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Audiocodierung – Wie der Computer Töne speichert

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Bevorstehend

Sie lernen, wie Schallwellen digital dargestellt werden. Begriffe wie Abtastrate, Bittiefe und Kanäle erklären, wie Musik zu Daten wird.

Ziele dieses Moduls
  • Sie kennen die Begriffe Abtastrate, Bittiefe und Kanäle.
    Erinnern
  • Sie verstehen, wie Schallwellen durch Abtasten in Zahlenwerte umgewandelt werden.
    Verstehen
  • Sie können die Dateigrösse eines Audio-Stücks aus Abtastrate, Bittiefe, Kanälen und Dauer berechnen.
    Anwenden
  • Sie können die Audiocodierung mit der Bildcodierung vergleichen (Abtastrate ↔ Auflösung, Bittiefe ↔ Farbtiefe).
    Analysieren

Töne sind eigentlich Schwingungen der Luft.
Damit ein Computer diese verarbeiten kann, werden sie in sehr kurzen Abständen gemessen (abgetastet) und als Zahlen gespeichert.
Das Verfahren nennt man digitales Sampling.
Je öfter und je genauer gemessen wird, desto besser klingt die Aufnahme – aber desto grösser wird auch die Datei.

Einführung: Vom Ton zur Zahl

Ein Mikrofon wandelt Schall in elektrische Spannung um.
Der Computer misst diese Spannung in kurzen Zeitabständen → Abtastpunkte.

Treppenfunktion: Das Signal wird in regelmässigen Abständen gemessen (Abtastwerte)

Zentrale Begriffe

Begriff Bedeutung Beispiel
Abtastrate (Sampling Rate) Wie oft pro Sekunde gemessen wird 44 100 Hz = 44 100 Werte pro Sekunde
Bittiefe (Bit Depth) Wie genau jede Messung gespeichert wird 16 Bit = 65 536 Lautstufen
Kanäle Anzahl Tonspuren 1 = Mono, 2 = Stereo

Beispiel

Eine Stereoaufnahme mit 44 100 Hz und 16 Bit Bittiefe:

44 100 Samples × 16 Bit × 2 Kanäle = 1 411 200 Bit pro Sekunde
≈ 176 kB/s

Das entspricht der CD-Qualität.

Und warum sind MP3-Dateien kleiner als WAV-Dateien?
WAV speichert alle Messwerte unkomprimiert. MP3 nutzt eine verlustbehaftete Kompression: Anteile des Klangs, die Menschen kaum oder nicht hören, werden weggelassen. Dieselbe Musik braucht dadurch deutlich weniger Speicher – und klingt für das Ohr fast gleich.

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Challenge

Wie gross ist ein Song?

Berechnen Sie die ungefähre Dateigrösse eines 3 min langen Songs (Stereo, 44 100 Hz, 16 Bit).

Tipp:
Grösse = Abtastrate × Bittiefe × Kanäle × Dauer

1 Byte = 8 Bit

Beispielergebnis:
44 100 × 16 × 2 × 180 s = 254 016 000 Bit = 31 752 000 Byte ≈ 31.8 MB

Abtast-Simulator: Spiele mit Abtastrate und Bit-Tiefe. Wann klingt der Ton kaputt? Beobachte auch die Datenmenge.

Challenge

Am Simulator: Ihr seid die ADC

Öffnen Sie den Abtast-Simulator (in neuem Tab öffnen) und finden Sie heraus:

  • Wie tief können Sie die Abtastrate senken, ohne dass der Ton unangenehm klingt?
  • Was passiert hörbar, wenn die Abtastrate unter das Doppelte der Ton-Frequenz fällt? (Achtung rote Warnung!)
  • Wie viele Bit braucht es, damit Quantisierungs-Rauschen kaum noch auffällt?
  • Welches Preset klingt am nächsten an Ihr Telefon?

Verknüpfung: Vergleichen Sie mit Ihrer abgetasteten Welle vom Arbeitsblatt – die Treppenkurve im Simulator ist genau dasselbe, nur hörbar.

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Reflection

Reflexion

  • Warum führt eine höhere Abtastrate zu besserem Klang?
  • Warum sind MP3-Dateien kleiner als WAV-Dateien, obwohl die Musik gleich lang ist?
  • Wie ähnelt Audiocodierung der Bildcodierung?

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