VoIP is een oorzaak Deel 1: geluid en het menselijk gehoor Er is en wordt binnen de IT-wereld veel geschreven over VoIP, want de potentie van deze technologie voor het bedrijfsleven is enorm. Migratiestrategieën, implementatiemethodes, business cases en redundantie- en capaciteitsberekeningen voor netwerkverbindingen komen daarbij veelvuldig aan bod. Helaas wordt er meestal aan voorbij gegaan dat het transporteren van geluid via een IP-netwerk een uitgesproken delicaat karwei is. In een serie van vier artikelen zoom ik daarom in op de aspecten die vanuit geluid en audio bekeken belangrijk zijn als je met VoIP aan de slag gaat. Er komen hierbij vijf hoofdonderwerpen aan bod: geluid, het menselijk oor, analoge audio, digitale audio en tenslotte VoIP. Over deze onderwerpen zijn boeken of zelfs bibliotheken volgeschreven door kundige wetenschappers. Ik zal dan ook niet te gedetailleerd op alle aspecten in gaan, want dan worden de artikelen wel erg lang. Ik streef er vooral naar om te zorgen dat je na het lezen van de artikelen beschikt over een goede basis die van pas komt om VoIP (nog) beter te begrijpen. Mijn overtuiging hierbij? VoIP is een oorzaak!
Wat is geluid? Simpel gezegd is geluid een trilling. In het dagelijks leven meestal een trilling die zich via de lucht voortplant. De trilling zorgt in de lucht voor variatie in druk die, mits de snelheid waarmee de druk wisselt en het verschil in druk groot genoeg zijn, door het menselijk oor kan worden waargenomen. Dr. Daniel Russel heeft een serie mooie animaties gemaakt van hoe voortplanting van de trilling eruit ziet. Zoals te zien is komt het medium (de lucht) daarbij weer terug in startpositie. Geluid verplaatst dus geen lucht (zoals wind dat wel doet), maar beweegt het heen en weer. Een belangrijke eigenschap van geluid is dat het een continue signaal betreft. Het is niet op een of andere manier in tijdsintervallen opgeknipt. Je kunt een geluidsgolf op ieder willekeurig moment bekijken en er zal daarbij altijd een bepaalde luchtdruk meetbaar zijn. Een andere eigenschap is dat voortplanting van geluid door de lucht of ander medium tijd kost. Als je op een voetbalveld van 100m lengte een startpistool afvuurt aan de ene kant dan duurt het rond de 0,29s voordat de knal aan de andere kant hoorbaar is. Geluid reist namelijk door de lucht met een snelheid van ongeveer 344m/s (±1240km/u). De exacte snelheid is afhankelijk van factoren als temperatuur, exacte scheikundige samenstelling van het medium en luchtdruk, maar op zeeniveau zijn de verschillen die in de lucht optreden verwaarloosbaar. Geluid is een continue signaal en doet er ongeveer 0,29s over om een voetbalveld over te steken Geluid kan worden verdeeld in drie categorieën. Het kan een periodiek geluid zijn, waarbij een duidelijk repeterend patroon van drukwisselingen te herkennen is. Het kan non-periodiek zijn, waarbij er wel constant geluid is, maar zonder (duidelijk) repeterend patroon. Ruis is een typisch non-periodiek geluid. Als laatste er kan sprake zijn van een impuls. Dat is een kort eenmalig geluid, zoals bijvoorbeeld de knal van het eerder afgevuurde startpistool. Ieder geluid kan worden ontleed tot een combinatie van deze drie vormen.! Afbeelding1.1
De meest eenvoudige vorm van periodiek geluid is een sinusgolf. Hoe een sinusgolf klinkt weten we allemaal, want de kiestoon die je hoort voor een telefoongesprek is een sinusgolf. Zoals in de afbeelding hierboven te zien valt, heeft de sinusgolf een duidelijk repeterend karakter. Alle drukverschillen volgen elkaar zeer gelijkmatig op. Hoe sneller de drukverschillen elkaar in de tijd opvolgen, hoe korter één periode van de sinusgolf duurt. Het aantal perioden dat in een seconde past, wordt de frequentie genoemd. De frequentie wordt uitgedrukt in Hertz (Hz), waarbij 1Hz dus gelijk is aan één periode per seconde. Afhankelijk van de frequentie, heeft de sinusgolf een bepaalde golflengte die wordt uitgedrukt in Lambda (λ). De golflengte is gelijk aan de afstand die geluid aflegt in één periode. Bij 344m/s heeft een sinusgolf met een frequentie van 1Hz dus een golflengte van 344m. De frequentie en de golflengte zijn hierbij onlosmakelijk met elkaar verbonden: hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de golflengte en vice versa. Frequentie en golflengte zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden: hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de golflengte en vice versa. de decibel (db) Het drukverschil dat een geluid veroorzaakt wordt de amplitude genoemd en uitgedrukt in Pascal. De eenheid Pascal is gedefinieerd als de druk die een kracht van 1Newton uitoefent op 1m². In de praktijk is dit geen handige eenheid om mee te werken bij geluid. Dat heeft alles te maken met ons gehoor. Het zachtste geluid dat het menselijk oor kan waarnemen heeft een druk van ongeveer 20µPa. Geluid dat zo hard is dat we het als pijnlijk ervaren, is ongeveer 20Pa. Dat is 1.000.000 keer zoveel. Beroemde wetenschappers van weleer hebben voor dit probleem twee slimme dingen bedacht. Allereerst bedachten ze om de drukverschillen te plotten op een logaritmische schaal die de verhoudingen tussen geluidsdrukniveaus weergeeft. Dit maakt het enorme bereik al beter behapbaar. De eenheid voor logaritmische verhoudingen is de Bel. Omdat de Bel te grof bleek om prettig mee te werken, besloten ze de decibel (db) te gebruiken. Ééntiende Bel dus. Voor geluidsdruk wordt als standaard de gehoordrempel van 20µPa als referentiepunt gebruikt: 20µPa is gelijk aan 0dB SPL (Sound Pressure Level, geluidsdrukniveau). Omdat de schaal logaritmisch is, is de pijndrempel van 20Pa gelijk aan 120dB SPL. Hierbij geldt dat iedere verdubbeling van de geluidsdruk resulteert in een toename van 6dB. Dat maakt het leven een heel stuk makkelijker! Belangrijkste om te onthouden is dat de decibel altijd een verhouding aangeeft. Je kunt dus niet zeggen dat een geluid 40dB is. Je moet specificeren wat je referentie is, dus bijvoorbeeld 40dB SPL als je refereert naar geluidsdruk. En zo zijn er zeker nog enkele tientallen andere vormen van de decibel als het over geluid of audio gaat. Omdat de decibel een verhouding aangeeft, kun je wel zeggen dat een bepaald signaal of geluid 40dB harder is dan een ander: 80db SPL is 40dB harder dan 40dB SPL.
Het menselijk gehoor De kop is eraf. We weten nu op hoofdlijnen wat geluid is en hoe we de frequentie en amplitude kunnen uitdrukken. Ook is een klein tipje van de sluier opgelicht over de eigenschappen van het menselijk gehoor. Ons gehoor werkt erg ingewikkeld. Zo ingewikkeld dat de moderne wetenschap nog niet volledig ontrafeld heeft hoe het precies werkt. Moeder natuur heeft er echt wat speciaals van gemaakt! Allereerst bestaat het menselijk oor uit drie delen: het buitenoor, het middenoor en het binnenoor. Een groot deel van het buitenoor is voor iedereen zichtbaar: de oorschelp. De vorm en ribbels van de oorschelp helpen bij het lokaliseren van geluid en versterkt of verzwakt bepaalde frequentiegebieden. Ook de gehoorgang en het trommelvlies maken deel uit van het buitenoor. De gehoorgang is ongeveer 25 tot 35mm lang vanaf de ingang tot het trommelvlies. Het trommelvlies bevindt zich op het koppelvlak met het middenoor. Het vlies is elastisch en zet de drukverschillen die het oor bereiken om in mechanische trillingen. Deze trillingen worden in het binnenoor opgevangen door drie kleine botjes: hamer, aanbeeld en stijgbeugel geheten. Deze botjes werken samen om de trilling van het trommelvlies door te geven aan het ovale venster, waar het binnenoor begint. Het middenoor heeft meerdere functies, waarvan ik de twee belangrijkste uitlicht. Allereerst zorgt het middenoor voor het versterken van de mechanische trilling van het trommelvlies. Het binnenoor is gevuld met vloeistof en de trilling van het trommelvlies is te zwak om hier voldoende beweging in te brengen. Daarnaast biedt het middenoor enige bescherming tegen gehoorschade. Door samentrekking van in het middenoor aanwezige spieren bij hard geluid (>75dB SPL) worden de trillingen enigszins gedempt. Het ovale venster is een stug membraan dat samen met de stijgbeugel het slakkenhuis afsluit. Het slakkenhuis bevat vloeistof die door de trillingen in beweging wordt gebracht. Net zoals zeewier in de oceaan, wuiven ongeveer 25.000 microscopisch kleine haartjes in het slakkenhuis heen en
weer door de trillingen. Deze haartjes vormen het basilaire membraan. Dit membraan geeft prikkels door aan de gehoorzenuw. Via de gehoorzenuw komen we bij de hersenen, waar de zenuwprikkels er in de auditieve cortex voor zorgen dat er sprake is van perceptie en we geluid dus daadwerkelijk kunnen horen. Het menselijk oor kan frequenties waarnemen van 20Hz tot 20kHz. Dat is op jonge leeftijd en zonder gehoorbeschadigingen. In de hoofdstukken over geluid en de decibel is al naar voren gekomen dat het oor beperkingen heeft voor het hardste en zachtste geluid dat kan worden waargenomen. Ook de minimale en maximale frequentie die het oor kan verwerken kent grenzen. De laagst hoorbare frequentie voor de mens is ongeveer 20Hz en 20kHz de hoogste. Zowel de waarneming van frequentie als amplitude kan door diverse factoren beïnvloed worden. Zo zal een persoon van 60 jaar frequenties van boven de 10kHz doorgaans niet meer kunnen horen. En kan iemand die gehoorschade heeft geluiden van 70db SPL al als pijnlijk ervaren. Ook is het gehoor niet lineair. Een geluid dat bij gelijke amplitude veranderd in frequentie, zal niet over het hele frequentiebereik als even luid worden ervaren. Onder 300Hz en boven 6kHz verliest het oor aan gevoeligheid. Het meest gevoelige gebied ligt rond de 4kHz. Reden hiervoor is dat veel geluiden in de wereld om ons heen in dit frequentiegebied essentiële informatie bevatten. Denk aan spraakverstaanbaarheid (medeklinkers als de s, t, g, k) en struikgeritsel (van een naderend roofdier). Ons gehoor is extreem gevoelig in het tijdsdomein. Als een geluid uit een bepaalde richting komt, dan bereikt dit onze oren niet op hetzelfde moment. Simpelweg omdat onze oren precies één hoofd van elkaar verwijderd zijn. Ondanks de wetenschap dat geluid een snelheid van 344m/s heeft en ons hoofd dus in een fractie van een seconde gepasseerd wordt, weten we dit minieme tijdsverschil feilloos waar te nemen. Er zijn onderzoeken gedaan waarbij de proefpersonen in staat waren om tijdsverschillen van 10µs waar te nemen! Hier aan gekoppeld is ons gehoor ook extreem goed in staat om onderbrekingen van geluid op te vangen. Onderbrekingen van 1ms kunnen al hoorbaar zijn en 5ms wordt vaak al als storend ervaren. Dit komt mede omdat abrupte onderbrekingen van geluid in de natuur vrijwel niet voorkomen en dus is het een signaal dat er iets vreemds aan de hand is. Misschien dreigt er wel levensgevaar. Herhaaldelijke, abrupte onderbrekingen van geluid leiden de aandacht af, gaan ten kosten van de spraakverstaanbaarheid en zorgen bovenal voor een negatieve beleving bij de luisteraar. In deel drie en vier van deze reeks zal duidelijk worden dat het voorkomen van abrupte onderbrekingen één van de belangrijkste succesfactoren voor VoIP is. Het zal echter ook duidelijk worden dat dit één van de meest complexe uitdagingen is Lees ook Deel 2: analoge audio geschreven door Marcel Kornegoor - 09-2016 www.kornegoor.org