Könnte digitales Audio jemals analoges übertreffen?

Seit dem Aufkommen der CD und dem weit verbreiteten Zugang der Verbraucher zu digitalem Audio, den sie mit sich brachte, haben die Menschen darüber diskutiert, ob digitales Audio jemals seine analogen Vorgänger angemessen ersetzen könnte oder nicht.

Da herunterladbare und Streaming-Digitalformate an Verbreitung und Komplexität zugenommen haben, hat sich die Diskussion nur verschärft, wobei viele eingefleischte analoge „Puristen“ den Verlust der musikalischen Seele anprangern, die ihrer Meinung nach in modernen digitalen Audioformaten besonders fehlt.

Aber ich bin nicht hier, um gegen oder für die Puristen zu argumentieren. Lassen Sie uns stattdessen die Anforderungen eines Szenarios untersuchen, in dem digitaler Sound dem analogen Sound ebenbürtig sein und ihn vielleicht sogar übertreffen könnte. Und die Antwort auf die Frage: „Könnte digitales Audio jemals analoges übertreffen?“ hat eigentlich zwei Teile.

Wir werden gleich in die Welt der Mathematik und Naturwissenschaften einsteigen, also haltet euch fest!

Kontinuierliche vs. diskrete Signale

Zunächst ist es wichtig, genau zu verstehen, was der Unterschied zwischen analogem und digitalem Sound ist.

Analoger Ton verwendet ein sich ständig änderndes Audiosignal ; Das heißt, die Druckschwankungen, die einem Lautsprecher aus seinem Signal zugeführt werden, sind (zumindest im Idealfall) eine exakte Wiedergabe des Originalklangs zu jedem Zeitpunkt.

Digitaler Sound hingegen besteht aus einer Reihe diskreter Schritte in seinem Audiosignal, die sich schnell genug ändern, dass sie die Illusion eines kontinuierlichen Signals erwecken, wenn sie einem Lautsprecher zugeführt werden. Dies ähnelt sehr der Art und Weise, wie ein Video aus einer Reihe von Standbildern erstellt wird, die schnell genug durchlaufen werden, um die Illusion einer fließenden Bewegung zu erzeugen (daher der ursprüngliche Ausdruck „bewegte Bilder“).

Der digitale Ton versucht also, sich dem kontinuierlichen Signal des analogen Tons anzunähern. Wenn sich die diskreten Schritte im digitalen Klang häufig genug ändern und wenn die Schritte selbst in der Lage sind, nahe genug beieinander zu liegen, dann ist die resultierende Annäherung nah genug an einem kontinuierlichen analogen Signal, dass sie unsere Ohren und unser Gehirn täuschen kann.

Signalauflösung

Die Geschwindigkeit, mit der diskrete Schritte in einem digitalen Tonsignal durchlaufen werden, ist als Abtastrate bekannt. Der Pegelunterschied zwischen den einzelnen Schritten wird durch die Gesamtzahl möglicher Schritte bestimmt, die als Bittiefe bekannt ist.

Beispielsweise haben CD-Audiodateien eine Abtastrate von 44.100 Hz (Hz steht für Hertz, die Maßeinheit, die angibt, wie oft sich ein Ereignis pro Sekunde wiederholt – was bedeutet, dass es 44.100 neue Audiosignalschritte pro Sekunde erzeugt) und ein bisschen Tiefe von 16 Bit (jedes Bit ist eine Binärziffer, sodass ein 16-Bit-Digitalsignal insgesamt 2 hoch 16 oder 65.536 mögliche numerische Werte zwischen seinem Minimal- und Maximalwert hat).

Diese Wertewahl für CD-Audio ist kein Zufall. Nach einer als Nyquist-Theorem bekannten Formel ist diese Abtastrate von 44.100 Hz das Minimum, das erforderlich ist, um Klänge mit Tönen zu erzeugen, die den gesamten Bereich des typischen menschlichen Gehörs abdecken. Und die Bitrate von 16 Bit war die größte, die problemlos verwendet werden konnte und noch eine vernünftige Menge an Tonmaterial auf eine Standard-CD passte.

Man könnte sagen, dass ein digitales diskretes Signal nur eine Annäherung an den tatsächlichen Klang ist, egal wie gut es auch sein mag, es wird niemals vollständig mit dem tatsächlichen genauen kontinuierlichen analogen Signal übereinstimmen, und damit sollte das Ende des Arguments sein. Es bleibt jedoch die Frage, ob das menschliche Gehirn den Unterschied tatsächlich erkennen kann, insbesondere bei digitalem Audio mit höherer Auflösung.

Dies ist eine Frage für Neurowissenschaftler, daher vermeiden wir für unsere Zwecke diese Diskussion vollständig und stellen stattdessen die Frage: „Erzeugen analoge Medienquellen überhaupt ein echtes kontinuierliches Audiosignal?“

Analoge Medien

Betrachten wir das gebräuchlichste analoge Medienformat, nämlich eine Schallplatte. Eine Schallplatte hat bestimmte Materialeigenschaften, die bestimmen, wie sie sich verhält, wozu sie fähig ist und wo ihre Grenzen liegen. Darüber hinaus hat ein Plattenspieler (Plattenspieler) auch seine eigenen Materialeigenschaften, Fähigkeiten und Einschränkungen.

Schallplatten werden typischerweise aus einer halbstarren Form von PVC oder Polyvinylchlorid hergestellt. Ein analoges Signal wird direkt in die Rillen der Schallplatte eingraviert, wodurch das PVC-Material als Reaktion auf das Signal verformt wird. Eine Nadel wird an einem Plattenspieler verwendet, um diese mikroskopischen Verformungen zu „lesen“ und so das ursprüngliche Signal zu reproduzieren, das sie erzeugt hat.

Das Vinylmaterial PVC hat eine Mindestgröße, die mit seinen molekularen und kristallinen Strukturen verbunden ist, was tatsächlich bedeutet, dass Verformungen im Material innerhalb der Schallplattenrillen nicht in einem feineren Maßstab verändert werden können, als es seine physikalischen Eigenschaften zulassen. Im Wesentlichen ist es also nicht wirklich in der Lage, ein perfekt kontinuierliches Signal zu erzeugen, sondern eher eine Annäherung an dieses Signal, das durch die Eigenschaften des Vinylmaterials selbst begrenzt ist.

Sie können in den Rillen der Schallplatte keinen Schnitt machen, der kleiner ist als die minimale Molekülgröße des PVC-Materials – ein einzelnes Vinylchlorid-Monomer (auch als Chlorethen-Molekül bekannt).

Signalauflösung von Schallplatten

Das zur Herstellung von Schallplatten verwendete PVC hat eine Dichte von etwa 1,3 Gramm pro Kubikzentimeter. Und ein einzelnes Vinylchlorid-Monomer (ein Molekül Chlorethen) hat eine Masse von etwa 1,07 x 10 ^-22 Gramm. Das bedeutet, dass sich in Vinyl-LPs ungefähr 12,1 x 10 ²¹ einzelne Chlorethenmoleküle in einem Raum von 1 Kubikzentimeter PVC befinden. Der kleinste Splitter dieses Materials, den wir auf einer Seite abschneiden könnten, wäre ein Molekül dick, was wir jetzt auf eine Dicke von etwa 4,4 x 10 ^-8 cm schätzen können.

Die Rille in einer Schallplatte kann bis zu einer maximalen Breite von etwa 0,008 cm eingeschnitten werden, wobei eine Hälfte der Rille dem linken Kanal und die andere Hälfte dem rechten Kanal zugeordnet ist. Das bedeutet, dass die Nadel eine maximale Positionsänderung für jeden Kanal von bis zu 0,004 cm fühlen kann.

Die maximale Anzahl an molekularen Schnitten, die wir entfernen könnten, um diese maximale Rillengrößenänderung für jeden Kanal zu bilden, wäre also nur etwa 91.000. Dies folgt dem gleichen Prinzip wie die Bittiefe für digitale Audiosignale.

Darüber hinaus kann aufgrund der Geschwindigkeit, mit der sich die Schallplatte auf dem Plattenteller dreht, des Durchmessers der Schallplatte und der Breite der einzelnen in die Schallplatte geschnittenen Rillen gezeigt werden, dass etwa 45.000 cm Gesamtrillenlänge zum Schnitzen zur Verfügung stehen das Signal in (auf jeder Seite der Schallplatte), das, wenn es vollständig gefüllt ist, über eine Gesamtzeit von etwa 1400 Sekunden in seiner korrekten Wiedergabegeschwindigkeit wiedergegeben wird.

Daher können wir schätzen, dass die Nadel während der vollständigen Wiedergabe einer Seite der LP jede Sekunde durchschnittlich etwa 730 Millionen einzelne Chlorethenmoleküle überstreicht. Dies folgt dem gleichen Prinzip wie die Abtastrate für digitale Audiosignale. Sie gibt uns den kleinsten Schritt an, der in Annäherung an die zeitliche Änderung des ursprünglichen Audiosignals reproduziert werden kann.

Signalauflösung vergleichen

Mit einigen Schätzmethoden (zu stark vereinfacht, aber im groben Sinne gültig) können wir sehen, dass eine Schallplatte die gleiche diskrete Annäherung an ein kontinuierliches Audio-Tonsignal erzeugt wie ein digitales Signal mit einer Bittiefe von mindestens 16 Bit und einem Sample Rate von 730 MHz.

Aber seien Sie noch nicht ganz aufgeregt. Sie können nicht einfach alle Ihre digitalen WAV- und MP3-Dateien in 17-Bit-, 730-MHz-Audiodateien konvertieren und allen sagen, dass sie so gut wie Vinyl sind. Ihre Annäherung an ein echtes kontinuierliches Audiosignal, ob analog oder digital, muss während des gesamten Prozesses auf maximaler Auflösung gehalten werden, um zu sagen, dass es diesem Standard entspricht.

Die meisten analogen Geräte tun dies, aber die meisten digitalen Geräte nicht. Sobald Sie eine digitale Methode mit weniger als dem Mindeststandard verwenden, der einem LP entspricht, haben Sie die Genauigkeit Ihrer Annäherung verringert. Jede spätere Hochkonvertierung auf eine höhere Auflösung wird einfach Ihre am wenigsten genaue Annäherung, die während Ihres Produktionsprozesses angewendet wird, besser reproduzieren.

Während digitale 24-Bit- und 32-Bit-Aufnahmen heutzutage leicht zu erhalten sind und die effektive Bittiefe von Vinyl bei weitem übertreffen, ist die Realität so, dass selbst das beste digitale Aufnahmegerät, das den meisten Menschen heute zur Verfügung steht, eine maximale Abtastrate von 192 kHz hat, was ist fast 4.000 Mal langsamer, als es sein müsste, um mit der effektiven Abtastrate von Vinyl Schritt zu halten.

Die Antwort auf den ersten Teil unserer Frage, der sich mit dem technischen Vergleich von analogem und digitalem Sound befasst, lautet also: Ja, theoretisch könnte digitaler Sound analogen Sound übertreffen. Das technische Potenzial des modernen digitalen Sounds übertrifft das des analogen Sounds in Bezug auf die Bittiefe, bleibt jedoch in Bezug auf die Samplerate (derzeit) weit hinter dem analogen zurück.

Analoger Geschmack in der Produktionskette

Der zweite Teil der Frage bezieht sich darauf, wie das Endprodukt tatsächlich klingt. Mit anderen Worten, sagen wir, irgendwann in der Zukunft ermöglicht die Technologie, dass digitales Audio die von uns berechnete Abtastrate von 730 MHz oder besser erreicht, die erforderlich ist, um der effektiven Abtastrate von Vinyl zu entsprechen. Würde digitales Audio zu dieser Zeit, da digitales Audio das technische Potenzial hat, das technische Potenzial von analogem Audio zu erreichen oder zu übertreffen, genauso gut oder besser klingen als analoges?

Um dies zu beantworten, ist es wichtig zu erkennen, dass vieles, was die Leute an dem Klang einer Schallplatte mögen, auf die analoge Produktionsausrüstung zurückzuführen ist, die beim Aufnehmen und Mischen verwendet wird, und auf ihren besonderen Klanggeschmack .

Die digitale Modellierung ist in den letzten Jahren sehr gut geworden und kann wahrscheinlich vielen der klassischen analogen Sounds entsprechen, die die Leute bevorzugen. Natürlich muss die Technologie auch ermöglichen, dass während des gesamten Prozesses dieselbe maximale Klangauflösung beibehalten wird.

Aber man kann mit Sicherheit sagen, dass ja – vorausgesetzt, digitales Audio erreicht letztendlich das gleiche technische Potenzial für die Klangwiedergabe wie aktuelle analoge Methoden und behält diese Auflösung während des gesamten Produktionsprozesses bei, und es werden analoge Geräte oder die digitale Modellierung analoger Geräte verwendet im Prozess für bevorzugtes Soundaroma – digitales Audio sollte in der Lage sein, die Leistung von analogem Sound sowohl in technischer Qualität als auch in Klangpräferenz zu erreichen oder zu übertreffen.

Praktikabilität

Ende der Diskussion? Betrachten wir nun eine letzte Überlegung.

Stellen wir uns vor, der gesamte Prozess wurde im digitalen Format auf oder über dem technischen Standard durchgeführt, der dem analogen entspricht, und analoge Modellierungseffekte auf diesem Standard verwendet. Wenn wir eine Roh-WAV-Audiodatei in voller Qualität einer dreiminütigen Aufnahme produzieren, wäre die Größe der digitalen Datei auf dieser Ebene fast 18.000-mal so groß wie eine WAV-Datei in CD-Audioqualität mit der gleichen Länge, was eine Datei ergibt Größe von über 500 GB für einen einzelnen, kurzen Song.

Angesichts dieses massiven Problems der Dateigröße sowie der Tatsache, dass die aktuellen digitalen Abtastraten weit hinter den Anforderungen zurückbleiben, um die Standards des analogen Sounds zu erfüllen, scheint es klar, dass Vinyl immer noch eine gute Wahl ist.

Mit der Allgegenwart digitaler Wiedergabesysteme, den kontinuierlichen Fortschritten in der digitalen Soundtechnologie und der Möglichkeit, Medien in einer vollständig virtuellen Umgebung zu verwalten, die keine große Schallplatte und keine spezielle Ausrüstung zur Wiedergabe erfordert, ist dies jedoch wahrscheinlich nur der Fall eine Frage der Zeit, bis der digitale Sound endlich den analogen Sound eindeutig übertrifft.

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Erik Veach ist Eigentümer und leitender Audioingenieur bei Crazy Daisy Productions und bietet seit 2001 Mixing-, Mastering- und Tonbearbeitungsdienste an. Er ist der ursprüngliche Pionier automatisierter intelligenter Mastering-Systeme und führte sie 2003 für den Einsatz in der professionellen Musikproduktion ein.