Sample Rate en Bit Depth in de digitale audiowereld

Als mensen muziek gaan produceren, houden ze zich eerst bezig met het leren van de DAW, de verschillende effecten zoals equalizer of compressor, opnemen, MIDI schrijven... Maar slechts weinigen houden zich bezig met de termen sample rate en bitdiepte.

En toch zijn dit twee zulke belangrijke aspecten in de digitale audiowereld die niet echt moeilijk te begrijpen zijn - en als je ze eenmaal begrepen hebt, zal het leven je veel gemakkelijker afgaan, op het laatst bij het exporteren van je projecten. Of bij het importeren van samples in uw project.

Een deel van de schuld ligt bij moderne DAW's zoals Ableton Live, die het concept van sample rate (bemonsteringsfrequentie) en bitdiepte zo eenvoudig maken dat producers zich er niet eens mee bezig hoeven te houden - omdat Live de audiobestanden automatisch converteert naar de sample rate van het project zonder erop te wijzen. Met Pro Tools, bijvoorbeeld, moet je de samples actief converteren voordat je ze zelfs maar kunt importeren.

Om het concept te begrijpen, moeten we eerst kijken naar het conversieproces van analoge audiosignalen naar digitale audiosignalen.

Wat is digitale audio?

Digitale audio is geluid dat is opgenomen in een digitaal formaat. Dit betekent dat het audiosignaal wordt weergegeven door een opeenvolging van nummers die kunnen worden opgeslagen en verwerkt door digitale apparaten zoals computers, digitale audiospelers en digitale audio-werkstations.

Bij digitale audio wordt de geluidsgolf van het audiosignaal met regelmatige tussenpozen bemonsterd (opgenomen) en wordt aan elk monster een digitale waarde toegekend. Dit proces wordt analoog-naar-digitaal conversie (ADC) genoemd.

De kwaliteit van digitale audiosignalen wordt bepaald door twee factoren: de sample rate (het aantal samples dat per seconde wordt opgenomen) en de bit depth (de hoeveelheid informatie die in elk sample wordt opgeslagen).

Bijpassend: ADAT - Alles over de interface in digitale audioapparatuur

Wat is precies de bemonsteringsfrequentie?

De digitale bemonsteringsfrequentie (sample rate) geeft aan hoeveel keer per seconde het analoge signaal wordt opgenomen om een digitaal signaal te produceren. Hoe hoger de bemonsteringsfrequentie, hoe "nauwkeuriger" (d.w.z. vaker) het signaal wordt opgenomen. Er is echter ook meer opslagruimte nodig omdat er meer informatie wordt opgeslagen.

De sample rate wordt gespecificeerd in kHz en kan worden ingesteld in de DAW. Als u meerdere interfaces of andere digitale audio-apparaten met elkaar verbindt, moet u alle apparaten op dezelfde sample rate instellen - maar de meeste USB en Thunderbolt audio-interfaces zullen hun sample rate automatisch aanpassen aan die van de DAW.

In de regel zijn de volgende bemonsteringsfrequenties beschikbaar: 44,1 kHz, 48 kHz, 96 kHz, 192 kHz. Deze nummers zijn niet willekeurig gekozen, maar hebben een reden.

44,1 kHz

Deze bemonsteringsfrequentie werd eind jaren zeventig gekozen voor het compact disc-formaat (CD). De reden voor deze keuze is enigszins gecompliceerd. Zij houdt verband met de hoogste frequentie die nauwkeurig kan worden gereproduceerd (de Nyquist frequentie, die de helft van de sample rate is).

De hoogste frequentie die de meeste mensen kunnen horen ligt rond de 20 kHz, dus een bemonsteringsfrequentie van 40 kHz zou theoretisch voldoende zijn. Er wordt echter een filter gebruikt om aliasing te voorkomen, en dit filter is niet perfect - het heeft een overgangsbandbreedte nodig. Daarom is gekozen voor 44,1 kHz in plaats van 40 kHz om het filter wat speelruimte te geven.

De videotechnologie van die tijd (gebruikt in het masteringproces voor cd's) had een standaard van 13,5 MHz, en 44,1 kHz is 1/294 van die frequentie, zodat het een praktische keuze was die voldeed aan de technische eisen.

48 kHz

Deze sample rate is de standaard geworden voor audio in professionele videoproducties, waaronder digitale televisie, digitale video, DVD's en digitaal filmgeluid. De exacte reden voor de keuze van 48 kHz is niet helemaal duidelijk, maar waarschijnlijk is het een hogere frequentie die nog steeds een redelijke hoeveelheid gegevensopslag en verwerkingskracht toelaat, en iets meer ruimte biedt voor anti-aliasing filters dan 44,1 kHz.

96 kHz en 192 kHz

Dit zijn gewoon veelvouden van 48 kHz en worden gebruikt in audioformaten met hoge resolutie. Het idee is dat hogere bemonsteringsfrequenties hogere frequenties kunnen weergeven en een nauwkeuriger weergave van het oorspronkelijke analoge signaal bieden. Het is echter de vraag of deze hogere frequenties daadwerkelijk hoorbaar zijn voor mensen.

Ook interessant: De 8 beste microfoons voor rappers en zangers in 2023

Welke bemonsteringsfrequentie is geschikt voor mij?

De keuze van de juiste bemonsteringsfrequentie hangt af van verschillende factoren:

1. 44,1 kHz: Als u muziek produceert voor cd's of uw opnamen voornamelijk bestemd zijn voor streaming op internet, is 44,1 kHz een goede keuze. Dit is de standaard bemonsteringsfrequentie voor cd's en de meeste platforms voor online muziekdistributie.
2. 48 kHz: Als u audio voor video produceert, is 48 kHz de standaard bemonsteringsfrequentie. Dit is ook een gebruikelijke bemonsteringsfrequentie voor podcasts en audioboeken.
3. 96 kHz of 192 kHz: Als u audio in hoge resolutie produceert, bijvoorbeeld voor Blu-ray of speciale high-end audio-uitgaven, kunt u een van deze hogere bemonsteringsfrequenties overwegen. Opnemen in dergelijke formaten vergt echter zoveel geheugen en verwerkingskracht dat het voor de meeste toepassingen niet de moeite waard is.

Ik raad alle muziekproducenten en geluidstechnici aan om altijd in 48kHz te werken, omdat dit een goed compromis is tussen kwaliteit en rekenkracht. Theoretisch is 44,1kHz helemaal voldoende omdat de CD en Spotify & Co. toch in 44,1kHz draaien, maar je bent gewoon flexibeler omdat je later altijd van 48kHz naar 44,1kHz kunt downsamplen - het omgekeerde is niet mogelijk.

Kun je het verschil horen bij hogere sampling rates?

Dit is een zeer omstreden onderwerp in de audiowereld - het feit is dat ons menselijk gehoor toch maar tot 20 kHz hoort en dat 44,1 kHz daarvoor perfect volstaat. Hogere bemonsteringsfrequenties kunnen in sommige gevallen een voordeel zijn bij audioverwerking, maar in de uiteindelijke mix is er geen hoorbaar verschil met 44,1 kHz.

Is het de moeite waard om hogere bemonsteringsfrequenties te gebruiken?

In bepaalde gevallen kan het de moeite waard zijn, maar ik zou niemand aanraden om een compleet, groot project op te nemen in 192 kHz, aangezien de opslagvereisten enorm zouden zijn. Maar er zijn bepaalde gevallen waarin het juist voordelig kan zijn.

Normaal gesproken gaan bij het omlaag pitchen van een 44,1 kHz-sample de meeste hoge frequenties van het sample verloren, omdat er boven 22,1 kHz geen informatie meer overblijft om het nieuwe gat in de hoge frequenties op te vullen.

Als het monster echter een bemonsteringsfrequentie van 96kHz heeft, bevat het informatie tot 48kHz - en veel meer hoge frequenties blijven behouden wanneer het monster wordt verlaagd, omdat deze "ultrahoge" frequenties dan het bereik van 15-20kHz vullen.

Wat is de bitdiepte?

De bitdiepte geeft aan hoeveel mogelijke dynamische waarden elk van de samples kan opnemen. Hoe hoger de bitsnelheid, hoe nauwkeuriger de dynamiek van het nummer wordt opgenomen. Het is een maat voor de resolutie of nauwkeurigheid waarmee het oorspronkelijke analoge audiosignaal is gedigitaliseerd.

In de praktijk zijn de meest voorkomende bitdieptes bij digitale audio-opname 16 bit en 24 bit.

• 16 bit (65.536 waarden): Dit is de standaard bitdiepte voor CD's en vele digitale audioformaten. Een bitdiepte van 16 bits maakt een theoretisch dynamisch bereik van ongeveer 96 decibel (dB) mogelijk. Dit betekent dat het luidste signaal dat kan worden opgenomen ongeveer 96 dB luider is dan het zachtste hoorbare signaal.
• 24 bits (16.777.216 waarden): Dit is de standaard bitdiepte voor professionele audio-opnamen en sommige audioformaten met hoge resolutie. Een bitdiepte van 24 bits maakt een theoretisch dynamisch bereik mogelijk van ongeveer 144 dB, wat ver boven het dynamisch bereik ligt dat het menselijk oor in de praktijk kan waarnemen. Dit betekent dat meer details bewaard kunnen blijven in de stille delen van de opname die u misschien niet direct hoort, maar alleen wanneer u het volume verhoogt. Dit geeft u meer speelruimte bij het bewerken en mixen van de opname - u hoeft niet "hard" op te nemen zoals vroeger omdat de ruis zo laag is.

Het probleem is echter dat de digitale golf nooit 100 % de vorm van de analoge golf kan hebben, ongeacht de bitdiepte. Wanneer we echte geluiden omzetten in een digitaal formaat, proberen we een vloeiende, vloeiende geluidsgolf vast te leggen met een reeks individuele waarden. Maar soms is de exacte waarde die we nodig hebben niet beschikbaar, dus moeten we afronden naar de dichtstbijzijnde waarde. Dit proces heet kwantificeren.

Deze afronding introduceert een beetje willekeur in het digitale geluid. We horen deze willekeur als een heel zacht achtergrondgeluid, vergelijkbaar met het zachte gesis dat je in een stille kamer hoort. Dit wordt achtergrondruis genoemd.

Soms kan de manier waarop we het geluid bemonsteren herhalende patronen in dat geluid creëren, waardoor het bij bepaalde frequenties meer opvalt. Dit wordt gecorreleerde ruis genoemd.

Om deze patronen te vermijden, kunnen we een extra willekeurige variabele toevoegen bij het afronden van de waarden. Dit proces heet dithering en helpt het geluid gelijkmatiger te verdelen en minder op te vallen.

Het niveau van deze achtergrondruis bepaalt het stilste geluid dat we kunnen opnemen - omdat ons signaal altijd luider moet zijn dan deze achtergrondruis om het zuiver te houden.

Anderzijds is er een grens aan het hardste geluid dat we kunnen opnemen voordat het begint te vervormen. Dit bereik tussen het zachtste en het hardste geluid is het eerder genoemde dynamische bereik.

Wanneer heb je welke bitdiepte nodig?

24 bit is erg praktisch voor opnames omdat je je geen zorgen hoeft te maken over niveaus. Het dynamisch bereik is zo groot en de ruisvloer zo laag dat je gemakkelijk kunt opnemen met -15dB omdat je later gewoon veel volume kunt toevoegen. En je zorgt ervoor dat het signaal niet vervormd wordt.

Vroeger, met 16-bit opnameapparatuur, moest je er altijd voor zorgen zo luid mogelijk op te nemen, zodat het achtergrondgeluid niet hoorbaar was - en dan was er altijd het gevaar van clippen. Met 24-bit bestaat dit probleem niet meer.

Je moet dus altijd opnemen en werken in 24 bit, maar als het nummer klaar is met masteren, moet je de uiteindelijke master exporteren in 16 bit, want dat is de standaard voor cd's en streamingdiensten.

Kun je het verschil horen tussen 16 bit en 24 bit?

Nee, je hoort het verschil niet als je naar een afgewerkt gemasterd stuk luistert. Er zijn nauwelijks muziekstukken die een groter dynamisch bereik hebben dan 96dB (misschien klassiek), dus het heeft sowieso geen zin om een groter dynamisch bereik aan te bieden.

Kant-en-klare pop, rock, R&B, hip-hop en countrymuziek hebben meestal een relatief bescheiden dynamisch bereik -... typisch rond de 10 dB - zodat in theorie 8 bits ook voldoende zou zijn. Dit komt deels doordat de muziek tijdens de productie zwaar wordt gecomprimeerd (met compressoren of limiters), waardoor het dynamisch bereik van het nummer afneemt.

Daarom werken alle streamingdiensten nog steeds met 16 bit - en natuurlijk om ruimte redenen. Het enige voordeel van 24 bit ten opzichte van 16 bit is het grotere dynamische bereik en dus een lagere ruisvloer tijdens de opname.

Dus welke combinatie van bemonsteringsfrequentie en bitdiepte is het beste?

Voor muziekproducties wordt een bemonsteringsfrequentie van 48 kHz bij een bitdiepte van 24 bits aanbevolen, omdat dit een goed compromis vormt tussen kwaliteit en bestandsgrootte. Dit geeft u een zeer groot dynamisch bereik om mee te werken en een vrijwel onbeperkt frequentiebereik tot 24 kHz - veel meer dan wij zelfs kunnen horen.

En daarmee hebben we alle mogelijkheden om later voor alle media te exporteren - en ons uiteindelijke audiobestand, dat we dan naar de streaming platforms brengen, moet 44,1 kHz bij 16 bit hebben. Dat is het formaat dat streamingdiensten en cd's verwachten.