O áudio digital poderia superar o analógico?

Desde o advento do disco compacto e do amplo acesso do consumidor ao áudio digital que ele trouxe, as pessoas debatem se o áudio digital poderia ou não substituir adequadamente seus predecessores analógicos.

À medida que os formatos digitais para download e streaming aumentaram em prevalência e complexidade, a discussão só se ampliou, com muitos “puristas” analógicos obstinados denunciando a perda de alma musical que eles sentem estar notavelmente ausente nos formatos de áudio digital modernos.

Mas não estou aqui para argumentar contra ou a favor dos puristas. Em vez disso, vamos explorar os requisitos de um cenário em que o som digital pode ser igual, e talvez até superar, o som analógico. E a resposta para a pergunta “o áudio digital poderia superar o analógico?” na verdade tem duas partes.

Estamos prestes a entrar no mundo da matemática e da ciência, então segurem seus chapéus!

Sinais contínuos vs. discretos

Primeiro, é importante entender exatamente qual é a diferença entre o som analógico e o digital.

O som analógico utiliza um sinal de áudio que muda continuamente ; significando que as flutuações de pressão alimentadas a um alto-falante a partir de seu sinal são (pelo menos idealmente) uma reprodução exata do som original a cada momento.

O som digital , por outro lado, é composto por uma série de etapas discretas em seu sinal de áudio que mudam com rapidez suficiente para dar a ilusão de um sinal contínuo quando alimentado a um alto-falante. Isso é muito semelhante ao modo como um vídeo é feito a partir de uma série de imagens estáticas que são alternadas com rapidez suficiente para dar a ilusão de movimento suave (daí a frase original “imagens em movimento”).

Assim, com efeito, o som digital tenta aproximar o sinal contínuo do som analógico. Se os passos discretos no som digital mudam com frequência suficiente, e se os passos em si são capazes de estar próximos o suficiente em nível, então a aproximação resultante é próxima o suficiente de um sinal analógico contínuo que pode enganar nossos ouvidos e nosso cérebro.

Resolução do sinal

A velocidade do ciclo de etapas discretas em um sinal de som digital é conhecida como taxa de amostragem. A diferença de nível entre cada etapa é determinada pelo número total de etapas potenciais, conhecido como sua profundidade de bits.

Como exemplo, os arquivos de áudio de CD têm uma taxa de amostragem de 44.100 Hz (Hz significa Hertz, que é a unidade de medida que descreve quantas vezes um evento se repete a cada segundo - o que significa que produz 44.100 novos passos de sinal de áudio a cada segundo) e um pouco profundidade de 16 bits (cada bit é um dígito binário, de modo que um sinal digital de 16 bits tem um total de 2 à potência de 16, ou 65.536 valores numéricos possíveis entre seu valor mínimo e máximo).

Esta escolha de valores para áudio de CD não é por acaso. Por uma fórmula conhecida como Teorema de Nyquist, esta taxa de amostragem de 44.100Hz é o mínimo necessário para produzir sons com tons que cobrem toda a faixa de audição humana típica. E a taxa de bits de 16 bits era a maior que poderia ser facilmente usada e ainda caber uma quantidade razoável de material sonoro em um disco compacto padrão.

Você poderia dizer que, uma vez que um sinal digital discreto é apenas uma aproximação do som real, não importa quão bom ele possa ser, ele nunca corresponderá totalmente ao sinal analógico contínuo exato real e, portanto, esse deve ser o fim do argumento. No entanto, permanece a questão de saber se o cérebro humano pode realmente dizer a diferença, especialmente com áudio digital de alta resolução.

Esta é uma pergunta para neurocientistas, então, para nossos propósitos, vamos evitar essa discussão completamente e, em vez disso, fazer a pergunta: “as fontes de mídia analógicas realmente produzem um sinal de áudio contínuo verdadeiro em primeiro lugar?”

Mídia analógica

Vamos considerar o formato de mídia analógica mais comum, que é um disco de vinil. Um disco de vinil tem propriedades materiais específicas que determinam como ele se comporta, do que é capaz e quais são suas limitações. Além disso, um toca-discos (reprodutor de discos) tem suas próprias propriedades de material, recursos e limitações.

Os discos de vinil são normalmente feitos de uma forma semi-rígida de PVC ou cloreto de polivinila. Um sinal analógico é esculpido diretamente nas ranhuras do disco, deformando assim o material de PVC em resposta ao sinal. Uma agulha é usada em um toca-discos para “ler” essas deformações microscópicas e, assim, reproduzir o sinal original que as criou.

O material vinílico, o PVC, tem um tamanho mínimo associado às suas estruturas moleculares e cristalinas, o que significa que as deformações do material dentro das ranhuras do disco não podem ser alteradas em escala menor do que as suas propriedades físicas permitem. Então, em essência, não é realmente capaz de produzir um sinal perfeitamente contínuo, mas sim uma aproximação desse sinal limitado pelas propriedades do próprio material de vinil.

Você não pode fazer um corte nas ranhuras do disco menor do que o tamanho molecular mínimo do material de PVC - um único monômero de cloreto de vinil (também conhecido como molécula de cloroeteno).

Resolução de sinal de discos de vinil

O PVC usado para fazer discos de vinil tem uma densidade de cerca de 1,3 gramas por centímetro cúbico. E um único monômero de cloreto de vinil (uma molécula de cloroeteno) tem uma massa de cerca de 1,07x10 ^-22 gramas. Isso significa que há algo como 12,1x10 ²¹ moléculas individuais de cloroeteno dentro de um espaço de 1 centímetro cúbico de PVC em LPs de vinil. A menor lasca desse material que poderíamos cortar de um lado teria a espessura de uma molécula, que agora podemos estimar ter uma espessura de cerca de 4,4 x 10 ^-8 cm.

O sulco em um disco de vinil pode ser esculpido até um máximo de cerca de 0,008 cm de largura, com metade do sulco associado ao canal esquerdo e a outra metade ao canal direito. Isso significa que a agulha pode sentir uma mudança de posição máxima para cada canal de até 0,004 cm.

Assim, o número máximo de fatias moleculares que poderíamos cortar para formar essa mudança máxima no tamanho do sulco para cada canal seria apenas cerca de 91.000. Isso segue o mesmo princípio da profundidade de bits para sinal de áudio digital.

Além disso, devido à velocidade com que o disco gira na plataforma giratória, o diâmetro do disco e a largura das ranhuras individuais cortadas no disco, pode-se mostrar que há cerca de 45.000 cm de comprimento total da ranhura disponível para esculpir o sinal em (em cada lado do registro) que, se preenchido em sua totalidade, é reproduzido por um tempo total de cerca de 1400 segundos na velocidade correta de reprodução.

Portanto, podemos estimar que a agulha passa por uma média de aproximadamente 730 milhões de moléculas individuais de cloroeteno a cada segundo durante a reprodução completa de um lado do LP. Isso segue o mesmo princípio da taxa de amostragem para sinais de áudio digital. Ele nos diz o menor passo que pode ser reproduzido na aproximação da mudança ao longo do tempo do sinal de áudio original.

Comparando a resolução do sinal

Assim, com alguns métodos de estimativa (simplificados demais, mas válidos no sentido aproximado), podemos ver que um disco de vinil produz a mesma aproximação discreta de um sinal de som de áudio contínuo que um sinal digital com uma profundidade de bits de pelo menos 16 bits e uma amostra taxa de 730MHz.

Mas, não fique todo animado ainda. Você não pode simplesmente pegar todos os seus arquivos digitais WAV e MP3 e convertê-los em arquivos de áudio de 17 bits, 730 MHz e dizer a todos que eles são tão bons quanto o vinil. Sua aproximação de um sinal de áudio contínuo verdadeiro, seja por meios analógicos ou digitais, deve ser mantida em sua resolução máxima durante todo o processo para dizer que atende a esse padrão.

A maioria dos equipamentos analógicos faz isso, mas a maioria dos equipamentos digitais não. Assim que você empregar um método digital com menos do que o padrão mínimo que corresponde a um LP, você terá reduzido a precisão de sua aproximação. Qualquer conversão posterior para uma resolução mais alta simplesmente fará um trabalho melhor ao reproduzir sua aproximação menos precisa aplicada durante o processo de produção.

Além disso, enquanto as gravações digitais de 24 bits e 32 bits são facilmente obtidas hoje em dia, superando em muito a profundidade de bits efetiva do vinil, a realidade é que mesmo o melhor equipamento de gravação digital disponível para a maioria das pessoas hoje tem uma taxa de amostragem máxima de 192kHz, que é quase 4.000 vezes mais lento do que o necessário para acompanhar a taxa de amostragem efetiva do vinil.

Portanto, a resposta para a primeira parte da nossa pergunta, que trata da comparação técnica entre o som analógico e o digital, é: sim, teoricamente o som digital pode superar o som analógico. O potencial técnico do som digital moderno supera o do som analógico em termos de profundidade de bits, mas fica muito aquém do analógico em termos de taxa de amostragem (atualmente).

Sabor analógico na cadeia produtiva

A segunda parte da questão é em relação a como o produto final realmente soa. Em outras palavras, digamos que em algum momento no futuro, a tecnologia permita que o áudio digital atinja a taxa de amostragem de 730 MHz ou melhor que calculamos que é necessária para corresponder à taxa de amostragem efetiva do vinil. Naquela época, com o áudio digital tendo potencial técnico para atender ou exceder o potencial técnico do áudio analógico, o som digital seria tão bom ou melhor que o analógico?

Para responder a isso é importante perceber que muito do que as pessoas gostam no som vindo de um vinil se deve ao equipamento de produção analógico usado na gravação e mixagem, e seu sabor sonoro particular.

A modelagem digital tornou-se muito boa nos últimos anos e provavelmente pode corresponder a muitos dos sons analógicos clássicos que as pessoas preferem. É claro que a tecnologia precisaria permitir que a mesma resolução máxima de som fosse mantida durante todo o processo também.

Mas, parece seguro dizer que sim - assumindo que o áudio digital eventualmente alcançará o mesmo potencial técnico para reprodução de som que os métodos analógicos atuais e manterá essa resolução durante todo o processo de produção, e equipamentos analógicos ou modelagem digital de equipamentos analógicos são usados no processo de aromatização de som preferencial – o áudio digital deve ser capaz de atender ou exceder o desempenho do som analógico em qualidade técnica e preferência de som.

Praticidade

Fim de discussão? Bem, vejamos uma consideração final.

Vamos imaginar que todo o processo foi feito em formato digital igual ou superior ao padrão técnico que corresponde ao analógico e usa efeitos de modelagem analógica nesse padrão. Se produzirmos um arquivo de áudio WAV bruto de qualidade total de uma gravação de três minutos, o tamanho do arquivo digital nesse nível seria quase 18.000 vezes maior que um arquivo WAV de qualidade de áudio de CD do mesmo comprimento, dando-lhe um arquivo tamanho superior a 500 Gb para uma única música curta.

Com esse enorme problema de tamanho de arquivo, bem como o fato de que as atuais taxas de amostragem digital estão muito aquém do requisito para atender aos padrões de som analógico, parece claro que o vinil ainda é uma boa escolha.

No entanto, com a onipresença dos sistemas de reprodução digital, os avanços contínuos na tecnologia de som digital e a opção de manter a mídia em um ambiente totalmente virtual que não requer o armazenamento de um grande disco de vinil e equipamentos especiais para reproduzi-lo, é provável que apenas uma questão de tempo até que o som digital finalmente supere inequivocamente o som analógico.

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Erik Veach é o proprietário e engenheiro de áudio líder da Crazy Daisy Productions, fornecendo serviços de mixagem, masterização e edição de som desde 2001. Ele é o pioneiro original dos sistemas automatizados de masterização inteligentes, apresentando-os para uso na produção musical profissional em 2003.