デジタルオーディオはアナログよりも優れているでしょうか？
公開: 2022-06-03
コンパクトディスクの登場と、それがもたらしたデジタルオーディオへの幅広い消費者のアクセス以来、人々はデジタルオーディオがそのアナログの前身を適切に置き換えることができるかどうかについて議論してきました。
ダウンロード可能でストリーミングのデジタルフォーマットの普及と複雑さが増すにつれて、議論は増幅されただけであり、多くの熱心なアナログ「純粋主義者」は、現代のデジタルオーディオフォーマットでは特に欠けていると感じる音楽的魂の喪失を非難しています。
しかし、私は純粋主義者に反対したり、純粋主義者のために議論したりするためにここにいるのではありません。 代わりに、デジタルサウンドがアナログサウンドと同等であり、場合によってはそれを超える可能性があるシナリオの要件を調べてみましょう。 そして、「デジタルオーディオはアナログよりも優れたパフォーマンスを発揮できるだろうか」という質問に対する答えです。 実際には2つの部分があります。
私たちは数学と科学の世界に大きく踏み出そうとしているので、あなたの帽子を握ってください！
連続信号と離散信号
まず、アナログサウンドとデジタルサウンドの違いを正確に理解することが重要です。
アナログサウンドは、継続的に変化するオーディオ信号を利用します。 つまり、信号からスピーカーに供給される圧力変動は、（少なくとも理想的には）あらゆる瞬間の元の音を正確に再現したものです。
一方、デジタルサウンドは、オーディオ信号の一連の個別のステップで構成されており、スピーカーに供給されたときに連続信号のように見えるほど急速に変化します。 これは、滑らかな動きの錯覚を与えるのに十分な速さで循環する一連の静止画像からビデオを作成する方法と非常によく似ています（したがって、元のフレーズ「動画」）。
したがって、実際には、デジタルサウンドはアナログサウンドの連続信号を近似しようとします。 デジタルサウンドの個別のステップが頻繁に変化し、ステップ自体のレベルを十分に近づけることができる場合、結果の近似は、耳と脳をだますことができる連続的なアナログ信号に十分に近くなります。
信号分解能
デジタルサウンド信号の離散ステップの循環速度は、サンプルレートとして知られています。 各ステップ間のレベルの違いは、ビット深度と呼ばれる潜在的なステップの総数によって決まります。
例として、CDオーディオファイルのサンプルレートは44,100Hz（Hzはヘルツを表します。これはイベントが毎秒繰り返される回数を表す測定単位です。つまり、毎秒44,100の新しいオーディオ信号ステップを生成します）とビット16ビットの深さ（各ビットは2桁であるため、16ビットのデジタル信号の合計は2の16乗、つまり最小値と最大値の間に65,536の可能な数値があります）。
CDオーディオのこの値の選択は、偶然ではありません。 ナイキスト定理として知られる公式によると、この44,100Hzのサンプルレートは、典型的な人間の可聴範囲全体をカバーするトーンのサウンドを生成するために必要な最小値です。 また、16ビットのビットレートは、簡単に使用でき、標準のコンパクトディスクに適度な量のサウンド素材を収めることができる最大のビットレートでした。
デジタル離散信号は実際の音の近似に過ぎないので、どんなに優れていても、実際の正確な連続アナログ信号と完全に一致することは決してないので、これで議論は終わりです。 それでも、特に高解像度のデジタルオーディオでは、人間の脳が実際に違いを認識できるかどうかという疑問が残ります。
これは神経科学者にとっての質問なので、私たちの目的では、その議論を完全に避け、代わりに「アナログメディアソースは実際に真の連続オーディオ信号を最初に生成するのか」という質問をします。
アナログメディア
最も一般的なアナログメディアフォーマットであるビニールレコードについて考えてみましょう。 ビニールレコードには、それがどのように動作するか、何ができるか、そしてその制限が何であるかを決定する特定の材料特性があります。 さらに、ターンテーブル（レコードプレーヤー）には、独自の材料特性、機能、および制限もあります。
ビニールレコードは通常、半硬質のPVCまたはポリ塩化ビニルでできています。 アナログ信号がレコードの溝に直接刻まれているため、信号に応じてPVC素材が変形します。 レコードプレーヤーで針を使用して、これらの微視的な変形を「読み取り」、それによってそれらを作成した元の信号を再現します。
ビニール材料であるPVCは、その分子構造と結晶構造に関連する最小サイズを持っています。これは、事実上、記録溝内の材料の変形を、その物理的特性が許すよりも細かいスケールに変更できないことを意味します。 したがって、本質的には、完全に連続した信号を生成することはできませんが、ビニール材料自体の特性によって制限されるその信号の近似値を生成することはできません。
レコードの溝内に、PVC材料の最小分子サイズ（単一の塩化ビニルモノマー（クロロエテン分子とも呼ばれます））よりも小さいカットを作成することはできません。
ビニールレコードの信号解像度
ビニールレコードの作成に使用されるPVCの密度は、1立方センチメートルあたり約1.3グラムです。 また、単一の塩化ビニルモノマー（クロロエテンの1分子）の質量は約1.07x10-22グラムです。 これは、ビニールLPのPVCの1立方センチメートルのスペース内に12.1x1021個の個々のクロロエテン分子のようなものがあることを意味します。 この材料の片側を切り取ることができる最小のスライバーは1分子の厚さであり、これは約4.4x10-8cmの厚さであると推定できます。
ビニールレコードの溝は、幅が最大約.008cmまで刻むことができ、溝の半分は左チャンネルに、残りの半分は右チャンネルに関連付けられています。 これは、針が最大.004cmの各チャネルの最大位置変化を感じることができることを意味します。
したがって、各チャネルの最大溝サイズの変化を形成するために削ることができる分子スライスの最大数は、約91,000になります。 これは、デジタルオーディオ信号のビット深度と同じ原理に従います。
さらに、レコードがターンテーブル上で回転する速度、レコードの直径、およびレコードに切り込まれた個々の溝の幅により、彫ることができる溝の全長は約45,000cmであることがわかります。 （レコードの両側にある）への信号は、完全に入力された場合、正しい再生速度で合計約1400秒にわたって再生されます。
したがって、LPの片側を完全に再生している間、針は毎秒平均約7億3000万個の個々のクロロエテン分子を通過すると推定できます。 これは、デジタルオーディオ信号のサンプルレートと同じ原理に従います。 これは、元のオーディオ信号の経時変化を概算して再現できる最小のステップを示しています。
信号分解能の比較
したがって、いくつかの推定方法（単純化されすぎていますが、ボールパークの意味で有効です）を使用すると、ビニールレコードは、ビット深度が16ビット以上のデジタル信号とサンプルと同じ離散オーディオサウンド信号の近似を生成することがわかります。 730MHzのレート。
しかし、まだすべてを興奮させないでください。 すべてのデジタルWAVおよびMP3ファイルを単純に取得して17ビットの730MHzオーディオファイルに変換し、それらがビニールと同じくらい優れていることを全員に伝えることはできません。 アナログ手段であろうとデジタル手段であろうと、真の連続オーディオ信号の近似値は、その基準を満たしていると言うために、プロセス全体を通して最大解像度に維持する必要があります。
ほとんどのアナログ機器はこれを行いますが、ほとんどのデジタル機器は行いません。 LPに一致する最小基準未満のデジタル手法を採用するとすぐに、近似の精度が低下します。 後でより高い解像度にアップコンバージョンすると、制作プロセス中に適用された最も精度の低い近似を再現するためのより良い仕事ができます。
さらに、24ビットおよび32ビットのデジタル録音は現在簡単に入手でき、ビニールの有効ビット深度を大幅に上回っていますが、実際には、今日ほとんどの人が利用できる最高のデジタル録音機器でさえ、最大サンプルレートは192kHzです。ビニールの実効サンプルレートに追いつくために必要な速度よりも約4,000倍遅くなります。
したがって、アナログサウンドとデジタルサウンドの技術的な比較を扱う質問の最初の部分に対する答えは、次のとおりです。はい、理論的にはデジタルサウンドはアナログサウンドよりも優れている可能性があります。 最新のデジタルサウンドの技術的可能性は、ビット深度の点ではアナログサウンドの可能性を上回っていますが、サンプルレートの点ではアナログを大幅に下回っています（現在）。
生産チェーンにおけるアナログフレーバー
質問の2番目の部分は、最終製品が実際にどのように聞こえるかに関するものです。 言い換えれば、将来のある時点で、このテクノロジーにより、デジタルオーディオで、ビニールの実効サンプルレートに一致するために必要な730MHz以上のサンプルレートを実現できるようになります。 当時、デジタルオーディオはアナログオーディオの技術的可能性を満たすか、それを超える技術的可能性を持っているので、デジタルサウンドはアナログと同等かそれ以上でしょうか？
これに答えるには、レコードからのサウンドで人々が好むものの多くは、録音とミキシングに使用されるアナログ制作機器と、その特定の音のフレーバーによるものであることを理解することが重要です。
デジタルモデリングは近年非常に優れており、人々が好むクラシックなアナログサウンドの多くと一致する可能性があります。 もちろん、このテクノロジーでは、プロセス全体を通して同じ最大サウンド解像度を維持できるようにする必要があります。
しかし、そうだと言っても過言ではありません。デジタルオーディオが最終的に現在のアナログ方式と同じ技術的可能性を実現し、製造プロセス全体を通じてその解像度を維持し、アナログギアまたはアナログギアのデジタルモデリングが使用されると仮定します。好みのサウンドフレーバーのプロセスでは、デジタルオーディオは、技術的な品質とサウンドの好みの両方で、アナログサウンドのパフォーマンスを満たすか上回ることができる必要があります。
実用性
議論の終わり？ さて、最後の考慮事項を1つ見てみましょう。
プロセス全体が、アナログと一致し、その標準でアナログモデリング効果を使用する技術標準以上のデジタル形式で行われたと想像してみてください。 3分間の録音でフル品質の生のWAVオーディオファイルを作成すると、そのレベルのデジタルファイルのサイズは同じ長さのCDオーディオ品質のWAVファイルの約18,000倍になり、ファイルになります。 1つの短い曲で500Gbを超えるサイズ。
この巨大なファイルサイズの問題と、現在のデジタルサンプリングレートがアナログサウンドの基準を満たすための要件をはるかに下回っているという事実から、ビニールが依然として良い選択であることは明らかです。
ただし、デジタル再生システムの普及、デジタルサウンド技術の継続的な進歩、および再生のために大きなレコードや特別な機器を保存する必要のない完全に仮想的な環境でメディアを維持するオプションにより、それはおそらくついにデジタルサウンドがアナログサウンドを確実に凌駕するまでの時間の問題。
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Erik Veachは、Crazy Daisy Productionsのオーナー兼リードオーディオエンジニアであり、2001年からミキシング、マスタリング、サウンド編集サービスを提供しています。彼は自動インテリジェントマスタリングシステムの最初のパイオニアであり、2003年にプロの音楽制作で使用できるようになりました。