DIGITAL AUDIO 

44.1 Khz / 16 bit. What is this?

Staying away from the difficult terrain of Fourier analysis, we just have to know that sound waves are complex, although they can be represented by a sum of simple sine waves of different frequencies.

One sine wave cycle

When we are young and healthy, we can hear from 20 Hertz to 20.000 Hertz. One Hertz means one cycle per second.

This vibrations are transformed into electric waves by a microphone, and then converted to digital by an Analog-to-Digital Converter, ADC.

As in digital photo, a digital recording of a sound is a series of zeros and ones that represent that sound. The perfection of this recording depends on a lot of factors. Two are more important: Sample Rate and Bit Depth.

First, what is a sample? In simple words is a measure, like a snapshot, taken at a certain time. But sound is movement, so we need a lot of snapshots. The air, stressed by a sound wave, is vibrating very quickly, up to 20.000 times in every second, so is the electric current produced by the microphone.

Harry Nyquist, a swedish scientist born in 1889, explained that we need at least two samples per cycle to be certain of the position of a sine wave.

So, to record up to 20.000 vibrations per second, we will need at least 40.000 samples in every second.

44.100 samples is the rate proposed by Philips in 1979 and used by the Audio CD Industry.

The CD size and playback length was agreed with Sony, in 1980, so that one Audio CD could contain the whole Beethoven's 9^th Symphony.

The video industry, led by Sony, uses a slightly higher sample rate, 48.000 Hz.

A rough digital sample (in grey) of an analog sine wave (in red)

So, this is the sample rate. The number of measurements per second.

Now, let’s talk about the accuracy of those measurements.

An analogy: How tall are you? Let’s measure it with different rulers, of different precisions:

Ruler 1 ( less precise )  5,9 feet.

Ruler 2 (medium)          5,906 feet.

Ruler 3 ( more precise)  5,905724379 feet.

The accuracy of those measurements need space in binary numbers, zeros and ones.

If we just use 4 bit words for that storage, our scale only allows for 16 different values. Quite rough.

                             

The effect of a high and low resolution in a picture 

With 8 bit word, we can go up to 256 values. But with 16 bit, we reach 65.536. And having a 24 bit word, we can have a 16.777.216 scale, which is 256 times more precise and accurate than the 16 bit scale!

So, when you’ll see that a recording is made in 48KHz/24 bit, you will immediately know that it was done with 48.000 samples per second and a precision of 24 bits.

In an Audio CD it will be 44.1KHz at 16 bits. Quite good, I'd say.
Some audio formats go up to 192 KHz / 32 bits. I bet our dogs will love it!

AUDIO DIGITAL

44.1KHZ / 16 BIT. O que é isto?

Sem termos de entrar no território difícil da análise de Fourier, basta-nos saber que as ondas sonoras são complexas, embora possam ser representadas por uma soma de simples ondas sinusoidais de diferentes frequências. 

Um ciclo de uma sinusóide

Quando somos jovens e saudáveis, conseguimos ouvir sons entre os 20 Hertz e os 20.000 Hertz. 
Um Hertz é um ciclo por segundo.

Estas vibrações são transformadas em ondas eléctricas por meio de um microfone e, depois, convertidas em números binários através de um Conversor Analógico Digital, CAD.

Tal como numa foto digital, uma amostra digital é uma série de zeros e uns que representam esse som. A precisão dessa representação depende de uma série de factores. Dois são os mais importantes: Frequência de Amostragem e Número de Bits.

Primeiro, o que é um sample ou amostra? É como se tirássemos uma fotografia, num determinado momento. Mas o som é movimento, por isso, precisamos de muitas fotografias. As ondas sonoras vibram a frequências audíveis até 20.000 ciclos, assim como a corrente produzida pelo microfone.

Harry Nyquist, um cientista sueco nascido em 1889, explicou que são necessárias pelo menos duas amostras por ciclo para conhecermos a posição de um impulso sinusoidal. Assim, para frequências de 20.000 ciclos precisaremos de 40.000 amostras.

A Philips, quando criou o Audio CD em 1979, propôs uma frequência de amostragem de 44.100 Hz. A sua dimensão e capacidade do CD foram calculados em 1980 num acordo com a Sony de forma a permitir incluir a totalidade da 9ª Sinfonia de Beethoven.

A indústria de vídeo usa um pouco mais, 48KHz.

Uma amostragem digital ( a cinza) de uma sinusóide analógica ( a vermelho)

Portanto, isto é a frequência de amostragem. O número de amostras por segundo.

Agora falemos da precisão dessas amostras.

Uma analogia: Qual é a sua altura? Vamos medi-la com réguas de diferente precisão.

Régua 1 ( mais grosseira )  1,8 metros

Régua 2 ( média)               1,8346 metros

Régua 3 ( mais rigorosa )   1,83469875252 metros

A precisão destes valores precisa de espaço em linguagem binária de zeros e uns.

Se tivermos palavras de 4 bits, só temos 16 diferentes valores da escala. Muito grosseiro!

O efeito de alta e baixa resolução numa imagem

Se aumentarmos para 8 bits, teremos 256, bastante melhor.

Com 16 bits temos 65.536 valores e com 24 bits 16.777.216 possibilidades, ou seja, 256 mais rigoroso que a medição com 16 bits.

Assim, quando vir que uma gravação é 48KHz/24 bit já sabe que foram tomadas 48.000 amostras por segundo e que a precisão de medida é de 1/ 16.777.216 da escala.

Num CD Audio será de 44.1KHz a 16 bits. Bem bom, na minha opinião.
Alguns formatos vão até aos 192 KHZ / 32 bits, os nosso cães devem adorar!