Digitale Audio

Oktober 2017

Wat is geluid?

Geluid ontstaat door trillingen in de lucht; een reeks van stijgingen en dalingen in de luchtdruk, afwijkend van de gemiddelde atmosferische druk. Om dit te bewijzen, zou je een luid voorwerp (zoals een wekker) in een vacuüm ruimte kunnen plaatsen en merken dat het geen geluid meer maakt als het niet omringd wordt door lucht.

De simpelste manier om een geluid te creëren, is door een voorwerp te laten trillen. Zo maakt een viool geluid, zodra de stok de snaren laat trillen en een piano wanneer een toets wordt aangeslagen, omdat een hamer een snaar aanslaat en deze laat trillen.

Luidsprekers worden vaak gebruikt om deze geluiden te reproduceren. Ze zijn een membraan verbonden met een elektromagneet; wanneer elektrische stroom zeer snel voor en achter de magneet langs beweegt, veroorzaakt dit trillingen in de lucht die in ons gehoor als geluid worden waargenomen:


Dit is hoe geluidsgolven worden geproduceerd; ze kunnen worden weergegeven in een grafiek als veranderingen in luchtdruk (of in de hoogte van de voltage van de magneet):



Dit soort grafische afbeeldingen van geluid noemen we amplitudemodulatie (AM); modulatie van de amplitude van een geluid na verloop van tijd. Een sonogram, daarentegen, toont frequenties als een functie van de tijd. Een sonogram laat de grondfrequentie zien, waar bovenop hogere frequenties, harmonischen genaamd, gesuperponeerd worden:


Hierdoor kunnen wij onderscheid maken tussen verschillende geluidsbronnen: lage noten hebben lage frequenties, terwijl hoge noten hogere frequenties hebben.

Bemonstering

Om geluid op een computer te kunnen laten afspelen, moet deze eerst worden omgezet in een digitaal formaat, aangezien het de enige soort is waar computers mee kunnen werken. Een computerprogramma wisselt kleine geluidsmonsters af (waarvan de hoeveelheid verschilt in druk) op specifieke tijdsintervallen. Dit wordt bemonstering genoemd of het digitaliseren van geluid. De hoeveelheid tijd tussen twee geluidsmonsters noemen we de bemonsteringsfrequentie. Aangezien het reproduceren van audio constant geluid doorgeeft aan het oor en ten minste iedere paar 100,000ths van een seconde monsters nodig heeft, is het praktischer om uit te gaan van het aantal monsters per seconde, weergegeven in Hertz (Hz). Hier zijn een aantal voorbeelden van veelvoorkomende bemonsteringsfrequenties en met welke geluidskwaliteit zij overeenkomen:

BemonsteringsfrequentieGeluidskwaliteit
44,100 HzCd-kwaliteit
22,000 HzRadio-kwaliteit
8,000 HzTelefoon-kwaliteit

De bemonsteringsfrequentie van een audio-cd is bijvoorbeeld niet willekeurig. Sterker nog, het komt voort uit de theorema van Shannon. De bemonsteringsfrequentie moet hoog genoeg zijn om het origineel zonder fouten te kunnen reproduceren. Het theorema van Nyquist-Shannon bepaalt dat de bemonsteringsfrequentie gelijk moet zijn aan, of minstens tweemaal groter moet zijn dan de hoogste frequentie in het signaal. Onze oren kunnen geluiden horen tot ongeveer 20,000 Hz. Daarom moet de bemonsteringsfrequentie voor een bevredigend geluidskwaliteitsniveau ten minste 40,000 Hz zijn. Er zijn verschillende gestandaardiseerde bemonsteringsfrequenties in gebruik:

32 kHz: voor digitale FM radio (bandgelimiteerd tot 15 kHz);

44.1 kHz: voor professionele audio en cd's;

48 kHz: voor professionele digitale meersporenopname, en opnameapparatuur voor de consument (zoals DAT of MiniDisc).

Geluid voor computers

Elk monster (overeenkomende met een tijdsinterval) gaat gepaard met een waarde die de luchtdruk op dat moment bepaalt. Daarom wordt geluid niet afgebeeld als een onafgebroken curve met afwijkingen, maar als een reeks van waarden voor elke tijdsinterval:



Een computer werkt met bits dus het aantal mogelijke waarden die het monster zou kunnen hebben, moet worden bepaald. Dit wordt gedaan door het aantal bits vast te stellen waarop de bemonsteringswaarden zijn gecodeerd: Met 8-bit-codering, zijn er 28 (= 256) mogelijke waarden en met 16-bit-codering, zijn er 216 (= 65536) mogelijke waarden.

De tweede optie biedt duidelijk een hogere geluidsgetrouwheid, maar daar staat tegenover dat het meer computergeheugen in beslag neemt.

Tot slot, vereist stereogeluid twee kanalen, met op ieder kanaal individueel opgenomen geluid. Een kanaal wordt gevoed door de linker luidspreker, terwijl de andere wordt uitgezonden via de rechter luidspreker.

In computer-processing wordt geluid daarom bepaald door verschillende parameters:
  • De bemonsteringsfrequentie
  • Het aantal bits in een monster
  • Het aantal kanalen (1 voor mono, 2 voor stereo, en 4 voor quadrafonisch geluid).

Vereiste geheugen voor het opslaan van een geluidsbestand

Het is gemakkelijk om te berekenen welke grootte een ongecomprimeerd audiobestand zal hebben. Door te achterhalen hoeveel bits er gebruikt zijn om het monster te coderen, weet je de grootte (aangezien de monstergrootte het aantal bits is).


Om de grootte van een kanaal te bepalen, hoef je alleen de bemonsteringsfrequentie te weten en dus het aantal monsters per seconde, en vanuit daar de hoeveelheid ruimte die door één seconde muziek in beslag wordt genomen. Dit komt neer op: bemonsteringsfrequentie x aantal bits.

Om uit te vinden hoeveel ruimte een geluidsopname van een aantal seconden in beslag zal nemen, hoef je daarom slechts de vorige waarde met het aantal seconden te vermenigvuldigen: bemonsteringsfrequentie x aantal bits x aantal seconden.

Tot slot, om de werkelijke bestandsgrootte van de opname te kunnen bepalen, zul je bovenstaand getal moeten vermenigvuldigen met het aantal kanalen (het zal voor stereo tweemaal zo groot zijn als voor mono). De grootte, in bits, van een geluidsopname is daarom gelijk aan:

Bemonsteringsfrequentie x aantal bits x aantal seconden x aantal kanalen.

Digital Audio
Digital Audio
Audio digital
Audio digital
Le son numérique
Le son numérique
Audio digitale
Audio digitale
Áudio digital
Áudio digital
Laatste update 24 september 2017 om 02:11 door RoelCCM.
Het document met titel "Digitale Audio" van CCM (nl.ccm.net) is onder voorwaarden van de Creative Commons-licentie gepubliceerd. Je kunt dit artikel kopiëren en kopieën van het artikel aanpassen volgens onze algemene voorwaarden.