Computerhardware: Sound

Die Digitalisierung

Analog-Digital-Wandlung, anschließend Digital-Analog-Wandlung

Das obere Bild (fig. 1) zeigt als rote Linie die Spannung, wie sie vom Mikrofon kommt. Der dargestellte Abschnitt entspricht einer Zeitspanne von weniger als einer tausendstel Sekunde. Die Soundkarte wandelt dieses Analogsignal in digitale Daten um, siehe die mittlere Darstellung (fig. 2).

In der Ausgaberichtung erzeugt die Soundkarte Töne aus digitalen Daten, die aus einer Datei oder von einer CD stammen oder von einem Computerspiel synthetisch erzeugt werden. Dabei entsteht eine treppenförmige Spannung. Die Stufen werden mit einem Filter geglättet, und es entsteht eine Analogspannung entsprechend der roten Linie (fig. 3). Diese ist der Ausgangslinie im oberen Bild sehr ähnlich, die kleinen Unterschiede sind nicht hörbar.

Wie geht die Digitalisierung des Mikrofonsignals genau vor sich? Die Amplitude des Tonsignals wird in regelmäßigen, sehr kurzen Intervallen gemessen. Der CD-Standard sieht eine „Samplingrate“ von 44,1 kHz und eine „Auflösung“ von 16 Bit vor.

• Die Samplingrate gibt an, wie oft pro Sekunde die Lautstärke gemessen wird. Um CD-Qualität zu erreichen, muss 44.100 mal pro Sekunde die Lautstärke des Tons gemessen werden.
• Auflösung bedeutet, dass die Lautstärke mit einer Genauigkeit von 16 Bit gemessen wird, das sind 65.536 Abstufungen.

Das ist ausreichend, um Töne mit einer Frequenz bis 22 kHz zu reproduzieren. Das erreichbare Maximum liegt höher: Hochwertige Soundkarten können mit 96 kHz digitalisieren, und Soundkarten für Musiker erreichen 192 kHz mit 24-Bit-Auflösung. Je höher diese Werte, desto besser die Qualität. Andererseits werden die erzeugten Sounddateien sehr groß. Deshalb können Auflösung und Samplingrate bei allen Soundkarten reduziert werden, um den besten Kompromiss zwischen Qualität und Speicherbedarf einzustellen. Eine Abtastung mit 11 kHz bei 8-Bit-Auflösung benötigt gegenüber CD-Qualität nur ein Viertel des Speicherplatzes, aber erreicht gerade noch die Qualität eines Telefongesprächs der 1980er Jahre.

Welche Datenmenge entsteht bei der Digitalisierung pro Tonkanal?
Qualität	Samplingrate	Auflösung	Speicherbedarf
Telefonqualität	11 kHz	8 Bit = 1 Byte	11.000 x 1	= 11 kByte pro Sekunde
CD-Qualität	44 kHz	16 Bit = 2 Byte	44.000 x 2	= 88 kByte pro Sekunde
Beste Studioqualität	192 kHz	24 Bit = 3 Byte	192.000 x 3	= 576 kByte pro Sekunde

Eine Stereo-Aufnahme hat zwei Kanäle, also müssen die obigen Werte verdoppelt werden. Eine Digitalisierung in bester Studioqualität (192 kHz/24 Bit/Stereo) würde nach reichlich einer Sekunde eine Diskette füllen! Eine CD wäre schon nach zehn Minuten voll.

AC97

Früher brauchte man zwingend eine Soundkarte, um Töne zu erzeugen. Intel hatte die Idee, dass moderne CPUs genug Leistung haben, um neben den normalen Aufgaben auch noch die Analogdaten zu berechnen. Herausgekommen ist die AC97-Spezifikation (Audio Codec 97). Dadurch kann eine Soundkarte eingespart werden, es genügt ein einfacher Wandlerchip für die Erzeugung des Sounds, der mittlerweile auf jeder Hauptplatine verbaut ist. Logischerweise steigt die Prozessorlast bei Nutzung dieses Chips stark an. Wenn Ihre Computerspiele ruckeln, können Sie durch Einbau einer Soundkarte (in der Preislage um 50 bis 100 €) die Prozessorlast verringern.

Soundkarte mit 5.1 Klang. Beachten Sie die Anschlüsse: Rot ist für das Stereo-Mikrofon. Blau, Schwarz und Grün sind für ein 5.1 Soundsystem. Darunter befindet sich der Joystick-Anschluss.

Raumklang

Die Firma „Creative Labs“ hat die Raumklangtechnologie EAX entwickelt. Eine konkurrierende Technologie A3D der Firma „Aureal“ wurde von Creative Labs übernommen und in EAX integriert.

Man könnte zwar annehmen, dass für den Raumklang zwei Lautsprecher ausreichen, weil der Mensch auch nur zwei Ohren hat. Versuche haben aber ergeben, dass für einen optimalen Raumklang ein Surround-System mit drei oder mehr Lautsprechern empfehlenswert ist.

Wenn zu zwei Lautsprechern ein zusätzlichen Subwoofer (ein Lautsprecher für Basstöne) als dritter Kanal angeschlossen ist, spricht man von einem 2.1 Soundsystem. Es können auch 5, 6 oder 8 Lautsprecher angeschlossen werden. Lautsprechersysteme werden mit den Ziffernkombinationen 2.1, 4.1, 5.1 oder 7.1 bezeichnet. Die zweite Ziffer steht für den Subwoofer, die erste Ziffer gibt die Anzahl der „Satellitenlautsprecher“ an. Wenn die erste Ziffer ungerade ist, steht in der Mitte außer dem Subwoofer ein zusätzlicher Hochtonlautsprecher. Die anderen Lautsprecher sind rechts und links verteilt.

Spiele übermitteln über den DirectX Treiber den gewünschten Klang an die Soundkarte, die den gewünschten Raumklang berechnet. Aber nicht nur Spieler profitieren vom Raumklang. Hochauflösendes Fernsehen, neuere Video-DVDs und neuere Musik-CDs benutzen die zusätzlichen Kanäle.

Physiologisches

Gesunde Jugendliche können Töne zwischen 16 Hz und 20 kHz hören, wenn der Ton nicht zu leise ist (70 db). Töne unter 30 Hz werden nicht mit dem Ohr gehört, sondern der Körper fühlt die Vibrationen. Gute Subwoofer (Tiefton-Lautsprecher) können Töne bis herunter zu 15 Hz wiedergeben.

Die obere Hörschwelle verringert sich mit zunehmendem Alter. Mit 40 kann man noch 15 kHz hören, mit 60 Jahren verringert sich die höchste hörbare Frequenz auf 12 kHz. Das Gehirn ergänzt die nicht mehr hörbaren Schwingungen aus der Erinnerung.

PMPO

Der Maximalwert, oder auch PMPO (Peak Maximum Power Output) ist der Wert, den ein Verstärker oder Lautsprecher nur sehr kurzzeitig aushält. Dauert diese Belastung länger als wenige Sekunden, erzeugt der Lautsprecher ein feines Qualmwölkchen. Mess- und hörbare Verzerrungen treten schon bei einem Bruchteil der PMPO-Leistung auf. Dieser Wert ist also für die Praxis unbrauchbar. Sinnvolle Werte ergeben sich beim Messen von Sinuswellen. PMPO-Werte im Marketing zu verwenden, ist Dummenfang.

Bildschirme mit integriertem Lautsprecher

Im Lautsprecher wird eine Membrane mittels Magneten vor- und zurückbewegt, dadurch entsteht Schall. Nehmen wir an, die Membrane hat sich gerade nach vorn bewegt. Dadurch entsteht ein Luft-Überdruck, der sich nach allen Richtungen gleichmäßig ausbreitet. Auch die Rückseite der Membrane hat sich bewegt, auf der Rückseite des Lautsprechers entsteht ein Unterdruck. Ein Teil des gerade auf der Vorderseite erzeugten Luftüberdrucks strömt nach hinten, um das „Vakuum“ aufzufüllen. Das nennt man einen „akustischen Kurzschluss“. Die tiefen Töne sind stärker betroffen, so dass der zu hörende Ton heller, blechern wird.

Was kann man dagegen tun? Ganz einfach: Bauen Sie den Lautsprecher in eine große Wand oder eine dicke, nicht vibrierende Holzplatte ein, damit der Luft der kurze Weg von vorn nach hinten versperrt ist. Eine Kiste ist ebenso geeignet, wenn sie schalldicht und möglichst mit schalldämpfendem Material gefüllt ist (solch eine Kiste nennt man „Lautsprecherbox“). Je größer die Box ist, desto weniger werden die tiefen Töne geschwächt.

Lautsprecher, die am Rand des Bildschirms oder Fernsehers oder in einem Notebook eingebaut sind, haben deshalb keinen guten Klang. Erschwerend kommt hinzu, dass in den flachen Bildschirmen kaum Platz für Dämmungsmaterial ist. Der Ton aus einem separaten Lautsprecherpaar ist wahrscheinlich besser als der Ton aus dem Bildschirm. Doch es ist erstaunlich, wie viel durch elektronische Maßnahmen verbessert werden kann. Auch wenn Ihnen der Verkäufer die Soundqualität anpreist – zu Hause klingt es anders als im Verkaufsraum. Wenn Sie einen Fernseher kaufen, sollte er sicherheitshalber einen Anschluss für die Stereoanlage oder wenigstens für externe Lautsprecher haben, die klingen bestimmt besser als die internen Lautsprecher!

Kabel vom Typ HDMI, DisplayPort und Thunderbolt übertragen neben dem Bildsignal auch den Ton. VGA und DVI können das nicht, es wird zusätzlich zum Videokabel ein separates Tonkabel mit „Klinkensteckern“ an beiden Enden benötigt.