Digitalaudio

Unter Digitalaudio versteht man in der Fachsprache der Musik digitalisierte Audiosignale, wobei der Verlauf einer Schwingung mit zeitlicher Amplitude beschrieben wird. Das bedeutet, dass zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt der Verlauf einer Schwingung festgehalten werden kann. Menschen, die sich mit Musik beschäftigen oder auch selbst ein Instrument spielen – sei es elektronisch oder als klassische Ausführung – wissen, wie sich Musik und Töne bilden. Für alle Neulinge in dem Bereich, im Folgenden eine Erklärung anhand der Physik.

Die Aufzeichnung von Musik und Tönen

Es ist leicht für den Menschen, Musik zu hören und zu spüren, aber wie ist die Musik eigentlich aufgebaut? Was ergibt einen Ton? Im physikalischen Sinn erzeugen schlicht Schallwellen einen Klang, den Lebewesen als Ton oder wir Menschen als Musik wahrnehmen. Auch muss die Qualität dieses aufgezeichneten Klangs stimmen, die hauptsächlich von der Sample-Rate und der Anzahl pro Bits pro Sample für den notwendigen Speicherplatz abhängen. Diese Schallwellen können heutzutage weiter umgewandelt werden, beispielsweise durch ein Mikrofon. Auf diese Weise enstehen analoge elektrische Wellensignale. Bei der Digitalisierung werden Wellensignale in binäre Zahlenwerte transformiert.

Damit dieser Prozess erfolgreich durchgeführt werden kann, ist es notwendig, die Werte der Audiosignale voerst abzutasten, um sie danach speichern zu können – dies bezeichnet die Sample-Rate. Es ist allen Musikproduzenten bekannt, dass bei der digitalen Signalverarbeitung die Abstastfrequenz des Abstasttheorem mehr als das Doppelte an Wert haben muss als die höchste Frequenz des Signals, das abgetastet wird. Im Falle, dass eine zu geringe Abtast-Quantität vorliegt, kann es passieren, dass der so genannte Alias-Effekt eintritt. Hierbei handelt es sich einfach ausgedrückt um einen Fehler bei der Signalanalyse. Damit ein solcher Alias-Effekt erst gar nicht eintritt, werden höhere Frequenzen vorab ausgefiltert.

Audioplayer und Dateiformate

Viele Dateiformate können auf mehreren Kanälen aufzeichnen, doch gibt es immer noch gravierende Unterschiede in der Flexibilität der Formate. Zu den beliebtesten der Formate gehören MP3, Wave, Real Audio sowie Midi. Audioplayer ermöglichen seit einigen Jahren, dass komprimierte Daten am PC abgespielt werden können. Und mit der immer größeren Reiselust und Flexibilität der Menschen hat sich sehr schnell dementsprechend eine mobile Variante des Audioplayers entwickelt, der so genannte MP3-Player.

MP3

MP3, was eigentlich für MPEG-1 Layer III oder auch MPEG-2 Layer III steht, bezeichnet ein besonderes Verfahren zur verlustbehafteten Komprimierung für digitales Audio. MP3 ist ein deutsches Produkt, das schon relativ früh im Jahr 1982 am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen in Erlangen erfunden wurde. Die Technik wurde schon bald gerne auf der ganzen Welt von unterschiedlichen Elektronik-Herstellern übernommen, und Spezialisten arbeiten immer noch an der Verbesserung der Komprimierungsmethode für digitales Audio.

Die Hörer und Nutzer von MP3s und MP3-Playern schätzen die geringe Größe des Musikformats. Somit kann Musik leicht und schnell auf andere Audio-Speicher geladen werden. Der Prozess bei der MP3-Kodierung funktioniert ähnlich der von Mini-Disc. Hier werden Daten beim Kodiervorgang zwar weggelassen, dies sind jedoch Datenbereiche, die das normale menschliche Ohr eh kaum hört. Allerdings ist im Vergleich zur normalen Fassung teilweise ein leichter Qualitätsverlust hörbar. Der besondere Vorteil ist jedoch immer noch die MP3-Datei, die nun bis zu einem Zehntel des normalen Speichers an Größe einnimmt. Der Vorgang dieser MP3-Komprimierung wird in der Fachsprache als Kanalkomprimierung bezeichnet. Hierbei wird zwischen normalem Stereo, Joint Stereo und Mono differenziert. Unter der Joint Stereo-Methode versteht man die Verteilung der Bits der zwei Kanäle eines Liedes in höhere Klangbereiche auf eine sehr effiziente und platzsparende Weise: Zwei separierte Kanäle nähern sich an und teilen die Daten. Mit der Mono-Methode werden zwei Kanäle schlicht und einfach auf nur einen verlegt und somit der Speicher halbiert. Im Bereich MP3 geht es also hauptsächlich um platzsparende Daten sowie Datenreduktionen.

Das bringt viele Vorteile für Musikfans, die gerne große Mengen an Musik auf eine CD packen. Mit einer CD und beschriebenen MP3 Daten können Nutzer bis zu zwölf Stunden Musik genießen. MP3-Player werden heutzutage von allen möglichen Elektronik-Herstellern angeboten. Die Produktpalette ist riesig, und die Speicher wachsen stetig, damit mehr und mehr Musik auf die Player geladen werden kann.

MIDI

Ein weiteres Daten Format ist MIDI, das als Abkürzung für „Musical Instruments Digital Interface“ gebraucht wird und ein Daten-Übertragungsprotokoll zur Übermittlung von Informationen zur musikalischen Steuerung beschreibt. Damit wird also ein Standard zur Kommunikation zwischen verschiedenen digitalen Klangerzeugern definiert, der 1981 zum ersten Mal von Dave Smith für die Audio Engineering Society entwickelt wurde und schließlich 1983 auf der NAMM-Show in den USA der Öffentlichkeit vorgestellt. Hierbei werden genormte Schnittstellen erzeugt, wie etwa bei elektronischen Instrumenten. Wenn das MIDI Format genutzt wird, kann zum Beispiel ein Ton auf dem Synthesizer 1 auf dem nebenstehenden Keyboard 2 in gleicher Tonhöhe gespielt werden. Der MIDI-Standard – Insidern bekannt auch als die so genannte MIDI-Sprache – wurde von den bekannten Keyboard-Produzenten Roland und Sequential festgelegt und der MIDI-Ausgang – MIDI-OUT – als serielle Schnittstelle in die angeschlossenen Synthesizer eingebaut. Eine Midi-Datei enthält keinerlei für den Mensch hörbaren Signale, sondern verfügt nur über Steuerinformationen für das Instrument. Geht es um elektronische Musik auf einem PC, dann entspricht dies der Soundkarte. Die MIDI-Datei überträgt also auf die Soundkarte die notwendigen Informationen darüber, wie laut, in welcher Länge und welcher Ton abgespielt werden soll.

Real-Audio

Real-Audio von Real Media war das allererste Datenformat für Audiodateien, das für den Online-Gebrauch entwickelt wurde und schon 1996 auf den Markt kam. Damit konnten Internet-User hauptsächlich Audiodaten im Streaming Audio Format im Internet anhören. Hierbei wird zwischen den Betriebsarten „continious live stream real audio processing„, bei dem der Server einen fortlaufenden Datenstrom zu Real Audio komprimiert, und „limited audio stream to real audio file processing“ unterschieden – bei Letztgenanntem wird ein Ereignis eingespielt und je nach Datenstrom zu einer Real Audio Datei encodiert. Weiterhin zählen dazu noch die „audio file to real audio file conversion“ – hier wird die Audio Datei in eine Real Audio Datei umgewandelt -, „real audio file streaming on demand„, wobei Real Audio Files als Datenströme abgerufen werden, sowie schließlich „real audio file download and replay“: Real Audio Daten, die nach dem Download beliebig oft offline angehört werden können.

Die Daten von Real Media werden den Nutzern in komprimierter Form bereitgestellt, die jedoch auch mit Fehlern behaftet sind. Doch ähnlich wie bei MP3 Daten, nimmt auch in diesem Fall das menschliche Ohr diese Verluste aufgrund der Kompression nicht wahr. Neben Real Audio hat Real Networks ein gleiches Datei-Format für Videos entwickelt, mit dem Namen Real Videos.

Real Audio kann online in Form von Broadcasts und Clips eingesehen werden. Die Form der Audio-Kompression hat erhebliche Vorteile für verschiedene Arbeitsbereiche wie etwa im wissenschaftlichen Bereich. Didakter, Linguisten, Filmwissenschaftler und noch viele Spezialisten mehr profitieren von komprimierten Audio-Daten. Hierbei werden tonrelevante Daten einfacher zur Verfügung gestellt und können leichter wieder zum weiteren Gebrauch verwendet werden.

Wav-Dateien

Eine Wav-Datei ist ein für den normalen PC gebräuchliches Format zur Speicherung von Tonsignalen auf digitale Weise. Diese digitalen Rohdaten sind meist akustische Schwingungen, können aber ebenso Hirn-, Herz- oder Erdbeben-Ströme aufzeichnen.

Das Wav-Dateiformat wurde speziell von den Software-Herstellern Microsoft und IBM für das Windows Betriebssystem erstellt und hält sich an das Containerformat „Resource Interchange File Format“ (RIFF). Das Wave-Dateiformat unterhält unterschiedliche Abtastraten, die Abtasttiefen von 8bit bis 16bit und Abtastraten von 22050Hz und 44100Hz aufweisen. Im Internet findet man dieses Datei-Format hauptsächlich zum Abspielen kurzer Ton- oder Musikbeispiele. Wave ist somit die wohl am weitesten verbreitete Form der Audiodaten – hauptsächlich aufgrund der Integration in das weltweit genutzte Windows Betriebssystem.