punkt zu ihrem niedrigsten Punkt und umgekehrt bewegt. Sie wird normalerweise in Hertz (Hz) oder Zyklen pro Sekunde gemessen. Die Frequenz der Welle bestimmt ihre Höhe. Hochfrequenzwellen haben eine hohe Tonhöhe, während niedrigere Frequenzen eine niedrigere Tonhöhe haben. Die durchschnittliche Person kann Frequenzen von 15 oder 20 Hz bis etwa 20.000 Hz (20 kHz) hören.

Analoge Welle Die Wellenamplitude bezieht sich auf den halben Abstand zwischen dem höchsten Punkt der Welle und dem niedrigsten Punkt. Je größer die Amplitude der Welle ist, desto größer ist ihr Volumen, das im Allgemeinen in Dezibel (dB) gemessen wird. Der Dezibelbereich für das menschliche Gehör ist komplex und hängt von der Frequenz des betreffenden Geräusches, dem Alter der Person und der Hörumgebung ab, variiert jedoch zwischen ungefähr 0 und 120 dB, wobei jede Änderung von 10 dB einer Verdoppelung der Lautstärke entspricht wahrgenommenes Volumen.

Absoluter Schwellenwert: ATH ist der Lautstärkepegel, bei dem ein bestimmter Ton in 50% der Fälle erkannt werden kann.

Was ist die Bitrate?

Die Bitrate bezieht sich auf die Datenübertragungsrate (dh wie viele Bits in einer bestimmten Zeit übertragen werden), die im Allgemeinen in Bits pro Sekunde ausgedrückt wird. Übliche Bitrateneinheiten sind Kilobit pro Sekunde (Kbps) und Megabit pro Sekunde (Mbps). Der Begriff wird auch häufig verwendet, wenn es um digitale Abtastung und Abtastraten geht. Beispielsweise ist der MP3-Audiokomprimierungsalgorithmus häufig so konfiguriert, dass Dateien mit einer Bitrate von 128 kbit / s ausgegeben werden. Dies bedeutet, dass die Datei durchschnittlich 128 Kilobit pro Audiosekunde enthält (960 KB pro Minute). Dies steht im Gegensatz zu CD-Audio, das als 44.100 16-Bit-Stereo-Samples pro Sekunde codiert ist: 1411,2 kbps (16-Bit x 44100 Hz x 2ch).

Oft werden Bytes in Großbuchstaben geschrieben und sind Multiplikatoren (zum Beispiel “KB” für Kilobyte) und Kleinbuchstaben sind Bits (zum Beispiel “kb” für Kilobyte). Alle modernen Computer verwenden 8-Bit-Bytes.

MP3-Bitrate
Die MP3-Bitrate kann irreführend sein. Beispielsweise verwendet eine “konstante MP3-Bitrate” (CBR) von 128 kbit / s ungefähr 128 Kilobit für jede Sekunde codierten Audios (die Dateigröße in Bit geteilt durch die Länge des Audios beträgt also ungefähr 128.000) Ihre Frame-Header werden in regelmäßigen Abständen angezeigt. Intern können Sie jedoch Frame für Frame Audio mit Bitraten von mehr oder weniger als 128 kbit / s mithilfe eines Bitpools codieren (die Fähigkeit eines Frames, Ersatzbits von a zu verwenden vorheriger Block). Die Größe dieses Buckets und damit die Variabilität ist jedoch begrenzt, sodass 128 kbit / s der effektiven Bitrate in der gesamten Datei sehr nahe kommen.

Siehe auch: 8D-Surround-Sound und wie es geht
Als weiteres Beispiel ist “128 kbps VBR MP3” oft falsch, da der Zweck von VBR darin besteht, jedem der internen MP3-Sektoren eine eigene Bitrate zu ermöglichen. Wenn sich Personen auf die VBR-MP3-Bitrate beziehen, beziehen sie sich im Allgemeinen auf die tatsächliche durchschnittliche Bitrate ihrer Frames. Wenn die Länge des codierten Audios bekannt ist, kann die “Bitrate” die Datengröße der Datei geteilt durch ihre Dauer sein, die ziemlich nahe an derselben Zahl liegt. Die Länge eines MP3-VBR kann jedoch nicht genau bestimmt werden, ohne alle Frames zu scannen.

Abtastfrequenz.

Abtastfrequenz.

Sample Rate

Welche Bedeutung hat es für die Tonaufnahme?

Sample Rate

Zeitabtastung ist ein Prozess, der in direktem Zusammenhang mit der Umwandlung eines analogen in ein digitales Signal steht. Gleichzeitig werden die Daten in ihrer Amplitude quantisiert. Zeitabtastung bedeutet, ein Signal zum Zeitpunkt seiner gesamten Übertragung zu messen.

Eine Probe wird als Einheit entnommen. Wenn dies in Worten nicht ganz klar ist, dann scheint es in einem Beispiel überzeugender zu sein. Angenommen, die Abtastrate beträgt 44100 Hz, genau wie bei Audio-CDs.

Dies bedeutet, dass das Signal in einer Sekunde 44100 Mal gemessen wird.

Ein analoges Signal hat immer eine höhere Sättigung als ein digitales. Und seine Umwandlung ist ein unvermeidlicher Qualitätsverlust.

Die Abtastrate dient als eine Art Benchmark: Je höher sie ist, desto näher kommt die digitale Klangqualität der analogen. Dies ist in der folgenden Liste deutlich sichtbar. Zeigt an, welche Schallfrequenz am besten ist.

Während Sie es studieren, werden Sie einen direkten Zusammenhang zwischen Sampling und Track-Qualität feststellen:

1.8000 Hz. Diese Frequenz ist typisch für Telefongespräche und Sprachaufzeichnungen auf einem Diktiergerät mit einfachen Funktionen. Es wird in Audio verwendet, das über den Nellymoser-Codec konvertiert wurde.
2. 22050 Hz werden im Rundfunk verwendet.
3,44100 Hz. Wie oben erwähnt, ist diese Frequenz typisch für Audio-CDs, und diese Zahl ist seit langem mit der höchsten Qualitätsstufe gekennzeichnet. Und heute verliert das Format nicht seine Position.
4.48000 Hz. Dies sind die DAT- und DVD-Formate, die AUDIO ersetzt haben.
5.16000 – DVD-Audio MLP-5.1.
6.2822 400 Hz ist ein High-Tech-Super-Audio-SACD-Format.
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Die Liste zeigt deutlich, welche Schallfrequenz die beste ist. Darüber hinaus hören Technologien nicht auf und es erscheinen neue Formate.

Bevor jedoch weitreichende Pläne gemacht werden, muss eine sehr wichtige Nuance berücksichtigt werden.

Sein Wesen ist einfach: Je höher die Abtastfrequenz, desto schwieriger ist es, sie technologisch zu erreichen. Dafür braucht man:

Bereitstellung einer hochintensiven Übertragung digitaler Streams. Und das ist nicht an allen Schnittstellen möglich. Und je mehr Kanäle an der Aufnahme beteiligt sind (was typisch für Musikensembles ist), desto komplizierter wird der Prozess.
mit einem Prozessor ausgestattet sein, der leistungsfähige Rechenoperationen ausführen kann. Aber selbst bei den fortschrittlichsten Beispielen sind die Möglichkeiten für ultrahohe Klangqualität begrenzt.
Verwenden Sie diese Option, um Computergeräte mit viel RAM aufzuzeichnen.
Angesichts der obigen Informationen ist es nicht verwunderlich, dass die Schallfrequenz von 44100 Hz auch heute noch am gefragtesten ist.

Es erfüllt seit Jahrzehnten selbst die anspruchsvollsten Qualitätsanforderungen und bietet gleichzeitig alle technischen Möglichkeiten, dies zu erreichen. Dieser letzte Faktor ist sowohl für normale Benutzer als auch für die meisten Aufnahmestudios entscheidend.

Selbst wenn man die beste Schallfrequenz kennt, muss man sich um die technische Ausrüstung kümmern, um dies zu erreichen.