Als Einstieg schauen wir uns an, wie etwas aus unserer analogen Welt – z.B. Hören oder Sehen – mit dem Computer dargestellt werden kann.
# Ton und Schall
Ein Ton, aber auch ein Geräusch oder ein Klang, wird als Schwankung des Luftdrucks übertragen – darstellbar als Schallwelle:
Die Stimmgabel schwingt und erzeugt eine Schallwelle. Diese wird im Medium Luft übertragen und erreicht so unser Ohr. Dort bringt sie das Trommelfell zum Schwingen – wir hören den Ton.
Je nach Art des Klangs ergeben sich verschiedene Kurven:
# Wie abspeichern?
Wie können wir nun so einen Klang abspeichern? Zuerst müssen wir natürlich ein künstliches Trommelfell haben – also ein Mikrophon. Dieses übersetzt die Druckschwankungen der Luft in ein elektrisches Signal.
Zwei Möglichkeiten Ton physikalisch abzuspeichern sind: Vinyl-Schallplatte und Compact Disc:
Aufgabe
Im folgenden Video wird gezeigt wie mikroskopische Aufnahmen der Oberfläche von Vinyl und CD gemacht werden.
- Finde die entsprechenden Stellen
- Was sind die erkennbaren Unterschiede zwischen Vinyl und CD?
- Wie werden wohl die Daten jeweils abgespeichert?
Aufgabe 1
# Vinyl – analog
Das Signal wird analog abgespeichert. Die Rillen entsprechen den Schallwellen. Die Nadel tastet diese ab und erzeugt daraus wieder einen Ton.
# CD – digital
CDs speichern Daten digital, also in Form von 0 oder 1. Diese Information wird mit einem Laser abgetastet. Wie kann aber eine Schallwelle als Abfolge von 0 und 1 gespeichert werden?
Standardmässig arbeiten Audio-CDs mit einer Abtastrate von 44.1 kHz und einer Bittiefe von 16 Bit.
Die Abtastrate (sample rate) ist die Anzahl Messungen pro Sekunde in einem Audio-Stück. Sie wird in Hertz oder Kilohertz gemessen.
Die Bittiefe (bit depth) gibt die Anzahl Bits an welche für die Quantisierung der Messung (sample) zur Verfügung steht. Sie bestimmt, in wie vielen Abstufungen die Amplitude repräsentiert werden kann.
Es entstehen also Folgen von Zahlen. Die Zahlen bewegen sich in einem festen Bereich (Bittiefe), zwischen den einzelnen Zahlen sind feste Zeitabstände (Sample-Raten)
Aufgabe
Auf einer CD haben 700 MB Daten Platz. Wieviele Minuten Musik gibt das?
(Beachte, dass die CD in Stereo arbeitet, also 2 Signale mit 44.1 kHz und 16 Bit speichert!)
Lösung
Eine CD mit 44.1 kHz und 16 Bit in Stereo speichert pro Sekunde 176’200 Bytes:
Wir dividieren den verfügbaren Speicher durch die Daten, welche pro Sekunde abgespeichert werden müssen und erhalten so die maximale Aufnahmedauer:
Das Fluglärm Portal: Wie Schall übertragen wird, https://www.fluglärm-portal.de/mediathek/ (opens new window) (abgerufen am 5.10.2019) ↩︎
Das Fluglärm Portal: Wie sich Ton, Klang und Geräusch unterscheiden, https://www.fluglärm-portal.de/mediathek/ (opens new window) (abgerufen am 5.10.2019) ↩︎
Pawel Kadysz: CD & vinyl record icons, https://www.365psd.com (opens new window) (abgerufen am 5.10.2019) ↩︎
Mastering the Mix: Sample Rate, https://www.masteringthemix.com/blogs/learn/113159685-sample-rates-and-bit-depth-in-a-nutshell (opens new window) (abgerufen am 5.10.2019) ↩︎
Mastering the Mix: Bit Depth, https://www.masteringthemix.com/blogs/learn/113159685-sample-rates-and-bit-depth-in-a-nutshell (opens new window) (abgerufen am 5.10.2019) ↩︎