Tontechnik – Das Computerkätzchen

Das erstaunliche Gehör

Wenn die Luft ein See wäre,
und Schall wäre Wellen auf dem See,
dann wäre dein Ohr wie eine Messlatte am Rand des Sees.

Auf diesem See schwimmt ein Kätzchen mit Schwimmring, und eine Ente. Ein Fisch taucht an die Oberfläche. Das Kätzchen am Ufer hält eine Messlatte ins Wasser.

Allein anhand der Wasserbewegung
hoch und runter
an der Messlatte
würdest du feststellen,
was im See schwimmt, wie weit es weg ist und wie kräftig es planscht.

An der Messlatte bewegt sich das Wasser hoch und runter.

Schallwellen

Schallwellen sind eine schwingende Bewegung der Luft.

Ein Lautsprecher erzeugt Druckwellen in der Luft. Sie wandern durch die Luft bis zum Ohr.

In deinem Gehörgang sitzt ein dünnes Häutchen, das Trommelfell.

Schallwellen bewegen es vor und zurück. Diese Bewegung ist, was du eigentlich hörst.

Leise Geräusche bewegen das Trommelfell nur ein kleines bisschen.

Als Kurve gezeichnet haben leise Geräusche flache Täler und Hügel.

Laute Geräusche bewegen es weiter nach innen und außen.

Als Kurve gezeichnet haben laute Geräusche tiefe Täler und hohe Hügel.

Lautsprecher

Ein Lautsprecher hat eine Membran. Er bewegt sie hin und her, um die Luft in Schwingung zu versetzen.

Die Anzahl Schwingungen in einer Sekunde nennt man die Frequenz.

Tiefe Töne haben eine niedrige Frequenz. Sie schwingen langsam.

Als Kurve gezeichnet haben tiefe Töne einen großen Abstand zwischen den Spitzen.

Hohe Töne schwingen öfter pro Sekunde.

Als Kurve gezeichnet haben hohe Töne einen kurzen Abstand zwischen den Spitzen.

Im nächsten Abschnitt siehst du eine andere Art, diese Bewegung darzustellen…

Ton als Signal

Hier ist die Bewegung des Lautsprechers von eben als Kurve gezeichnet.

Die Kurve zeigt, an welcher Stelle sich die Lautsprechermembran befindet. Wenn die Lautsprechermembran nach außen geht, geht die Kurve nach unten. wenn die Lautsprechermembran nach innen geht, geht die Kurve nach oben.

Im ersten Bild ist die Membran in der Mitte.

Nach einer Millisekunde (eine Tausendstel Sekunde!) ist sie ein Stück weit weg…

…und nach drei Millisekunden ist sie schon auf der anderen Seite.

Eine Schwingung pro Sekunde ist ein Hertz. Menschen können Töne ab 16 Hertz hören. Kinder hören oft bis über 20.000 Hertz!

Die Spannungskurve

Lautsprecher werden durch elektrische Spannung gesteuert.

Die Spannung bewegt die Membran, wenn ihre Stärke oder Richtung sich ändert.

Ein Mikrofon erzeugt aus Schallwellen eine elektrische Spannung.

Die Spannung kann man als Kurve zeichnen. Das nennt man ein analoges Audio-Signal.

Diese Kurve sieht genauso aus wie die Bewegungskurve.

Überlagerung

Stell dir vor, du spielst auf zwei Lautsprechern zwei verschiedene Töne.

Du hörst auf beiden Ohren beide Töne. Aber dein Trommelfell kann nicht an zwei Stellen gleichzeitig sein!

In Wirklichkeit vermischen sich die Schwingungen. Zusammen ergeben sie ein anderes Bewegungsmuster. Das nennt man Überlagerung.

Aus einer Kurve, die schnell schwingt und einer, die langsamer schwingt ergibt sich eine neue Kurve, die ganz anders aussieht.

Dein Gehirn kann genau erkennen, aus welchen Geräuschen dieses neue Muster besteht.

Ein einziger Handylautsprecher kann problemlos zwei Leute am anderen Ende hörbar machen.

Natürliche Klänge (z.B. Sprache) setzen sich aus vielen verschiedenen Tönen zusammen.

Das heißt: Sie enthalten viele Frequenzen. Als Kurve sehen sie kompliziert aus.

Die Kurve hat viele unregelmäßig wirkende Hügel und Täler.

Übrigens:

Wenn zwei genau gegensätzliche Schwingungen sich treffen, löschen sie sich gegenseitig aus.

Auf diesem Trick basieren zum Beispiel Noise-Cancelling-Kopfhörer.

Das Kätzchen trägt Noise-Cancelling-Kopfhörer. Die Kopfhörer haben ein Mikrofon und nehmen störende Geräusche auf. Dann erzeugen die Kopfhörer ein genau gegensätzliches Tonsignal. So sorgen sie dafür, dass das Kätzchen die Geräusche nicht hört.

Stereo

Die meisten Menschen und Tiere hören mit zwei Ohren.

Wenn ein Geräusch auf einem Ohr später ankommt als auf dem anderen, können sie so die Richtung bestimmen.

Wenn du zwei Lautsprecher hast, kann der linke ein anderes Signal abspielen als der rechte. Diese Technik heißt Stereo.

Das Kätzchen hat zwei Kopfhörer in den Ohren. Der linke spielt ein anderes Signal ab als der rechte.

Kopfhörer sind kleine Lautsprecher. Sie drehen sich mit deinem Kopf. Du hörst das linke Signal immer am linken Ohr.

Freistehende Lautsprecher drehen sich nicht mit. So nimmst du die Richtungen anders wahr.

Diese beiden Kätzchen hören Musik aus dem gleichen Lautsprecher. Das eine Kätzchen hat das linke Ohr näher am Lautsprecher, das andere hat das rechte Ohr näher am Lautsprecher. Kommt die Musik nun von rechts oder von links?

Es gibt Sound-Systeme mit Lautsprechern in allen Richtungen. Sie können dir das Gefühl geben, ganz in eine Klang-Umgebung einzutauchen.

Dieses Kätzchen genießt das intensive Erlebnis zwischen vier Lautsprechen, die ringsum eine Klangwelt erzeugen.

Analog zu Digital

Ein Computer kann aus dem analogen Signal eine digitale Audio-Datei machen.

Dafür misst er in winzigen Zeitabständen die aktuelle Spannung des Signals.

Zum Beispiel 48.000-mal pro Sekunde!

Der Analog-Digital-Wandler zerlegt die glatte, runde Kurve in ein abgehacktes stufenförmiges Muster. Das digitale Signal sieht nie genau so aus wie das analoge Original.

Die Abtastrate gibt an, wie oft der Computer die Messung in jeder Sekunde vornimmt.

Die Auflösung ist der kleinste Spannungsunterschied, den er darstellen kann.

Aus der Abtastrate und der Auflösung ergibt sich die Bitrate – und damit auch die Größe – einer Audio-Datei.

Dateiformate

Der Computer speichert Audio-Signale in Dateien. Dafür gibt es verschiedene Formate.

Einfache Formate eignen sich für Archive, brauchen aber viel Speicherplatz.

Ein einfaches Format wie .wav ist wie eine extrem flauschige Katze, die in ihrer ganzen fluffigen Pracht den Raum ausfüllt.

Verlustfrei komprimierte Dateien sind kleiner, ohne dass dabei Information verlorengeht.

Ein verlustfrei komprimiertes Format wie .flac ist wie wenn die extrem flauschige Katze sich in einen Pappkarton setzt. Das fluffige Fell wird zusammengedrückt und die Katze füllt weniger Raum aus, obwohl ihr ganzer Pelz noch dran ist.

Nochmal kleiner sind Audio-Dateien, die an unwichtigen Stellen ihre Genauigkeit verringern.

Dieses Prinzip benutzen verlustbehaftete Dateiformate.

Ein verlustbehaftetes Dateiformat wie .mp3, .opus oder .ogg ist wie wenn die extrem flauschige Katze zum Katzenfriseur geht. Das fluffige Fell am Bauch und am Rücken wird abrasiert, aber die warme Pracht bleibt am Kopf und am Schwanz erhalten. So ist die Katze jetzt viel kleiner, aber immer noch beeindruckend.

Streaming

Streaming-Dienste erlauben dir, Musik auf dein Gerät zu laden.

Du kannst sie aber nicht kopieren oder in einer eigenen Sammlung archivieren.

Der Streaming-Dienst kann Musikstücke sogar ganz löschen.

Ein kleines Kätzchen bezahlt der Katze vom Streamingdienst eine Menge Geld, um am Handy Musik hören zu können. Aber der Streamingdienst gibt nur ganz wenig Geld weiter an das andere Kätzchen, das die Musik spielt.

Musiker*innen verdienen durch Streaming-Dienste sehr wenig Geld. Erst nach 300 bis 1000 Streams bekommen sie einen einzigen Euro.

Deshalb wird oft empfohlen, Musik direkt bei den Künstler*innen zu kaufen.

Über dieses Heft

Text: Dorothea Koch, Lian Herzberg

Illustration: Lian Herzberg

Fachlektorat: Alva Sol Millicent

Kontakt: miau@computerkaetzchen.de

Infos und Shop: www.computerkaetzchen.de

Für diese Ausgabe hat das Computerkätzchen mit einem echten Profi zusammengearbeitet: Dorothea Koch ist Musikerin, Informatikerin und unterrichtet in beiden Fachgebieten.

Worträtsel

Verwandelt elektrische Spannung in Musik
Schall ist eine …
Macht einen Unterschied zwischen einem linken und einem rechten Signal
Audio-Dateien sind nicht analog, sondern …
Gibt an, wie schnell etwas schwingt

Spezial-Wort: Größeneinheit für Schwingungen pro Sekunde

Die extrem flauschige Katze hat sich nach der Rasur einen warmen Flauschpullover angezogen. Sie ist auf einer Herbstparty zwischen buntem Laub und anderen Katzen, die zur Musik tanzen.