¿Podría el audio digital superar alguna vez al analógico?
Publicado: 2022-06-03
Desde la llegada del disco compacto y el amplio acceso de los consumidores al audio digital que trajo, la gente ha debatido si el audio digital podría o no reemplazar adecuadamente a sus predecesores analógicos.
A medida que los formatos digitales descargables y de transmisión han aumentado en prevalencia y complejidad, la discusión solo se ha ampliado, con muchos "puristas" analógicos acérrimos que denuncian la pérdida del alma musical que sienten que falta notablemente en los formatos de audio digital modernos.
Pero no estoy aquí para argumentar en contra oa favor de los puristas. En su lugar, exploremos los requisitos de un escenario en el que el sonido digital podría ser igual, y quizás incluso superar, al sonido analógico. Y la respuesta a la pregunta, "¿podría el audio digital alguna vez superar al analógico?" en realidad tiene dos partes.
Estamos a punto de entrar con fuerza en el mundo de las matemáticas y las ciencias, ¡así que agárrense!
Señales continuas vs. discretas
Primero, es importante comprender exactamente cuál es la diferencia entre el sonido analógico y el digital.
El sonido analógico utiliza una señal de audio que cambia continuamente ; lo que significa que las fluctuaciones de presión alimentadas a un altavoz desde su señal son (al menos idealmente) una reproducción exacta del sonido original en cada momento.
El sonido digital , por otro lado, se compone de una serie de pasos discretos en su señal de audio que cambian lo suficientemente rápido como para dar la ilusión de una señal continua cuando se alimentan a un altavoz. Esto es muy similar a la forma en que se hace un video a partir de una serie de imágenes fijas que se alternan lo suficientemente rápido como para dar la ilusión de un movimiento suave (de ahí la frase original "imágenes en movimiento").
Entonces, en efecto, el sonido digital intenta aproximarse a la señal continua del sonido analógico. Si los pasos discretos en el sonido digital cambian con la frecuencia suficiente, y si los pasos en sí pueden estar lo suficientemente cerca en nivel, entonces la aproximación resultante es lo suficientemente cercana a una señal analógica continua que puede engañar a nuestros oídos y nuestro cerebro.
Resolución de la señal
La velocidad del ciclo de pasos discretos en una señal de sonido digital se conoce como frecuencia de muestreo. La diferencia de nivel entre cada paso está determinada por el número total de pasos potenciales, conocido como su profundidad de bits.
Por ejemplo, los archivos de audio de CD tienen una frecuencia de muestreo de 44 100 Hz (Hz significa Hertz, que es la unidad de medida que describe cuántas veces se repite un evento cada segundo, lo que significa que produce 44 100 nuevos pasos de señal de audio cada segundo) y un bit profundidad de 16 bits (cada bit es un dígito binario, por lo que una señal digital de 16 bits tiene un total de 2 elevado a 16, o 65.536 valores numéricos posibles entre su valor mínimo y máximo).
Esta elección de valores para el audio de CD no es casual. Mediante una fórmula conocida como el teorema de Nyquist, esta frecuencia de muestreo de 44 100 Hz es la mínima requerida para producir sonidos con tonos que cubran la gama completa de la audición humana típica. Y la tasa de bits de 16 bits era la más alta que se podía usar fácilmente y aún cabía una cantidad razonable de material de sonido en un disco compacto estándar.
Se podría decir que dado que una señal discreta digital es simplemente una aproximación del sonido real, no importa cuán bueno sea, nunca coincidirá completamente con la señal analógica continua exacta real, por lo que ese debería ser el final del argumento. Sin embargo, la pregunta sigue siendo si el cerebro humano puede notar la diferencia o no, especialmente con audio digital de mayor resolución.
Esta es una pregunta para los neurocientíficos, por lo que para nuestros propósitos, evitaremos esa discusión por completo y, en cambio, haremos la pregunta: "¿las fuentes de medios analógicos realmente producen una verdadera señal de audio continua en primer lugar?"
Medios analógicos
Consideremos el formato de medios analógicos más común, que es un disco de vinilo. Un disco de vinilo tiene propiedades materiales particulares que determinan cómo se comporta, de qué es capaz y cuáles son sus limitaciones. Además, un tocadiscos (tocadiscos) también tiene sus propias propiedades materiales, capacidades y limitaciones.
Los discos de vinilo suelen estar hechos de una forma semirrígida de PVC o cloruro de polivinilo. Una señal analógica se graba directamente en las ranuras del disco, deformando así el material de PVC en respuesta a la señal. Se utiliza una aguja en un tocadiscos para “leer” estas deformaciones microscópicas y así reproducir la señal original que las creó.
El material de vinilo, PVC, tiene un tamaño mínimo asociado con sus estructuras moleculares y cristalinas, lo que en efecto significa que las deformaciones en el material dentro de las ranuras del disco no pueden alterarse a una escala más fina de lo que permiten sus propiedades físicas. Entonces, en esencia, no es realmente capaz de producir una señal perfectamente continua, sino más bien una aproximación de esa señal limitada por las propiedades del propio material de vinilo.
No puede hacer un corte dentro de las ranuras del disco más pequeño que el tamaño molecular mínimo del material de PVC: un solo monómero de cloruro de vinilo (también conocido como molécula de cloroeteno).
Resolución de señal de discos de vinilo
El PVC utilizado para fabricar discos de vinilo tiene una densidad de alrededor de 1,3 gramos por centímetro cúbico. Y un solo monómero de cloruro de vinilo (una molécula de cloroeteno) tiene una masa de alrededor de 1,07x10 -22 gramos. Eso significa que hay algo así como 12,1x10 21 moléculas individuales de cloroeteno dentro de un espacio de 1 centímetro cúbico de PVC en discos LP de vinilo. La astilla más pequeña de este material que podríamos cortar de un lado tendría un grosor de una molécula, que ahora podemos estimar que tiene un grosor de unos 4,4x10 -8 cm.
El surco en un disco de vinilo se puede tallar hasta un máximo de alrededor de 0,008 cm de ancho, con la mitad del surco asociado con el canal izquierdo y la otra mitad con el canal derecho. Esto significa que la aguja puede sentir un cambio de posición máximo para cada canal de hasta 0,004 cm.
Por lo tanto, la cantidad máxima de cortes moleculares que podríamos eliminar para formar ese cambio máximo de tamaño de surco para cada canal sería de aproximadamente 91 000. Esto sigue el mismo principio que la profundidad de bits para la señal de audio digital.
Además, debido a la velocidad a la que gira el disco en el plato giratorio, el diámetro del disco y el ancho de las ranuras individuales cortadas en el disco, se puede demostrar que hay alrededor de 45 000 cm de longitud total de ranura disponible para tallar. la señal en (en cada lado del registro) que, si se completa en su totalidad, se reproduce durante un tiempo total de alrededor de 1400 segundos a su velocidad de reproducción correcta.
Por lo tanto, podemos estimar que la aguja pasa sobre un promedio de aproximadamente 730 millones de moléculas individuales de cloroeteno cada segundo durante la reproducción completa de una cara del LP. Esto sigue el mismo principio que la frecuencia de muestreo de las señales de audio digital. Nos dice el paso más pequeño que se puede reproducir en la aproximación del cambio en el tiempo de la señal de audio original.
Comparación de la resolución de la señal
Entonces, con algunos métodos de estimación (simplificados en exceso, pero válidos en un sentido aproximado) podemos ver que un disco de vinilo produce la misma aproximación discreta a una señal de sonido de audio continua que una señal digital con una profundidad de bit de al menos 16 bits y una muestra tasa de 730MHz.
Pero no te emociones todavía. No puede simplemente tomar todos sus archivos WAV y MP3 digitales y convertirlos en archivos de audio de 17 bits y 730 MHz y decirles a todos que son tan buenos como un vinilo. Su aproximación a una verdadera señal de audio continua, ya sea por medios analógicos o digitales, debe mantenerse en su máxima resolución durante todo el proceso para decir que cumple con ese estándar.
La mayoría de los equipos analógicos hacen esto, pero la mayoría de los equipos digitales no. Tan pronto como emplee un método digital con algo menos que el estándar mínimo que coincide con un LP, habrá reducido la precisión de su aproximación. Cualquier conversión ascendente posterior a una resolución más alta simplemente hará un mejor trabajo al reproducir la aproximación menos precisa aplicada durante el proceso de producción.
Además, aunque las grabaciones digitales de 24 y 32 bits se obtienen fácilmente hoy en día, superando en gran medida la profundidad de bits efectiva del vinilo, la realidad es que incluso el mejor equipo de grabación digital disponible para la mayoría de las personas hoy en día tiene una frecuencia de muestreo máxima de 192 kHz, que es casi 4.000 veces más lento de lo que debería ser para mantenerse al día con la frecuencia de muestreo efectiva del vinilo.
Entonces, la respuesta a la primera parte de nuestra pregunta, que trata sobre la comparación técnica del sonido analógico frente al digital, es: sí, en teoría, el sonido digital podría superar al sonido analógico. El potencial técnico del sonido digital moderno supera al del sonido analógico en términos de profundidad de bits, pero está muy por debajo del analógico en términos de frecuencia de muestreo (actualmente).
Sabor analógico en la cadena de producción
La segunda parte de la pregunta se refiere a cómo suena realmente el producto final. En otras palabras, digamos que en algún momento en el futuro, la tecnología permite que el audio digital alcance la frecuencia de muestreo de 730 MHz o superior que calculamos que se requiere para igualar la frecuencia de muestreo efectiva del vinilo. En ese momento, con el audio digital teniendo el potencial técnico para igualar o superar el potencial técnico del audio analógico, ¿el digital sonaría tan bien o mejor que el analógico?
Para responder a esto, es importante darse cuenta de que gran parte de lo que a la gente le gusta del sonido que proviene de un vinilo se debe al equipo de producción analógico que se usa para grabar y mezclar, y su sabor sonoro particular.
El modelado digital se ha vuelto muy bueno en los últimos años y es probable que coincida con muchos de los sonidos analógicos clásicos que la gente prefiere. Por supuesto, la tecnología también tendría que permitir que se mantuviera la misma resolución máxima de sonido durante todo el proceso.
Pero parecería seguro decir que sí, suponiendo que el audio digital finalmente logre el mismo potencial técnico para la reproducción de sonido que los métodos analógicos actuales, y mantenga esa resolución durante todo el proceso de producción, y se utilicen equipos analógicos o modelado digital de equipos analógicos. en el proceso de sabor de sonido preferido: el audio digital debe ser capaz de igualar o superar el rendimiento del sonido analógico tanto en calidad técnica como en preferencia de sonido.
Sentido práctico
¿Fin de la discusión? Bueno, veamos una consideración final.
Imaginemos que todo el proceso se realizó en formato digital en o por encima del estándar técnico que coincide con el analógico y usa efectos de modelado analógico en ese estándar. Si producimos un archivo de audio WAV sin procesar de calidad total de una grabación de tres minutos, el tamaño del archivo digital en ese nivel sería casi 18,000 veces más grande que un archivo WAV con calidad de audio de CD de la misma duración, lo que le daría un archivo tamaño de más de 500 Gb para una sola canción corta.
Con este problema de tamaño de archivo masivo, así como el hecho de que las frecuencias de muestreo digital actuales están muy por debajo del requisito para cumplir con los estándares de sonido analógico, parece claro que el vinilo sigue siendo una buena opción.
Sin embargo, con la ubicuidad de los sistemas de reproducción digital, los continuos avances en la tecnología de sonido digital y la opción de mantener los medios en un entorno completamente virtual que no requiere almacenar un gran disco de vinilo y un equipo especial para reproducirlo, es probable que solo sea es cuestión de tiempo hasta que el sonido digital finalmente supere inequívocamente al sonido analógico.
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Erik Veach es el propietario e ingeniero de audio principal de Crazy Daisy Productions y brinda servicios de mezcla, masterización y edición de sonido desde 2001. Es el pionero original de los sistemas de masterización inteligente automatizados y los presentó para su uso en la producción musical profesional en 2003.