Pagina 1 van 1

Hoe werkt Geluid …

Hoe werkt Geluid …
   4

We nemen het allemaal voor vanzelfsprekend: muziek die we dagelijks horen of het geluid dat weer wordt gegeven op TV en we denken er niet meer over na hoe het werkt en waarom het werkt.

Zoals met zoveel dingen in het leven – als je de basis principes begrijpt dan geeft het je de mogelijkheid om problemen op te lossen en zo is dat ook met geluid. In dit artikel probeer ik daarom op eenvoudige wijze uit te leggen hoe audio werkt, hoe de computer er mee omgaat en hoe een luidspreker of koptelefoon werkt.




Wat is Audio?

Dit is de vereenvoudigde uitleg van “wat is geluid of audio” ….

Audio, of geluid, is in principe een snel bewegende “druk golf” die van hoogte (volume) en breedte (toonhoogte) veranderd.

Geluidsgolf

Geluidsgolf

Een geluidsgolf wordt veroorzaakt door het vibreren van een voorwerp. Dit voorwerp kan bijvoorbeeld de luidspreker van jouw stereo zijn – als je goed kijkt naar een luidspreker dan zie je dat deze daadwerkelijk beweegt waardoor een “druk golf” ontstaat die we kunnen horen. Hetzelfde geldt ook voor bijvoorbeeld een naald die we op een tegelvloer laten vallen.

Ons oor heeft heeft een trommelvlies welke de “druk golf” kan waarnemen zodat we kunnen horen.

Amplitude en Golflengte

Amplitude en Golflengte van geluid

Amplitude en Golflengte van geluid

De hoogte (of: de hoeveelheid omhoog of omlaag) van een geluidsgolf noemen we “Amplitude” (A) en bepaald hoe hard geluid is: volume.

Hoe verder de golf van de nul-lijn (de horizontale lijn in de illustratie) gaat, hoe harder het klinkt.
Dit geldt voor beide richtingen, dus ver onder de nul-lijn klinkt dus ook hard!

De breedte van de golf noemen we Golflengte (B), welke bepaald wat de toonhoogte is.

De golflengte is de lengte die overbrugt wordt voordat een golf zichzelf herhaald. In het simpel voorbeeld hierboven: Waar ik de golf met “B” gemarkeerd heb, zie je dat de golf omhoog, omlaag en weer omhoog gaat – de sinus of “S” vorm is de herhalende vorm.

Merk op dat de golflengte in werkelijkheid natuurlijk veel korter is dan de tekening suggereert.
De gemiddelde persoon kan frequenties waarnemen tussen de 20 en 20,000 Hz. Waar 1 Hz (Hertz) overeenkomt met 1 van deze “S’ vormen per seconde.

Ik vond de volgende animatie op de Engelse Wiki pagina – ik heb de animatie flink vertraagd zodat je kunt volgen wat er gebeurt (bron).
Bij een frequentie van 1.0 Hz zie je een volledige “S” of sinus vorm, bij 2.0 Hz zie je er 2, enzovoort …

Hertz - Golf frequentie

Hertz – Golf frequentie

Als de gold breder wordt, dan passen er natuurlijk minder in een seconde waardoor de toonhoogte lager wordt (bas).
Smaller golven zorgen dan ook voor een hogere frequentie waardoor de toonhoogte hoger wordt ((treble).

Geluid en jouw computer of MP3 speler

We weten natuurlijk allemaal dat computers best dom zijn, ze kunnen alleen maar een 0 en een 1 tellen.
Wat je misschien niet weet is dat jouw MP3 speler of mobiele telefoon bijvoorbeeld in principe kleine computers zijn, ook dom dus maar dan op een kleinere schaal. 

Geluid is uiteraard aanzienlijk meer complex dan enen en nullen.

Geluid is een continue golf met een oneindig aantal mogelijke waarden waardoor geluid soepel klinkt.

Bekijk het als een cirkel die een oneindig aantal zijden of punten heeft – dit noemen we analoog.

De domme computer kan alleen werken met een gelimiteerd aantal gehele getallen, we noemen dit digitaal.
In de vergelijking van analoog met een cirkel, moeten we de computer en de digitale wereld zien als een vierkant met 4 vaste zijden of 4 hoekpunten.

Hoe werkt een computer dan met geluid?

Voor dit doel hebben een aantal erg slimme mensen zogenaamde converters ontwikkeld. Ze converteren Analoog naar Digitaal (ADC) en Digitaal naar Analoog (DAC).

Zoals je zoëven gelezen hebt, mensen kunnen 20 tot 20,000 Hz waarnemen.
Dus ons oor kan golven 20 tot 20,000 keer per seconde “horen” (er zijn overigens mensen die geluid buiten die range kunnen waarnemen).

De computer probeert nu de amplitude van de golf een net genoeg aantal keren per seconde te meten zodat wij mensen het verschil niet kunnen horen (als we alles goed doen natuurlijk).

Als je aan amplitude denkt, denk dan aan stroom (of meer correct: voltage) – hoe hoger de amplitude, hoe hoger het voltage. De computer converteert dat voltage dan naar een nummer.

Geluid meten

Geluid meten

Nu hoor ik je al zeggen: Maar zei je daarnet nou niet dat de computer dom was en dat het alleen maar nullen en enen kent? Daar hebben we dan toch niks aan?
Dat is helemaal waar, maar het is niet zinloos.

Meerdere enen en enullen (bits) gecombineerd kunnen gebruikt worden om een groter getal weer te geven.
Dit noemen we het binaire getallenstelsel.

Een computer kan bijvoorbeeld 8 bits (enen en nullen) combineren wat samen een geheel getal tussen 0 en 255 kan weergeven – dit noemen we een BYTE.

Als je 16 bits combineert (een WORD of CHOMP) dan kan dit gebruikt worden om gehele getallen tussen de 0 en 65.535 weer te geven – en dit is precies wat er gebruikt wordt voor een Audio CD, de zogenaamde 16 bit sampling.


Ter vergelijking: 

Wij mensen werken meestal met de getallen 0 tot 9.
Als we meerder nummers combineren dan kunnen we hiermee ook grotere getallen weergeven.
We noemen dit het decimale getallenstelsel.

Stel we combineren 8 van deze 0 tot 9 nummers, dan kunnen we daarmee een getal van 0 tot 99.999.999 weergeven.

Sampling

Sampling, of “proefjes”, is iets wat de computer gebruikt om de soepele sinus curve om te zetten in waarden waardoor het eruit gaat zien als een trapje zoals hieronder simplistisch is weergegeven.

Analoog (rood) naar Digitaal (blauw)

Analoog (rood) naar Digitaal (blauw)

Elke trede op het trapje kan een waarde (geheel getal) tussen 0 en 65.535 hebben in geval van een Audio CD.
We noemen dit sampling.

Merk op: De bovenstaande illustratie geeft natuurlijk niet echt 16 bit sampling weer – anders zouden we het trapjes effect niet kunnen zien.

Het volgende belangrijke punt van sampling is hoe vaak we dit per seconde doen – het zou behoorlijk zinloos zijn als de computer dit slechts 1x per minuut zou doen, niet dan?

Voor een Audio CD als voorbeeld, gebeurt het sampling 44.000 keer per seconde wat we een sample-rate van 44.000 noemen (een andere veel voorkomende sample-rate is 48.000).
Waarom 44.000? Wel, er is een theorie die zegt dat de sample-rate minstens 2x zo hoog moet dan zijn de hoogste frequentie (golglengte) – wat 20,000 Hz voor onze oortjes – dus 2x 20.000 en wat wisselgeld voor de super oortjes = 44.000/sec.

Dat wil zeggen voor stereo (2 kanalen, een voor links en een voor rechts), dat de computer 88.000 per seconde moet kijken wat de “waarde” is – en dat wordt snel een enorme hoop data.

Voor een liedje van 3,5 minuten in stereo betekend dit:

2 kanalen x 44.000 words x 2 bytes per word x 3,5 minuten x 60 seconden = 36.960.000 bytes … of te wel ongeveer 37 Mega bytes.

Clipping

Een veel voorkomend “probleem” met geluid is vervorming veroorzaakt door clipping (afkappen). Clipping klinkt niet alleen beroerd, maar over het algemeen is het ook nog eens niet goed voor jouw apparatuur. Je hoort clipping meestal als je bijvoorbeeld het geluid van jouw stereo veel te hard hebt staan en jouw luidsprekers het niet bij kunnen houden, of als de stroom die nodig is voor jouw versterker hoger is dan wat de voeding van de versterker kan leveren.

Clipping is niet uniek voor luidsprekers. Over het algemeen wordt clipping veroorzaakt als een geluidsbron te veel stroom (voltage) geeft aan het apparaat wat het signaal ontvangt. Omdat het ontvangende apparaat de te hoge golf niet aan kan, zal het de topjes afkappen.

De illustratie hieronder illustreert wat er gebeurt.
De eerste golf ziet er netjes en soepel uit, laten we aannemen dat dit het signaal is dat van de geluidsbron komt.
De tweede golf is wat er gebeurt in het apparaat wat het geluid ontvangt, wat het niet kan verwerken wordt simpel weg afgekapt. Dit afkappen, of Clipping, zorgt ervoor dat het geluid beroerd klinkt. Vooral omdat de luidspreker nu ineens in plaats van een soepel curve erg abrupte bewegingen moet maken.

Audio Clipping

Audio Clipping

Digitaal terug naar Analoog

Wanneer de computer, of jouw MP3 speler, gebruikt wordt voor de weergave van geluid, dan zorgt een Digitaal naar Analoog (DAC) converter ervoor dat de enen en nullen weer een soepel fluctuerend voltage wordt. Het mooi daarvan is dat het analoge voltage (en jouw luidspreker) niet in stapjes werkt en een klein beetje corrigeert voor de minder soepele trapjes, waardoor het geluid in onze oren bijna net zo goed aanhoort als het origineel.

Geluid door een Luidspreker

Het “voltage” (versterkt door allerlei versterkers) dat het geluid representeert wordt naar een luidspreker gestuurd welke ervoor zorgt dat de conus (het grootste “vlak” van de luidspreker) op en neer beweegt en daarmee een geluidsgolf produceert – welke we kunnen waarnemen met onze oren.

Een luidspreker is in principe een elektromagneet (C), omringd door een natuurlijke magneet (B), met een papieren of plastic schijf (A – de conus) er aan gekoppeld. Wanneer we stroom zetten op de elektromagneet, dan zal deze zich aantrekken of afstoten van de natuurlijk magneet waardoor de conus beweegt. De magnetische polariteit van de elektromagneet wisselt met de polariteit van het voltage.

Hoe een luidspreker werkt

Hoe een luidspreker werkt

Koptelefoon

Een koptelefoon gebruikt ook luidsprekers, deze zijn natuurlijk stukken kleiner dan de luidsprekers van jouw stereo, maar dat is geen probleem omdat ze zo’n beetje tegen onze oren geplakt zitten en niet een hele huiskamer van muziek hoeven te voorzien.

Microfoon

Een klassieke microfoon werkt overigens op hetzelfde principe. Echter in plaats het gebruiken van stroom, genereert het stroom. Door de geluidsgolven beweegt een magneet in en uit een spoel waardoor stroom gegeneerd wordt. Zo een beetje hetzelfde principe als een fiets dynamo … maar dan anders.

Donatie Opties


Donaties worden zeer gewaardeerd, maar zijn zeker niet vereist. Donaties worden gebruikt voor het dekken van kosten voor web-hosting en project materialen, en eventueel voor een drankje of een snack. Voor wie al gedoneerd heeft: Hartelijk dank! Het is werkelijk geweldig om te zien dat men onze artikelen en applicaties waardeert.

Reacties


Er zijn 4 reacties welke je hieronder kunt lezen.
Je kunt jouw eigen opmerkingen plaatsen m.b.v. dit formulier, of een reactie op een opmerking plaatsen door op de "Reageer" knop te klikken.

  • 30 okt 2013 - 22:22 - sander Reactie Link

    Beste,

    Ik heb een DAC de NAD 1030, deze zend via mijn computer op 48 Hz uit, er mij verteld dat 44,1Hz beter is maar hoe stel ik dat in!?! ik heb een macbook pro

    Ik hoor het graag

    Groet 

    Sander

    Beantwoorden

    sander

    • 30 okt 2013 - 22:29 - hans Reactie Link

      Ik ben helaas niet bekend met de NAD 1030 … over het algemeen is 48Hz beter – de hogere sample frequentie zou voor een beter kwaliteit moeten zorgen.

      Omdat ik de NAD 1030 en het gebruik ervan niet ken, behalve dan dat het een DAC is, is het moeilijk te beoordelen wat nu beter is.
      Als de data die naar de DAC gaat maar 44.1Hz is, dan kan het zijn dat 48Hz zinloos is.

      Maar hoe je dat moet instellen? Geen idee …

      Beantwoorden

      hans

  • 20 feb 2014 - 19:55 - mies Reactie Link

    goedenavond

    ik heb je informatie gelezen want ik probeer van 2 telefoons uit de jaren 90 een soort van intercom te maken.

    het moet gaan werken als de speelgoed telefoontjes van onze kinderen vroeger. 

    omdat wij een zorgboerderij hebben is dat vaak snel kapot, vandaar dat ik het wil proberen met 2 oude telefoons, die het nog doen. Kunt u ons hierover adviseren.

    met vr groet Mies 

    Beantwoorden

    mies

  • 20 feb 2014 - 22:08 - hans Reactie Link

    Hoi Mies,

    Oude analoge telefoons, kunnen zeker voor dit doel gebruikt worden.
    Echter … een gewone “oude” analoge telefoon werkt alleen maar als je er een “centrale” tussen zet.
    Omdat zo’n analoge centrale, vaak aangeboden als “huiscentrale” of “huis telefoon centrale”, waarschijnlijk goedkoop te vinden is op eBay, MarkPlaats, etc. (iedereen gaat digitaal tegenwoordig), kan het de moeite zijn hier eens naar te kijken.

    De telefoons kunnen dan eenvoudig (twee draadjes) aan de centrale gekoppeld worden.

    Mocht een toestel kapot gaan, dan hebben legio mensen nog geschikte analoge telefoons thuis rond slingeren waar ze toch niets meer mee doen, dus die zou je dan goedkoop of gratis kunnen bemachtigen. Dito overigens voor mensen die vroeger een huis telefoon centrale hebben en het nu niet meer gebruiken.

    Hopelijk helpt je dit op weg.

    Beantwoorden

    hans



Jouw Reactie ...

Vriendelijk verzoek om hier geen lange teksten te plaatsen (zoals source codes, log files of config files). Gebruik daarvoor het Forum.

Deel met anderen:
*
*
Houd me op de hoogte van nieuwe reacties (email).
       Gebruik jouw RSS reader om reacties te volgen.


Tweaking4All gebruikt de gratis Gravatar dienst voor Avatars.
Tweaking4All zal nooit jouw email adres met anderen delen.