Abtastrate und Audio-Sampling: ein Leitfaden für Anfänger.
Jedes Mal, wenn Audiodateien von einer analogen Tonquelle gemixt werden, findet am Computer eine Berechnung statt. Der Sound einer Gitarre, eines Keyboards oder eines anderen Instruments werden in digitale Daten umgewandelt. Die Abtastrate, auch Samplerate genannt, ist dabei entscheidend für die Qualität der Umwandlung.
In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie sich die Abtastrate auf die Qualität digitaler Audiodaten auswirkt und welche Rolle die Samplingtiefe (Bittiefe) spielt. Außerdem zeigen wir dir, wie du eine gesampelte Audiodatei konvertieren und komprimieren kannst, damit sie sich leichter bearbeiten und verschieben lässt.
Was dich erwartet
- Was versteht man unter Abtastrate?
- Was ist die Samplingtiefe?
- Wieso ist die Abtastrate von 44,1 kHz der Standard für Audiodateien?
- Welche Samplerates gibt es und wofür werden sie verwendet?
- Kann ich eine Audiodatei ohne Qualitätsverlust komprimieren?
- Wie kann ich eine Audiodatei in Adobe Audition in eine andere Abtastrate konvertieren?
- Häufig gestellte Fragen.
Was versteht man unter Abtastrate?
Die Samplingrate oder Samplerate, im deutschen auch Abtastrate genannt, definiert in der digitalen Signalverarbeitung die Häufigkeit, in der ein Analogsignal in einer vorgegebenen Zeit abgetastet wird. Genau genommen finden bei der Audioaufnahme in regelmäßigen Abständen Abtastvorgänge (Samples) entlang der Schallwellen statt, diese werden von einem analogen in ein digitales Format umgewandelt.
Die Samplingrate kannst du ganz einfach mit einer Formel berechnen: Abtastrate = 1 / Abtastvorgänge pro Sekunden. Eine höhere Abtastrate führt in der Regel zu einer besseren Qualität der Audiowiedergabe. Die Abtastrate wird in der Regel pro Sekunde gemessen, wobei Kilohertz (kHz) oder Zyklen pro Sekunde für die Messung verwendet werden. CDs werden in der Regel mit 44,1 kHz aufgezeichnet, es werden also pro Sekunde 44.100 Samples (Abtastvorgänge) aufgenommen.
Und da geht noch mehr: In der Videoproduktion werden in der Regel 48 kHz eingesetzt, für Aufnahmen für Kino und Audio-DVDs kommen sogar Samplerates von 96 kHz zum Einsatz. Wenn du den Umgang mit der Samplingrate beherrschst, kannst du noch hochwertigere Audioaufnahmen bereitstellen. Sobald du deine Aufnahme digitalisiert hast, kannst du sie mischen und bearbeiten, ohne dass diese an Klangqualität verliert.
Die endgültige Klangqualität einer Aufnahme hängt nicht nur von der Abtastrate, sondern auch von der Bittiefe ab.
Wie gut die Klangqualität deiner Aufnahme schlussendlich wird, hängt aber nicht nur von der Samplingrate ab, auch die Samplingtiefe spielt als zweiter Parameter eine Rolle beim Digitalisierungsvorgang eines Audiosignals. Wir schauen sie uns im nächsten Abschnitt etwas näher an.
Was ist die Samplingtiefe?
Jedes Sample, das du bei einer Audioaufnahme aufnimmst, wird anschließend in "Bits" deines Computers gespeichert. Je mehr Bits für die Aufnahme jedes Samples verwendet werden, desto besser ist am Ende die Klangwiedergabe. In der Musikproduktion definiert Bit den Informationsgehalt eines Samples. Eine hohe Abtastrate in Verbindung mit einer hohen Samplingtiefe (auch "Bitrate" oder "Bittiefe" genannt) liefert die beste Audioqualität für deine Aufnahme.
Je höher die Bittiefe, desto größer ist der Dynamikbereich eines Signals. Der Dynamikbereich oder Dynamikumfang ist der Unterschied zwischen den leisesten und den lautesten Tönen in einer Mischung oder einer Audiodatei und wird in Dezibel (db) gemessen. Das menschliche Ohr kann Töne bis zu 90 dB wahrnehmen, bei Aufnahmen über diesem Pegel können leisere Töne verstärkt werden, um eine hohe Wiedergabetreue zu erzielen.
Typische Samplingtiefen sind 8-, 16-, 24- oder 32-Bit Samples. Wir haben bereits gelernt, dass Samplingtiefe und Dynamikbereich unmittelbare Auswirkungen auf die Klangqualität eines Audiosignals haben können. Pro zusätzliches Bit erhöht sich der abbildbare Dynamikumfang um 6 dB. Eine Audioaufnahme mit 24-Bit kann also einen theoretischen Dynamikumfang von 144 dB abbilden. Im Folgenden wollen wir etwas näher auf die verschiedenen Samplingtiefen eingehen:
Audioaufnahme mit 8-Bit.
Eine Audioaufnahme mit eher schlechterer Klangqualität, die eine Lautstärke von 46 dB erzeugt – etwa die Hälfte des menschlichen Hörvermögens.
Audioaufnahme mit 16-Bit.
In diesem Bereich ist das menschliche Ohr in der Lage bis zu 96 dB zu hören. Audio-CDs haben in der Regel eine Samplingtiefe von 16-Bit.
Audioaufnahme mit 24-Bit.
Mit einem Dynamikumfang von 134 dB liegt diese Bittiefe zwar über dem menschlichen Hörbereich, dennoch kann die Arbeit mit diesem Pegel sinnvoll sein. Du kannst damit das Grundrauschen einer Aufnahme reduzieren.
Audioaufnahme mit 32-Bit.
Dieser Pegel bietet dir nahezu unendlich viele Dezibel und wird eigentlich nur für besonders hochwertige Audiodaten verwendet. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn in einer Aufnahme plötzlich auftretende Geräusche ohne Begrenzer (Limiter) aufgenommen werden, der den Ausgangspegel auf einen bestimmten Wert herunterpegelt.
Das menschliche Ohr kann Töne bis zu 90 dB hören, ab 130 dB wird die Klangwahrnehmung schmerzhaft.
Wieso ist die Abtastrate von 44,1 kHz der Standard für Audiodateien?
Als Standardrate für CDs verwenden viele Audioaufnahmen eine Abtastrate von 44,1 kHz. Aber wieso liegt der Standard genau bei diesem Wert? Audio-Samplerates wurden erstmals in den 1940er-Jahren als Teil des Nyquist-Shannen-Abtasttheorems diskutiert. Der grundlegende Lehrsatz der Nachrichtentechnik und Signalverarbeitung besagt, dass jede Abtastrate die doppelte Samplingfrequenz der Originalaufnahme haben muss, damit der Klang originalgetreu wiedergegeben wird.
Das menschliche Ohr kann zwischen 20 Hertz (20 Hz) und 20 Kilohertz (20 kHz) hören. 44,1 kHz ist mehr als das Doppelte des oberen Bereichs des menschlichen Gehörs. Der Theorie folgend ist damit eine sehr genaue Wiedergabe und damit ein gutes Klangerlebnis möglich.
Die Abtastrate von 44,1 kHz für CDs gilt auch im digitalen Zeitalter nach wie vor als Standard für Audiodateien.
Manche Tontechniker nehmen immer noch mit höheren Abtastraten auf, um alle Klänge zu erfassen. In den Originalaufnahmen sind diese zwar nicht zu hören, wird aber beispielsweise ein mit 192 kHz aufgenommenes Audio-Sample heruntergepitcht, werden plötzlich bisher nicht wahrnehmbare Samplingfrequenzen hörbar.
Beim so genannten Pitchen kann Einfluss auf die Tonhöhe bzw. die Grundfrequenz eines Audiosignals genommen werden. Wäre das gleiche Sample in einer niedrigeren Abtastrate aufgenommen und heruntergepitcht worden, gingen einige der hohen Frequenzen in diesem Ton verloren.
Audiodateien, die mit einer höheren Samplerate aufgenommen wurden, werden von vielen modernen Audiosysteme trotzdem auf die Grundeinstellung von 44,1 kHz umgewandelt.
Bevor du mit einer höheren Abtastrate aufnimmst, solltest du vorab die Einstellungen deines Audiosystems überprüfen, denn viele sind auf den Standardwert von 44,1 kHz eingestellt. Mit dieser Einstellung würde dein höher aufgenommenes Audiosignal einfach in 44,1 kHz umgewandelt und deine vorangegangenen Bemühungen wären umsonst.
Samplerate-Varianten: Welche Samplerates gibt es und wofür werden sie verwendet?
44,1 kHz ist der Standard für Audio-CDs und die meisten Audiodateien – dennoch gibt es weitere Abtastraten, die entsprechend eingesetzt, für ein sehr gutes Klangerlebnis sorgen können. Wir haben bereits gelernt, dass Audiodaten mit höheren Abtastraten kein Rauschen erzeugen. Darüber hinaus können sie beim Mastering und Abmischen von Audio von Nutzen sein.
Unabhängig davon, ob das menschliche Ohr einige Töne nicht hören kann, sind sie in der Aufnahme mit höherer Abtastrate vorhanden und können im Anschluss bearbeitet werden. Folgende Samplerates sind in der Audioverarbeitung üblich:
48 kHz.
Diese Abtastrate wird neben 44,1 kHz als Standardrate verwendet.
88,2 kHz.
Der Goldstandard für hochauflösende Aufnahmen. Die Verwendung dieser Abtastrate führt zu weniger Verzerrungen bei der Umwandlung von analog zu digital und bietet mehr Freiheit beim Mischen und Mastern von Audiodateien.
96 kHz.
Ähnlich wie bei 88,2 kHz bietet diese Abtastrate mehr Möglichkeiten beim Abmischen und Mastern der Audiodaten. Die Arbeit mit diesen höheren Raten kann jedoch zu einem Problem werden, wenn dein Computer die zusätzlichen Informationen und den benötigten Speicherplatz nicht verarbeiten kann.
192 kHz.
Höher ist nicht immer gleich besser – eine Abtastrate in dieser Höhe kann bei der Übertragung zu einem Störsignal, dem Jittering führen, bei dem ein Taktzittern zu hören ist. Außerdem bleibt auch hier die Herausforderung, einen leistungsfähigen PC zu finden, der eine Audiodatei mit dieser hohen Samplerate verarbeiten kann. Wirklich nützlich ist eine Abspielrate mit 192 kHz nur zum Verlangsamen einer hochfrequenten Audioaufnahme.
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Kann ich eine Audiodatei ohne Qualitätsverlust komprimieren?
Wenn du mit hohen Samplerates arbeitest, wirst du zwangsläufig mit einer großen Datenmenge konfrontiert. Um vorab eine grobe Vorstellung davon zu bekommen, wie groß eine Audiodatei sein wird, kannst du folgende Berechnung vornehmen:
Formel:
Abtastrate (in Hertz, nicht in Kilohertz) x Bitrate x Anzahl der Kanäle x Anzahl der Sekunden = Gesamtbits
Gesamtbits / 8 = Bytes
Bytes / 1.000.000 = Megabytes oder MBs
Ein Beispiel:
44.100 Hz x 16 Bit x 2 Kanäle für Stereoaufnahmen x 4400 Sekunden (entspricht einer 74-minütigen CD-Aufnahme) = 6.209.280.000 Bits oder etwa 6,2 Mrd. Bits
6.209.280.000 Bits / 8 = 776.160.000 Bytes oder 776 Mio. Bytes
776.160.000 Bytes / 1.000.000 = 776,16 MB
Möchtest du also eine 74-minütige Audioaufnahme in einer Samplerate von 44,1 kHz auf deinem Computer abspeichern, benötigt diese einen Speicherplatz von 776,16 MB. Möchtest du mehrere Audiodateien abspeichern oder nicht zu viel Speicherplatz auf deinem PC verwenden, kann eine Komprimierung sinnvoll sein.
Dateigröße komprimieren.
Die Übertragung und Arbeit mit großen Audiodateien können herausfordernd sein. Alternativ kannst du die Dateigröße einfach komprimieren. Wir zeigen dir, wie das geht:
Die Komprimierung von Audiodateien ist seit der Einführung von MP3-Dateien gängige Praxis. Diese Dateien ermöglichten die Komprimierung von Audiodateien mit einer guten Klangqualität, wenn sie den Wert von 128 kbps (Kilobit pro Sekunde) nicht unterschreiten, für eine höhere Klangqualität solltest du mindestens 192 kbps als Samplingrate verwenden. Die Umwandlung von Tonaufnahmen in MP3 kann die Dateigröße in manchen Fällen auf bis zu 10 verringern. Das ist deshalb möglich, weil bei der Komprimierung alle Audiodateien entfernt werden, die das menschliche Ohr kaum wahrnehmen kann.
MP3-Dateien werden entweder auf 128 kbps oder auf 256 kbps und 320 kbps komprimiert. In der Regel spricht man hier von einer "verlustbehafteten" Komprimierung, bei der es zu einem Verlust an Klangqualität kommt.
Für die Komprimierung einer Audiodatei kannst du Adobe Audition verwenden. Wähle beim Speichern einfach das MP3-Dateiformat. Achte darauf, nur einmal in MP3 zu komprimieren, da mehrfaches Komprimieren einer MP3 zulasten der Klangqualität führen würde.
Verlustfreie Kompression.
Eine Alternative zum Abspeichern in MP3, ist das verlustfreie Komprimieren. Dabei wird die Dateigröße verringert, ohne etwas an Tonqualität einzubüßen. Anstatt Audiodateien zu entfernen, wie es bei der Kompression in MP3 der Fall ist, werden die Daten in der Datei auf effiziente Weise neu geschrieben. Die dafür verwendeten Dateitypen sind FLAC, WavPack, Monkey’s Audio und ALAC und dienen speziell zur Speicherung von Audiodaten. Nach der Komprimierung sie sind zwar größer als die MP3-Datei, reduzieren die Größe der Ursprungsdatei aber etwa um die Hälfte.
Wie kann ich eine Audiodatei in Adobe Audition in eine andere Abtastrate konvertiere?
Mit Audition kannst du eine Audiodatei ganz einfach in eine andere Samplerate konvertieren. Bevor du damit startest, solltest du zunächst prüfen, welche Abtastrate die Soundkarte deines Computers unterstützt, da diese begrenzt sein kann. Ist dein Computer mit der passenden Soundkarte ausgestattet, kannst du wie folgt vorgehen:
- Klicke auf den Wellenform-Editor > Bearbeiten > Sample-Typ konvertieren oder gehe in der Statusleiste einfach mit einem Doppelklick auf den Abschnitt "Sample-Typ".
- Wähle nun in der Liste Samplerate die passende Abspielrate oder gib eine individuelle Rate in das Textfeld ein.
- Klicke auf "Erweitert" und ziehe den Schieberegler "Qualität", um die Qualität der Konvertierung anzupassen. Bei höheren Werten dauert die Verarbeitung meist etwas länger als bei niedrigeren, allerdings verringern niedrige Werte den Anteil hoher Frequenzen.
- Für ein optimales Ergebnis kannst du jetzt die Option Pre/Post Filter wählen, um Störgeräusche wie Verzerrungen/Rauschen zu vermeiden.
Du möchtest die Abtastrate oder die Bittiefe einer Audiodatei verändern? Oder deine Skills im Mixing und Mastern erweitern? Adobe bietet dir viele nützliche Tutorials, die dich bei der Umsetzung deiner Audioprojekte in Audition unterstützen.
Häufig gestellte Fragen.
Was ist besser 44 oder 48 kHz?
Eine Abtastrate von 44,1 kHz ist nach wie vor der Standard bei Audio-CDs, allerdings wird eine Samplerate von 48 kHz immer häufiger, vor allem im Videobereich. Aber auch sogenannte digitale Endgeräte wie Smartphones, TV-Geräte oder Bluetooth-Lautsprecher arbeiten beim Abspielen von Audio mit einer Samplerate von 48 kHz.
Wie hoch muss eine Abtastrate sein?
In der Regel wird in der Musikproduktion mit einer Samplerate von 44,1 kHz, 48 kHz oder höher gearbeitet. Damit das menschliche Ohr überhaupt einen Ton wahrnehmen kann, sollte eine Frequenz zwischen 20 Hertz (20 Hz) und 20 Kilohertz (kHz) liegen. Als Regel gilt: Die Abtastrate sollte mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste aufzunehmende Frequenz (Nywuist-Shannon-Theorem).
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