Винил, mp3, CD, 24 бит, 192 килогерца. Откуда берется качество?
Так почему же морально-устаревший винил до сих пор признается знатоками, как наиболее качественный источник звука? Нет ли в этом какого шаманства? Давайте отбросим эмоции и разберемся с чисто технической стороной вопроса.
96 кГц, 192 кГц
Что же такое звук? Это – переменное давление на барабанную перепонку человеческого уха. Величина давления повторяет форму электрического напряжения на входе колонок. Любую форму напряжения можно представить, как сумму бесконечного количества синусоид (Напряжение=[Амплитуда напряжения]*sin[время])) с разными амплитудами (грубо говоря, интенсивностями колебания) и частотами (количество циклов синусоиды в секунду или Герц [Гц]) от 0 до бесконечности. Эти синусоиды называют еще и гармониками. Аналогичным образом в телевизоре получается свет различных оттенков. Например, при смешении низкочастотного красного и среднечастотного зеленого светов получается желтый, а при смешении красного, синего и зеленого в различных пропорциях получается суммарное световое излучение различных других цветов и оттенков.
На основании экспериментов было принято (замечу, для среднестатистического уха), что человек слышит частоты от 20 до 20000 Гц. Попробуем привязать эти цифры к клавишам фортепиано. Самая верхняя нота фортепиано (ля 4-й октавы) имеет частоту 3520 Гц (3520 циклов синусоиды в секунду). Но фортепианный звук состоит не только из одной этой синусоиды (которая называется 1-й гармоникой), а еще из синусоид: 3520 Гц * 2=7040 Гц (2-я гармоника); 3520 Гц * 3=10560 Гц (3-я гармоника); …; 3520 Гц * 5=17600 Гц (5-я гармоника) и т.д.
Теперь посмотрим, как происходит оцифровка этих гармоник. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП – входное устройство звуковой платы) преобразует звук в цифровые отсчеты. Отсчеты представляют величину уровня сигнала, измеренную в моменты времени равномерно отстоящие друг от друга. Если частота дискретизации равна 44,1 кГц (килогерц), то за секунду будет снято 44100 отсчетов (значений уровня сигнала). Исходный сигнал (как и сигнал на виниле) изменяется плавно без скачков. Сигнал, восстановленный из цифрового, уже представляет собой ступенчатую линию, так как уровень сигнала на выходе цифрово-аналогового преобразователя (ЦАП – выходное устройство звуковой платы) держится постоянным до тех пор, пока не придет время очередного отсчета.
Первая гармоника верхней ноты имеет 3520 циклов в секунду. За один цикл успевает проскочить только 12 отсчетов при оцифровке (то есть вместо непрерывной функции мы видим 12 ступенек). А пятая гармоника (17600 циклов в секунду) уже представляет собой всего 2 ступеньки. Для предыдущей ноты (ля бемоль 4-й октавы) пятая гармоника тоже представляет собой две ступеньки. И, скажите мне: очень ли похожи прямоугольники (ступеньки) на синусоиду по звучанию? Музыканты, работающие с синтезаторами, меня поймут. В аналоговых синтезаторах имеются генераторы синусоидальных, прямоугольных, треугольных и прочих форм волны. Прямоугольное колебание сильно отличается от синусоидального даже для неискушенного слуха.
Примерно тоже самое происходит при представлении непрерывного аналогового сигнала (типа винил) ступенчатой функцией. Причем искажения усугубляются с ростом высоты тона ноты и номера гармоники. Этим-то и объясняется «сухость» CD-шной цифровой записи.
Люди, знакомые с радиотехникой и теоремой Котельникова, знают, что при оцифровке сигнала, частоте дискретизации (количеству измерений за секунду) достаточно превышать самую максимальную частоту сигнала (т.е. верхнюю слышимую частоту 20 кГц) в 2 раза, что составит 40 кГц. Но для чего достаточно? Эта теорема разрабатывалась для радиотехнического назначения, где результат оцифровки в большинстве случаев не предназначен для прослушивания. А если и предназначен, то требования к качеству звука отнюдь не аудиофильские. А вот в аудиотехнике это допущение (теорема Котельникова) дало негативный эффект «сухости звучания» цифры.
Вернемся к пятой гармонике верхней ноты фортепиано, которая превратилась из синусоиды в прямоугольник. С ростом частоты дискретизации до 192 кГц – она будет состоять уже не из 2-х, а из 11 ступенек, что, все-таки, более похоже на синус.
16 и 24 бит
Теперь рассмотрим разрядность измерений – те самые 16 и 24 бит. Они представляют собой точность, с которой производится измерение уровня сигнала. Чем больше разрядов – тем точнее измерение, тем ближе ступенчатая функция к оригиналу.
Количество разрядов имеет особое значение при оцифровке тихих звуков, даже на низких частотах. Для сигналов, уровни которых в цифровом представлении составляют единицы и десятки, уже имеет значение, насколько точно будет совпадать измеренное значение с истинным. Крайний случай – это когда синусоида с уровнем в 1 приобретает ту же самую прямоугольную форму, со всеми вытекающими ухудшениями звучания, которых нет в аналоговой «гладкой» виниловой записи. И чем больше разрядность, тем ниже этот уровень для исходного аналогового сигнала.
Поэтому, для симфонической музыки, которая имеет, как очень тихие фрагменты, так и очень громкие, количество разрядов особенно критично. Впрочем, другие музыкальные направления от этого тоже немало теряют.
Что дальше?
Так какие же имеются пути улучшения качества цифровой аудиозаписи и приближения ее качества к аналоговой «виниловой»? Чтобы понять, почему так долго живет формат CD – 44 кГц, надо вернуться к истории. Этот формат первым получил широкое распространение в бытовой аудиотехнике. Он обеспечил качество звука несравненно более высокое, чем среднестатистический кассетный магнитофон, на среднестатистической кассете, дал удобство пользования (кто еще помнит утомительные перемотки и технологию автопоиска, истиравшую кассету) и избавил от износа носитель фонограммы (винил – царапается иглой, магнитофонная пленка – стачивается головкой). Частота дискретизации была выбрана из критерия обеспечения максимального качества для часового альбома на CD-носителе емкостью 650 Мбайт.
Позже, во времена диалаповских низкоскоростных модемов и помегабайтовых тарифов за интернет, распространился формат mp3, позволявший сжимать CD раз этак в 10, при снижении качества, заметном только на хорошей аппаратуре. Формат mp3 основан на урезании той информации и в тех местах фонограммы, где эта информация, по-мнению, mp3-кодека не особо значима. Но, это – опять же приводит к искажениям, не допустимым, для ценителя звука.
Теперь, когда безлимитный интернет и винчестеры огромной (по меркам 10-15 летней давности) емкости стали никому не в диковинку, смысл mp3 все более и более теряется (не считая мобильных устройств). Признаком тому служит постоянно ширящееся распространение lossless формата flac (lossless – кодирование без потерь качества).
CD-формат все еще жив благодаря своей невероятно широкой распространенности, но прогресс, благодаря все увеличивающейся емкости носителей фонограмм (DVD, двухслойный DVD, Blue-Ray, что там еще дальше?), неуклонно идет к распространению многоканальных (5.1 и 7.1) записей качества 24 бит и 192 кГц (а эти параметры, похоже, тоже со временем увеличатся). Поэтому, скорее всего, в перспективе старые добрые винил и игольчатый проигрыватель перестанут быть образцом мягкости и теплоты звучания, перейдя из области Hi-End в область дизайна интерьеров богатых квартир и вилл, подобно патефонам, граммофонам и телефонам, сделанным под старину.
Автор: Корзунов Юрий
Статья написана на основе материалов с сайта
о музыкальных программах и оборудовании: МУЗыкАЛЬНАЯ ЛАборАТориЯ (http://musiclab.webservis.ru)
