Wat is digitale audio?

In feite kunnen er verschillende soorten “digitaal geluid” zijn, meer bepaald de soorten weergave op een computer.

Het nu bekende “gedigitaliseerde geluid” is een analoog van een foto, een exacte digitale kopie van geluiden die van buitenaf worden ingevoerd. Het kan een microfoonopname van uw stem zijn, een kopie van audiotracks van een cd of andere bronnen. Net als fotografie neemt dit geluid veel ruimte in beslag … maar de honger naar fotografie in vergelijking met geluid is simpelweg verwaarloosbaar! Voor één minuut digitale audio opgenomen met de hoogste kwaliteit is ongeveer 10 megabyte nodig. Het is waar dat er speciale compressiemethoden zijn die het volume van computergeluid tien keer verminderen. Maar daarover later meer.

Naast “digitaal” is er ook “synthesized” geluid – om precies te zijn, muziek in MIDI-formaat. Nou, je bent waarschijnlijk bekend met synthesizers. In het kort kan de essentie van MIDI-technologie als volgt worden samengevat: de computer speelt niet alleen de melodie die je nodig hebt, maar synthetiseert deze met behulp van een geluidskaart. MIDI-melodieën zijn slechts commandosystemen die een geluidskaart besturen, nootcodes die deze moet “weergeven” (geeft instrumenten, duur en enkele andere parameters van deze noot aan). Deze technologie is ideaal voor computercomponisten, omdat u hiermee eenvoudig elke parameter van de melodie die op de computer is gemaakt, kunt wijzigen: instrumenten vervangen, toevoegen of verwijderen, het tempo en zelfs de stijl van de song wijzigen. En bestanden met MIDI-muziek zijn klein, slechts enkele tientallen kilobytes. Maar MIDI heeft ook nadelen: je kunt geen stem opnemen in een MIDI-bestand en muziek klinkt alleen goed op een geluidskaart van zeer hoge kwaliteit. Breng het bestand dat je hebt gemaakt over naar de computer van een buur die is uitgerust met een kaart van $ 10, en je zult lang nadenken waar alle charme en schoonheid van de melodie is verdwenen. Het is waar dat MIDI relatief gemakkelijk kan worden geconverteerd naar een digitaal geluidsformaat; omgekeerde conversie is helaas onmogelijk op het huidige niveau van de ontwikkeling van computertechnologie.

Ten slotte is er nog een derde type geluid waarmee je thuis kunt werken: “tracker” of “sampler” -technologie, een soort liefde die voortkomt uit digitaal en gesynthetiseerd geluid. Als u met dit soort programma’s werkt, zult u een muzikale compositie “bouwen” uit kleine “stukjes” digitaal of gesynthetiseerd geluid die periodiek worden herhaald: loops of samples. Op dit principe worden composities gemaakt in de huidige populaire stijl van “house”, “trance”, “techno” …

Kortom, allemaal simpele dans (om niet te zeggen grover, primitief), ritmische muziek. Dit soort muziek, een kruising tussen digitaal en gesynthetiseerd, wordt “tracker” genoemd en heeft een beperkt maar loyaal publiek van fans.

Wat is digitale audio?

Tegenwoordig horen we overal: digitaal geluid van hoge kwaliteit, digitale fotografie, digitale video.

Wat betekent dit modewoord: digitaal? De sleutel ligt in moderne methoden voor het opnemen, verwerken en opslaan van een grote verscheidenheid aan informatie, die gelijktijdig met de komst van pc’s verscheen. De eerste pc’s waren alleen ontworpen voor nederzettingen, maar ontdekten later dat ze kunnen werken met teksten, afbeeldingen, geluiden en video’s. U hoeft alleen maar alles in de computertaal te vertalen.

Laten we eens kijken hoe u geluid kunt opnemen en afspelen met een pc. Eerst worden de geluidstrillingen met behulp van een microfoon omgezet naar een wisselspanning. Deze spanning wordt ingevoerd in de ingang van een speciaal computerapparaat – een geluidskaart. De computer kan geen spanning registreren. Zoals elk elektronisch apparaat, kan het alleen de spanningswaarde van twee niveaus registreren: “er is spanning” (we zouden een logische eenheid moeten zeggen) of “er is geen spanning” – logische nul.

De pc neemt getallen, letters, woorden of formules op in de vorm van combinaties van logische nullen en enen. Het is duidelijk dat het vastleggen van een grote hoeveelheid informatie veel geheugencellen vereist, omdat er maar één binair getal in een cel kan worden geschreven: 1 of 0. Om een ​​cijfer of letter te schrijven zijn 8 geheugencellen nodig. Het cijfer 3 wordt geschreven als 00000011, het cijfer 5 is 00000101, de letter k is 01101001 en dergelijke.

Hoe geluid opnemen?
Bedieningspaneel voor pc-audioverwerkingsapparaat Heel eenvoudig! De wisselspanning die de geluidskaart bereikt, ontvangt meerdere metingen, waarvan de resultaten zorgvuldig door de pc in het geheugen worden vastgelegd. De computer meet de spanning ongeveer 44.000 keer per seconde op een bepaald moment en slaat de waarde op in het geheugen. Dit is vergelijkbaar met hoe studenten een weerkalender bijhouden: elke dag, op hetzelfde tijdstip, registreren ze de metingen van een thermometer, een barometer. De pc registreert ook spanningswaarden, maar doet dit veel vaker. Hoe hou je het vol? Gemakkelijk! Moderne computers kunnen meer dan een miljard eenvoudige bewerkingen per seconde uitvoeren, dus de 44 of zelfs 98.000 metingen die nodig zijn om hoogwaardige audio op te nemen, zijn geen probleem voor een computer. Tegelijkertijd moet de pc veel werk verzetten: tekenen op het scherm, de meetresultaten naar schijf schrijven, in de gaten houden welke toets je hebt ingedrukt, waar de muis bewoog, nieuwe spanningswaarden gemeten, etc. Ondanks dat een spanningsmeting uit enkele tientallen eenvoudige bewerkingen bestaat, is de snelheid van moderne processoren daarvoor voldoende.

Er is een grote hoeveelheid geheugen nodig om digitale audio op te slaan. Een seconde geluid neemt evenveel ruimte in als 88.000 letters! Zo wordt geluid opgenomen: spanningsmetingen worden op een grote cd vastgelegd. Vergelijken: u kunt in tekstformaat een kleine bibliotheek van 4 tot 5 duizend boeken opnemen voor honderden pagina’s of … 76 minuten muziek van hoge kwaliteit.

Moderne computers hebben geleerd om te “bedriegen”. Ze nemen zeer zachte geluiden op met minder precisie, het oor zal ze nog niet duidelijk horen. Geluiden die als harde geluiden worden gemaskeerd, worden ook minder nauwkeurig gedigitaliseerd. Waarom gedetailleerd vastleggen hoe soepel de viool klinkt als de trommel hard wordt aangeslagen? Daarom kan de hoeveelheid geheugen die door geluiden wordt ingenomen, tien keer worden verminderd. Dit (en niet alleen dit) wordt gedaan in de populaire mp3-computeraudioformaten, die veel voorkomen op internet, en in draagbare mp3-spelers, en Atrac, dat wordt gebruikt in minidisc-spelers.

Hoe speel ik het geluid af?
Hoe wordt digitaal geluid nagebootst? Nog gemakkelijker dan het typen! In wiskundelessen moest je waarschijnlijk een functie in punten uitzetten, en in natuurkundig laboratoriumwerk moest je een grafiek tekenen op basis van metingen. Tijdens het afspelen leest de pc te allen tijde de spanningswaarde uit het geheugen en hervat met behulp van een geluidskaart bijna dezelfde wisselspanning die werd gedigitaliseerd.

Deze methoden voor het opnemen en weergeven van geluid worden niet alleen door computers gebruikt, maar ook door verschillende cd-, md- en mp3-spelers, die in feite ook microcomputers zijn, zij het zonder de gebruikelijke toetsenborden, muizen en monitoren.

Het is niet alleen handig om digitaal geluid op te nemen en op te slaan, maar ook om het op afstand te verzenden. Het gemak zit hem in het besparen van zendtijd en batterijduur. Tijdens een gesprek op een mobiele telefoon wordt de stem omgezet in digitale vorm en onthouden. Wanneer bijvoorbeeld 1/5 seconde geluid is verzameld, wordt de zender van de telefoon ingeschakeld en wordt het geluid gedurende 1/100 seconde uitgezonden.

Grondbeginselen van digitale audio

Digitale audio is gebaseerd op de wiskundige weergave van de geluidsgolf.

De digitale wereld evolueert zeer snel en het is geen wonder dat veel mensen digitale technologie complex vinden. Het doel van dit artikel is om uit te leggen wat digitale audio is zonder in te gaan op ingewikkelde wiskundige details. Om te begrijpen wat digitaal geluid is, moet u eerst begrijpen dat er geen geluiden in een computer zitten en dat er maar één wiskunde is.

Wat is geluid
Geluid is de trilling van moleculen. Wiskundig gezien kan geluid nauwkeurig worden omschreven als een “golf”. Het heeft een maximale piekwaarde (golfbult) en een minimale waarde (afbuiging). Als je ooit een grafische weergave van een geluidsgolf hebt gezien, zul je merken dat geluid altijd wordt vertegenwoordigd door een curve die constant de X-as kruist. Dit betekent dat de aard van geluid “periodiek” is. Elk geluid heeft een kruin en afbuiging, een positieve en een negatieve periode. Dit wordt een lus genoemd. Het basisconcept is dus dat alle geluiden minstens één cyclus hebben.

Het volgende belangrijke idee is dat elke periodieke functie wiskundig kan worden weergegeven als een reeks sinusoïden. Met andere woorden, zelfs het meest complexe geluid is slechts een verzameling sinusgolven. Een stem kan constant zijn volume en toonhoogte veranderen, maar elke keer dat hij klinkt, is de stem slechts een reeks sinusgolven.

En tenslotte ten derde: mensen horen geen geluiden met een frequentie hoger dan 22 kHz. Daarom is het niet nodig om alles boven 22 kHz op te nemen.

Dus nogmaals, de basisprincipes van geluid zijn als volgt:

Geluidsgolven zijn periodiek en kunnen daarom worden omschreven als een verzameling sinusgolven.
We zijn niet geïnteresseerd in golven met een frequentie hoger dan 22 kHz, omdat we ze fysiek niet kunnen horen.
Analoge naar digitale overgang
Laten we zeggen dat ik in een microfoon spreek. De microfoon verandert mijn stem in een continue elektrische stroom. Deze elektrische stroom gaat door een draad door een of andere versterker en komt uiteindelijk in een analoog-digitaalomzetter (ADC). Onthoud dat de computer geen geluiden opslaat, maar wiskundige waarden, dus we hebben iets nodig dat de analoge stroom omzet in een reeks enen en nullen. Dit is wat de ADC doet. In eenvoudige bewoordingen maakt de converter snelle snapshots van de geluidsgolf, samples genoemd, en wijst aan elke sample een amplitudewaarde toe. En hier komen we bij twee basisconcepten die de aard van digitaal geluid helpen verklaren. Deze concepten zijn tijd en breedte.

Correcte bitheid
Correcte bitheid
In de digitale wereld is niets continu, alles heeft een zekere wiskundige betekenis. In de analoge wereld zal de geluidsgolf zijn piek bereiken en zullen alle waarden van 0 dB tot de piek bestaan. En in een digitaal signaal is er een beperkt aantal mogelijke amplitudewaarden. Beschouw analoge audio als iemand die voorzichtig een roltrap oploopt, terwijl digitale audio iemand is die een trap oploopt en zich na verloop van tijd op de ene of de andere sport bevindt. Of laten we zeggen dat er waarden 50 en 51 zijn. Dus in analoog geluid kan er een tussenliggende waarde van 50,46 zijn, maar in digitaal geluid wordt deze waarde afgerond op 50. Dit betekent dat de geluidsgolf in feite vervormd wordt tijdens het passeren de ADC … En aangezien het analoge signaal continu is, vindt deze afronding van waarden constant plaats tijdens het conversieproces. Dit wordt een kwantisatiefout genoemd en het klinkt als een vreemd geluid. Maar stel je een ladder voor met meer treden die minder hoog zijn. Nu hebben we de waarden 50, gevolgd door 50,2, gevolgd door 50,4 en dan 50,6, enz. Een analoog signaal met een amplitudewaarde van 50,46 wordt nu afgerond op 50,4 in plaats van 50. Dit is een grote verbetering die kwantiseringsfouten niet volledig elimineert, maar hun impact aanzienlijk verkleint. Een toename van de bitheid is in wezen een toename van het aantal treden op een trap met een afname van hun hoogte. Als de kwantiseringsfout afneemt, neemt het ruisniveau af. Nu hebben we de waarden 50, gevolgd door 50,2, gevolgd door 50,4 en dan 50,6, enz. Een analoog signaal met een amplitudewaarde van 50,46 wordt nu afgerond op 50,4 in plaats van 50. Dit is een grote verbetering die kwantiseringsfouten niet volledig elimineert, maar hun impact aanzienlijk verkleint. Een toename van de bitheid is in wezen een toename van het aantal treden op een trap met een afname van hun hoogte. Als de kwantiseringsfout afneemt, neemt het ruisniveau af.