Digitalaudio – wie kommt die Musik in unser Handy?

Der Technik sei Dank können wir heute nahezu immer und überall Musik hören. Ob über das Handy, den Computer, das Radio oder die Stereoanlage zuhause – unsere Lieblingssongs sind meist nur einen Knopfdruck entfernt. Diese digitalisierte Musik bezeichnet man als Digitalaudio. Aber wie kommt die Musik eigentlich in das Gerät und von dort in unsere Ohren?

Musik hören ist dank Digitalaudio überall möglich

Dank Digitalaudio können wir heute nahezu immer und überall Musik hören. Aber wie kommt die Musik eigentlich in unser Handy und von dort in unsere Ohren? Bild: CanStockPhoto

Töne sind Schallwellen mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz. Musik besteht also aus einer Vielzahl von Schallwellen, die durch Stimmen oder Instrumente entstehen. Damit wir diese Schallwellen durch einen Lautsprecher oder Kopfhörer hören können, müssen wir sie zuerst mit einem Schallwandler, zum Beispiel einem Mikrofon, in elektrische Signale umwandeln. Diese analogen elektrischen Signale können dann auf einem analogen Medium (wie einer Audiokassette oder Schallplatte) gespeichert oder weiter in Digitalaudio umgewandelt werden.

Von analog zu digital

Ein analoges Audiosignal kann durch einen Rechner nie vollständig wiedergegeben werden. Vielmehr werden bei der Digitalisierung Samples („Proben“) des Ursprungssignals entnommen. Die Digitalisierung von Audiosignalen ist also immer mit einer Reduktion der Information verbunden. Damit wir diese Reduktion beim Anhören von digitaler Musik nicht bemerken, werden nur solche Informationen aus dem Analogsignal entfernt, die der Hörer nicht erkennt oder die sich wiederholen und daher elektronisch wiederhergestellt werden können.

Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung von Schallwellen

Schallwellen werden durch ein Mikrofon in elektrische Spannungsänderungen umgewandelt. Dieses analoge Signal mit stufenlosem Verlauf wird in ein digitales Signal konvertiert, eine Folge von diskreten Werten. In dieser Form kann es gespeichert und/oder mit Effekten versehen werden. Bei der Ausgabe wird das digitale Signal wieder in ein analoges Signal umgewandelt, das der Lautsprecher als Schall wiedergibt. Bild: Teeks99/Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Bei der Vorbereitung der Digitalisierung werden als erstes die Amplituden des Signals begrenzt, damit der in der digitalen Darstellung verfügbare Bereich möglichst gut ausgenutzt wird. Das kann zur Folge haben, dass extrem hohe oder tiefe Amplituden, sprich sehr laute oder leise Töne, abgeschnitten werden. In einem zweiten Schritt begrenzt man das Frequenzband mittels eines Tiefpassfilters. Dieses entfernt sehr hohe Frequenzen aus dem Signal. Dann ist das Signal zur Digitalisierung bereit.

Musik in Nullen und Einsen

Rastern und Abtasten eines analogen Signals

Ein analoges Signal (hier die Spannung U, schwarz dargestellt) verläuft kontinuierlich in der Zeit (t). Um es zu digitalisieren, wird es in regelmässigen Zeitabständen abgetastet. Jedem Zeitpunkt wird ein Wert auf dem Abtast-Raster zugeordnet, der dann bis zum nächsten Abtasten unverändert bleibt (digitales Signal, rot dargestellt). Bild: Saure/Wikimedia Commons, CC-Lizenz

Nun wird das Signal „abgetastet“. Dafür erstellt man quasi ein Raster, durch welches die Tonkurve verläuft. Jede Spalte des Rasters steht für eine Zeiteinheit. Für jede Zeiteinheit wird dann definiert, wo der Ton im Raster zu liegen kommt. Je kleiner das Raster, umso genauer wird das Signal, desto mehr Speicher benötigt es allerdings auch. Die Grösse des Rasters nennt man Abtastrate oder Samplingrate. Eine Audio-CD hat beispielsweise eine Abtastrate von 44.1 Kilohertz, pro Sekunde wird das Signal also 44100-mal abgetastet.

Die jeweiligen Werte des Signals zum Abtastzeitpunkt werden durch eine binärcodierte Zahl dargestellt, also durch eine definierte Abfolge von Nullen und Einsen („Bits“). Die 1 besagt dabei, dass ein elektrisches Signal ausgegeben wird, die 0, dass kein Signal gesendet wird. Die Anzahl Bits, die pro Wert verwendet werden kann, nennt man Bittiefe oder Samplingtiefe. Sie beträgt bei einer CD 16 Bit. Das heisst, es gibt 216 (65536) mögliche Abstufungen, die erfasst werden können. Eine hohe Bittiefe führt also zu einer feineren Abbildung des Signals.

Das digitalisierte Signal kann nun aufgenommen, verändert oder kopiert werden. Bei einer CD ist die Soundqualität aufgrund des sehr feinen Audiorasters bereits sehr hoch. Jeder Punkt der Soundkurve ist relativ genau definiert, weshalb kaum Störgeräusche wie Rauschen auftreten. Tonstudios arbeiten bei Aufnahmen mit noch höheren Werten. Dies hat jedoch einen grösseren Speicherbedarf zur Folge.

Was ist MP3?

Digitale Audiodateien haben die Massenproduktion und Verbreitung von Musik revolutioniert. Wir brauchen längst keine physischen Kopien wie Schallplatten mehr, um Musik weiterzugeben. Stattdessen werden die digitalen Signale in Dateien wie MP3 komprimiert und können so problemlos verschickt und heruntergeladen werden.

MP3-Dateien kennen wir seit Mitte der 90er Jahre. MP3 steht für „Motion Picture Expert Group-1 Audio Layer 3“. Eine MP3-Datei ist eine Codierung einer Musik-Datei, die dabei bis zu 10-mal verkleinert wird, ohne wesentlich an Klangqualität einzubüssen. Diese Kompression wird mittels der Kompressionsrate in kbit pro Sekunde angegeben. Je höher der Wert der Kompressionsrate, desto besser ist die Qualität. Bei einer Rate von 196 kbit/s hören wir kaum einen Unterschied zur ursprünglichen Musikdatei.

Um die Datei zu verkleinern, lässt man bei der Kompression einfach bestimmte Töne weg. Natürlich muss darauf geachtet werden, dass diejenigen Töne weggelassen werden, die das menschliche Ohr ohnehin kaum hören kann. Bei Analysen der Musikdatei sucht man darum solche Töne, die von lauteren Tönen verdeckt werden.

Das MP3-Format kann nur Audiodateien enthalten. Es gibt allerdings auch ein MP4-Format, dass zusätzlich Bilder, Grafiken, Texte oder Videos beinhalten kann.

Wie kommt die Musik vom Handy in den Kopfhörer?

Musik hören am Smartphone

Bild: CanStockPhoto

Wir wissen nun also, wie die Musik von den Instrumenten in analoge Medien übertragen und von analogen Medien in digitale Dateien umgewandelt wird. Aber wie kommt die Musik schliesslich von der MP3-Datei auf dem Handy in den Kopfhörer? Dafür schauen wir uns den Aufbau von Kopfhörern genauer an.

Die meisten Kopfhörer haben eine elektrodynamische Bauart. Sie bestehen aus einem Magneten, der ein konstantes elektromagnetisches Feld erzeugt, einer Spule aus Kupferdraht, die in dem Magnetfeld zu liegen kommt, und einer dünnen Membran. Spielst du nun eine digitale Audiodatei ab, werden die digitalen Signale (also die Einsen und Nullen) in elektrische Signale umgewandelt, fliessen durch die Drähte deines Kopfhörerkabels in das Magnetfeld hinein und versetzen die Spule in schwingende Bewegungen. Sie bewegt sich nun im Magnetfeld hin und her und erzeugt selbst ein Magnetfeld. Die Spule bewegt die Membran, die mit ihr verbunden ist. Die Bewegung der Membran versetzt wiederum die Luft in Bewegung – in anderen Worten: Es wird Schall erzeugt, den du hören kannst.

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