Tag: was ist digitales Audio

Wie Ton codiert wird

Schall ist eine Welle, die sich häufiger in Luft, Wasser oder einem anderen Medium mit einer sich ständig ändernden Intensität und Frequenz ausbreitet.

Eine Person kann Schallwellen (Luftschwingungen) mit Hilfe des Hörens in Form von Schall wahrnehmen und dabei zwischen Lautstärke und Tonhöhe unterscheiden.

Je höher die Intensität der Schallwelle ist, desto lauter der Schall, desto höher die Frequenz der Welle, desto höher die Tonhöhe.

Wir haben zuvor ausführlicher über die menschliche Wahrnehmung von Geräuschen geschrieben. Sie können sie hier lesen.

Wie Audio codiert wird (digitale Codierung und Audioverarbeitung)
Abhängigkeit der Lautstärke sowie des Tons von der Intensität und Frequenz der Schallwelle.

Hertz (bezeichnet mit Hz oder Hz) ist eine Maßeinheit für die Frequenz periodischer Prozesse (z. B. Schwingungen).
1 Hz bedeutet eine Ausführung des Prozesses in einer Sekunde: 1 Hz = 1 / s.

Wenn wir 10 Hz haben, bedeutet dies, dass wir zehn Ausführungen dieses Prozesses in einer Sekunde haben.

Das menschliche Ohr kann Schall mit Frequenzen von 20 Schwingungen pro Sekunde (20 Hertz, leiser Schall) bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde (20 KHz, hoher Schall) wahrnehmen.

Darüber hinaus kann eine Person Schall in einem weiten Bereich von Intensitäten wahrnehmen, bei denen die maximale Intensität 1014-mal höher ist als die minimale (einhunderttausend Milliarden Mal).

Zur Messung der Schalllautstärke wurde eine spezielle Einheit von “Dezibel” (dB) erfunden und verwendet.

Eine Abnahme oder Zunahme der Schalllautstärke um 10 dB entspricht einer 10-fachen Abnahme oder Zunahme der Schallintensität.

Charakteristischer Klang Lautstärke gemessen in Dezibel
Untergrenze der Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs 0
Blatt flüstert zehn
Gespräch 60
Horn 90
Düsentriebwerk 120
Schmerzschwelle 140

Lautstärke in Dezibel

Audio-Sampling synchronisieren

Damit Computersysteme Ton verarbeiten können, muss ein kontinuierliches Audiosignal durch Zeitabtastung in eine diskrete digitale Form umgewandelt werden.

Dazu wird eine kontinuierliche Schallwelle in separate kleine Zeitabschnitte unterteilt, für jeden Abschnitt wird ein bestimmter Wert der Schallintensität eingestellt.

Daher wird die kontinuierliche Abhängigkeit der Lautstärke des Schalls zum Zeitpunkt A (t) durch eine diskrete Folge von Lautstärkepegeln ersetzt. In der Grafik scheint dies eine glatte Kurve durch eine Folge von “Schritten” zu ersetzen.

Wie Audio codiert wird (digitale Codierung und Audioverarbeitung)
Audio-Sampling synchronisieren

Ein an die Soundkarte angeschlossenes Mikrofon wird verwendet, um analoges Audio aufzunehmen und in ein digitales Format umzuwandeln.

Je dichter die einzelnen Streifen auf der Grafik sind, desto besser ist es, den Originalton endgültig wiederherzustellen.

Die resultierende digitale Klangqualität hängt von der Anzahl der Schallpegelmessungen pro Zeiteinheit ab, dh von der Abtastfrequenz.

Die Audio-Abtastrate ist die Anzahl der Audio-Lautstärkemessungen in einer Sekunde.

Je mehr Messungen in einer Sekunde durchgeführt werden (je höher die Abtastfrequenz), desto genauer wiederholt die “Leiter” des digitalen Audiosignals die Kurve des analogen Signals.

Jedem “Schritt” des Diagramms wird ein bestimmter Wert für die Lautstärke zugewiesen. Lautheitspegel können als eine Reihe möglicher N-Zustände (Abstufungen) betrachtet werden, für deren Codierung eine bestimmte Menge an I-Informationen erforderlich ist, die als Audiocodierungstiefe bezeichnet wird.

Die Audiocodierungstiefe ist die Informationsmenge, die zum Codieren der diskreten Lautstärkepegel von digitalem Audio erforderlich ist.

Bei bekannter Codierungstiefe kann die Anzahl der digitalen Audio-Lautstärkepegel nach der allgemeinen Formel N = 2 I berechnet werden.

Die Audiocodierungstiefe beträgt beispielsweise 16 Bit. In diesem Fall beträgt die Anzahl der Lautstärkepegel:

N = 2I = 2 16 = 65 536.

Während des Codierungsprozesses wird jedem Schallpegel ein eigener 16-Bit-Binärcode zugewiesen, der kleinste Schallpegel entspricht dem Code 0000000000000000 und der höchste – 1111111111111111.

Digitalisierte Audioqualität

Je höher die Abtastrate und die Tiefe der Audiokodierung sind, desto besser klingt der digitalisierte Ton und desto besser können Sie den digitalisierten Ton näher an den Originalton bringen.

Die niedrigste Qualität des digitalisierten Tons, die der Qualität der Telefonkommunikation entspricht, wird mit einer Abtastrate von 8000 Mal pro Sekunde, einer Abtastrate von 8 Bit und durch Aufzeichnen einer Audiospur (“Mono” -Modus) erhalten.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass zur Verbesserung dieses Klangs in der Telefonie Geräte verwendet werden, die Sprachsynthesizern und Sprachcodierern ähneln. Über Sprachcodierer auch dieser Artikel

Digitale Audiokodierung

Um Schallschwingungen in digitaler Form darzustellen, wird die Amplitude des Schallsignals zu jedem bestimmten Moment des Schalls gemessen.

Da die Wellenform des Schalls von Natur aus kontinuierlich ist, ist es für seine genaue digitale Anzeige erforderlich, die Amplitude unendlich oft pro Sekunde zu messen und die Amplitudenskala durch eine unendliche Anzahl von Abstufungen zu teilen. In der Realität liegt die Anzahl der Messungen pro Sekunde (Abtastrate) typischerweise zwischen 10.000 und 96.000. Derzeit sind die häufigsten Abtastraten 44100 Hz (der Standard für CD-Audio) und 48000 Hz (der Hauptstandard für CD-Audio). DAT). Die Anzahl der Amplitudenabstufungen (Auflösung) wird im Allgemeinen gleich 28, 216 oder 224 angenommen (abhängig von der Anzahl der für diese Informationen zugewiesenen Bits).

Natürlich ist eine Verzerrung beim Abtasten eines kontinuierlichen Signals unvermeidbar. Je niedriger die Abtastrate und / oder Auflösung ist, desto näher liegt die Ausgangswellenform am Rechteck. In diesem Fall treten Hochfrequenzverzerrungen auf, die teilweise durch am DAC-Ausgang installierte Filter unterdrückt werden.

Digitalisiertes Audio benötigt viel Speicher. Bei einer Standard-Abtastrate von 44100 Hz und einer Auflösung von 16 Bit würde das Audiomaterial (Stereo) für eine Minute 10.584.000 Byte (ungefähr 10,09 MB) betragen. Außerdem werden die Audiodateien von Standardarchivprogrammen (zip, arj usw.) sehr schlecht komprimiert. Daher gibt es spezielle Komprimierungsalgorithmen für sie. Beispielsweise benötigt eine mit ADPCM komprimierte WAV-Datei etwa viermal weniger Speicherplatz. Es kann jedoch zu Verzerrungen kommen. Daher ist es besser, bei der professionellen Arbeit keine Audiokomprimierungsalgorithmen zu verwenden.

Was ist digitales Audio?

Tatsächlich kann es verschiedene Arten von “digitalem Ton” geben, genauer gesagt die Arten seiner Darstellung auf einem Computer.

Der jetzt bekannte “digitalisierte Ton” ist ein Analogon eines Fotos, eine exakte digitale Kopie der von außen eingegebenen Töne. Dies kann eine Mikrofonaufnahme Ihrer Stimme, eine Kopie von Audiospuren von einer CD oder andere Quellen sein. Wie die Fotografie nimmt dieser Ton viel Platz ein … jedoch ist der Appetit auf Fotografie im Vergleich zum Ton einfach vernachlässigbar! Eine Minute digitales Audio mit höchster Qualität erfordert ungefähr 10 Megabyte. Es ist wahr, dass es spezielle Komprimierungsmethoden gibt, die die Lautstärke des Computer-Sounds um das Zehnfache reduzieren. Aber dazu später mehr.

Neben “digital” gibt es auch “synthetisierten” Sound – genauer gesagt Musik im MIDI-Format. Nun, Sie sind wahrscheinlich mit Synthesizern vertraut. Kurz gesagt, das Wesentliche der MIDI-Technologie lässt sich wie folgt zusammenfassen: Der Computer spielt die benötigte Melodie nicht nur ab, sondern synthetisiert sie mithilfe einer Soundkarte. MIDI-Melodien sind nur Befehlssysteme, die eine Soundkarte steuern, Notencodes, die “angezeigt” werden sollen (Anzeige von Instrumenten, Dauer und einigen anderen Parametern dieser Note). Diese Technologie ist ideal für Computerkomponisten, da Sie auf einfache Weise jeden Parameter der auf dem Computer erstellten Melodie ändern können: Ersetzen Sie Instrumente, fügen Sie sie hinzu oder entfernen Sie sie, ändern Sie das Tempo und sogar den Stil des Songs. Und Dateien mit MIDI-Musik sind klein, nur ein paar zehn Kilobyte. Aber MIDI hat auch Nachteile: Sie können keine Stimme in eine MIDI-Datei aufnehmen, und Musik klingt nur auf einer sehr hochwertigen Soundkarte gut. Übertragen Sie die von Ihnen erstellte Datei auf den Computer eines Nachbarn, der mit einer 10-Dollar-Karte ausgestattet ist, und Sie werden lange darüber nachdenken, wo der ganze Charme und die Schönheit der Melodie verflogen sind. Es ist wahr, dass MIDI relativ einfach in ein digitales Klangformat konvertiert werden kann; Eine umgekehrte Konvertierung ist auf dem gegenwärtigen Stand der Entwicklung der Computertechnologie leider nicht möglich.

Schließlich gibt es noch eine dritte Art von Sound, mit der Sie zu Hause arbeiten können: die “Tracker” – oder “Sampler” -Technologie, eine Art Liebe, die von digitalem und synthetisiertem Sound herrührt. Wenn Sie mit Programmen dieses Typs arbeiten, “bauen” Sie eine Musikkomposition aus kleinen “Stücken” digitalen oder synthetisierten Klangs auf, die regelmäßig wiederholt werden: Loops oder Samples. Nach diesem Prinzip entstehen Kompositionen im aktuellen populären Stil von “House”, “Trance”, “Techno” …

Kurz gesagt, alles einfache Tanz (um nicht zu sagen gröber, primitiv), rhythmische Musik. Diese Art von Musik, eine Mischung aus digitaler und synthetisierter Musik, wird als “Tracker” bezeichnet und hat ein begrenztes, aber loyales Publikum von Fans.