L'audio digitale potrebbe mai superare l'analogico?

Dall'avvento del compact disc e dal diffuso accesso dei consumatori all'audio digitale che ha portato, le persone hanno discusso se l'audio digitale potrebbe mai sostituire adeguatamente i suoi predecessori analogici.

Poiché i formati digitali scaricabili e in streaming sono aumentati in prevalenza e complessità, la discussione si è solo amplificata, con molti "puristi" analogici irriducibili che denunciano la perdita dell'anima musicale che sentono mancare in particolare nei moderni formati audio digitali.

Ma non sono qui per discutere contro oa favore dei puristi. Esploriamo invece i requisiti di uno scenario in cui il suono digitale potrebbe essere uguale, e forse addirittura superare, il suono analogico. E la risposta alla domanda "l'audio digitale potrebbe mai superare l'analogico?" in realtà ha due parti.

Stiamo per entrare pesantemente nel mondo della matematica e della scienza, quindi tieniti il ​​cappello!

Segnali continui e discreti

Innanzitutto, è importante capire esattamente qual è la differenza tra il suono analogico e quello digitale.

Il suono analogico utilizza un segnale audio in continua evoluzione ; il che significa che le fluttuazioni di pressione alimentate a un altoparlante dal suo segnale sono (almeno idealmente) una riproduzione esatta del suono originale in ogni momento.

Il suono digitale , d'altra parte, è costituito da una serie di passaggi discreti nel suo segnale audio che cambiano abbastanza rapidamente da dare l'illusione di un segnale continuo quando viene inviato a un altoparlante. Questo è molto simile al modo in cui un video è composto da una serie di immagini fisse che vengono ciclate abbastanza velocemente da dare l'illusione di un movimento fluido (da cui la frase originale "immagini in movimento").

Quindi, in effetti, il suono digitale tenta di approssimare il segnale continuo del suono analogico. Se i passaggi discreti nel suono digitale cambiano abbastanza frequentemente e se i passaggi stessi sono in grado di essere abbastanza vicini tra loro nel livello, l'approssimazione risultante è abbastanza vicina a un segnale analogico continuo da poter ingannare le nostre orecchie e il nostro cervello.

Risoluzione del segnale

La velocità del ciclo di passi discreti in un segnale audio digitale è nota come frequenza di campionamento. La differenza di livello tra ogni passaggio è determinata dal numero totale di potenziali passaggi, noto come profondità di bit.

Ad esempio, i file audio CD hanno una frequenza di campionamento di 44.100 Hz (Hz sta per Hertz, che è l'unità di misura che descrive quante volte un evento si ripete ogni secondo, il che significa che produce 44.100 nuovi passi di segnale audio ogni secondo) e un po' profondità di 16 bit (ogni bit è una cifra binaria, quindi un segnale digitale a 16 bit ha un totale di 2 alla potenza di 16, ovvero 65.536 possibili valori numerici tra il suo valore minimo e massimo).

Questa scelta di valori per CD audio non è casuale. Secondo una formula nota come teorema di Nyquist, questa frequenza di campionamento di 44.100 Hz è il minimo richiesto per produrre suoni con toni che coprono l'intera gamma dell'udito umano tipico. E il bit rate di 16 bit era il più grande che potesse essere facilmente utilizzato e contenere comunque una ragionevole quantità di materiale sonoro su un compact disc standard.

Si potrebbe dire che poiché un segnale digitale discreto è semplicemente un'approssimazione del suono reale, non importa quanto buono possa essere non corrisponderà mai completamente al segnale analogico continuo esatto effettivo e quindi questa dovrebbe essere la fine dell'argomento. Tuttavia, rimane la domanda se il cervello umano possa effettivamente distinguere o meno la differenza, specialmente con l'audio digitale a risoluzione più elevata.

Questa è una domanda per neuroscienziati, quindi per i nostri scopi eviteremo completamente quella discussione e invece porremo la domanda: "le sorgenti multimediali analogiche producono effettivamente un vero segnale audio continuo in primo luogo?"

Supporto analogico

Consideriamo il formato multimediale analogico più comune, che è un disco in vinile. Un disco in vinile ha particolari proprietà del materiale che determinano come si comporta, di cosa è capace e quali sono i suoi limiti. Inoltre, un giradischi (giradischi) ha le proprie proprietà, capacità e limitazioni del materiale.

I dischi in vinile sono in genere realizzati in una forma semirigida di PVC o cloruro di polivinile. Un segnale analogico viene inciso direttamente nelle scanalature del disco, deformando così il materiale in PVC in risposta al segnale. Un ago viene utilizzato su un giradischi per "leggere" queste deformazioni microscopiche e riprodurre così il segnale originale che le ha create.

Il materiale vinilico, il PVC, ha una dimensione minima associata alle sue strutture molecolari e cristalline, il che in effetti significa che le deformazioni nel materiale all'interno delle scanalature dei dischi non possono essere alterate su scala più fine di quanto consentiranno le sue proprietà fisiche. Quindi, in sostanza, non è veramente in grado di produrre un segnale perfettamente continuo, ma piuttosto un'approssimazione di quel segnale limitata dalle proprietà del materiale vinilico stesso.

Non puoi fare un taglio all'interno delle scanalature del disco più piccolo della dimensione molecolare minima del materiale in PVC: un singolo monomero di cloruro di vinile (noto anche come molecola di cloroetene).

Risoluzione del segnale di dischi in vinile

Il PVC utilizzato per realizzare dischi in vinile ha una densità di circa 1,3 grammi per centimetro cubo. E un singolo monomero di cloruro di vinile (una molecola di cloroetene) ha una massa di circa 1,07x10 ^-22 grammi. Ciò significa che ci sono qualcosa come 12,1x10 ²¹ singole molecole di cloroetene all'interno di uno spazio di 1 centimetro cubo di PVC negli LP in vinile. La scheggia più piccola di questo materiale che potremmo tagliare da un lato sarebbe spessa una molecola, che ora possiamo stimare avere uno spessore di circa 4,4x10 ^-8 cm.

Il solco in un disco in vinile può essere intagliato fino a un massimo di circa 0,008 cm di larghezza, con una metà del solco associata al canale sinistro e l'altra metà al canale destro. Ciò significa che l'ago può percepire un cambio di posizione massimo per ciascun canale fino a 0,004 cm.

Quindi, il numero massimo di fette molecolari che potremmo radere per formare quella modifica massima della dimensione del solco per ciascun canale sarebbe di circa 91.000. Questo segue lo stesso principio della profondità di bit per il segnale audio digitale.

Inoltre, a causa della velocità di rotazione del disco sul giradischi, del diametro del disco e della larghezza dei singoli solchi tagliati nel disco, si può dimostrare che sono disponibili circa 45.000 cm di lunghezza totale del solco per intagliare il segnale in (su ciascun lato del disco) che, se compilato nella sua interezza, viene riprodotto per un tempo totale di circa 1400 secondi alla corretta velocità di riproduzione.

Pertanto, possiamo stimare che l'ago passi sopra una media di circa 730 milioni di singole molecole di cloroetene ogni secondo durante la riproduzione completa di un lato dell'LP. Questo segue lo stesso principio della frequenza di campionamento per i segnali audio digitali. Ci dice il passo più piccolo che può essere riprodotto in approssimazione della variazione nel tempo del segnale audio originale.

Confronto della risoluzione del segnale

Quindi, con alcuni metodi di stima (semplificati ma validi in senso lato) possiamo vedere che un disco in vinile produce la stessa discreta approssimazione di un segnale audio continuo come un segnale digitale con una profondità di bit di almeno 16 bit e un campione frequenza di 730 MHz.

Ma non eccitarti ancora. Non puoi semplicemente prendere tutti i tuoi file digitali WAV e MP3 e convertirli in file audio a 17 bit, 730 MHz e dire a tutti che sono bravi come il vinile. La tua approssimazione di un vero segnale audio continuo, sia con mezzi analogici che digitali, deve essere mantenuta alla sua risoluzione massima durante l'intero processo per affermare che soddisfa tale standard.

La maggior parte delle apparecchiature analogiche lo fa, ma la maggior parte delle apparecchiature digitali no. Non appena utilizzerai un metodo digitale con qualcosa di inferiore allo standard minimo che corrisponde a un LP, avrai ridotto l'accuratezza della tua approssimazione. Qualsiasi successiva conversione a una risoluzione più alta farà semplicemente un lavoro migliore nel riprodurre l'approssimazione meno accurata applicata durante il processo di produzione.

Inoltre, mentre al giorno d'oggi le registrazioni digitali a 24 e 32 bit sono facilmente ottenibili, superando di gran lunga la profondità di bit effettiva del vinile, la realtà è che anche la migliore attrezzatura di registrazione digitale oggi disponibile per la maggior parte delle persone ha una frequenza di campionamento massima di 192 kHz, che è quasi 4.000 volte più lento di quanto dovrebbe essere per tenere il passo con la frequenza di campionamento effettiva del vinile.

Quindi la risposta alla prima parte della nostra domanda, che riguarda il confronto tecnico tra suono analogico e digitale, è: sì, teoricamente il suono digitale potrebbe superare il suono analogico. Il potenziale tecnico del suono digitale moderno supera quello del suono analogico in termini di profondità di bit, ma è notevolmente inferiore all'analogico in termini di frequenza di campionamento (attualmente).

Sapore analogico nella filiera

La seconda parte della domanda riguarda il suono effettivo del prodotto finale. In altre parole, diciamo che ad un certo punto in futuro, la tecnologia consentirà all'audio digitale di raggiungere la frequenza di campionamento di 730 MHz o migliore che abbiamo calcolato, necessaria per corrispondere alla frequenza di campionamento effettiva del vinile. A quel tempo, con l'audio digitale che ha il potenziale tecnico per soddisfare o superare il potenziale tecnico dell'audio analogico, il suono digitale sarebbe buono o migliore dell'analogico?

Per rispondere a questo è importante rendersi conto che molto di ciò che piace alla gente nel suono proveniente da un vinile è dovuto all'attrezzatura di produzione analogica utilizzata nella registrazione e nel missaggio, e al suo particolare sapore sonoro .

La modellazione digitale è diventata molto buona negli ultimi anni e può probabilmente corrispondere a molti dei classici suoni analogici che le persone preferiscono. Naturalmente, la tecnologia dovrebbe consentire di mantenere la stessa risoluzione massima del suono anche durante l'intero processo.

Ma sembrerebbe sicuro affermare che sì, supponendo che l'audio digitale alla fine raggiunga lo stesso potenziale tecnico per la riproduzione del suono degli attuali metodi analogici e mantenga quella risoluzione durante l'intero processo di produzione e che vengano utilizzati dispositivi analogici o modelli digitali di dispositivi analogici nel processo per l'aroma del suono preferito, l'audio digitale dovrebbe essere in grado di soddisfare o superare le prestazioni del suono analogico sia in termini di qualità tecnica che di preferenza del suono.

Praticità

Fine della discussione? Bene, diamo un'occhiata a un'ultima considerazione.

Immaginiamo che l'intero processo sia stato eseguito in formato digitale uguale o superiore allo standard tecnico che corrisponde all'analogico e utilizza effetti di modellazione analogica a quello standard. Se produciamo un file audio WAV grezzo di qualità completa di una registrazione di tre minuti, la dimensione del file digitale a quel livello sarebbe quasi 18.000 volte più grande di un file WAV di qualità audio CD della stessa lunghezza, dandogli un file dimensione di oltre 500 Gb per un singolo brano breve.

Con questo enorme problema di dimensione del file, così come il fatto che le attuali frequenze di campionamento digitale sono molto inferiori ai requisiti per soddisfare gli standard del suono analogico, sembra chiaro che il vinile sia ancora una buona scelta.

Tuttavia, con l'ubiquità dei sistemi di riproduzione digitale, i continui progressi nella tecnologia del suono digitale e la possibilità di mantenere i media in un ambiente completamente virtuale che non richiede la memorizzazione di un grande disco in vinile e attrezzature speciali per riprodurlo, è probabile che solo una questione di tempo prima che il suono digitale, finalmente, superi inequivocabilmente il suono analogico.

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Erik Veach è il proprietario e ingegnere audio principale di Crazy Daisy Productions, che fornisce servizi di missaggio, mastering e montaggio del suono dal 2001. È il pioniere originale dei sistemi di mastering intelligenti automatizzati, introducendoli per l'uso nella produzione musicale professionale nel 2003.