Может ли цифровое аудио когда-нибудь превзойти аналоговое?

С момента появления компакт-диска и широкого доступа потребителей к цифровому звуку, который он принес, люди спорят о том, сможет ли цифровой звук когда-либо адекватно заменить своих аналоговых предшественников.

Поскольку загружаемые и потоковые цифровые форматы стали более распространенными и сложными, дискуссия только усилилась, и многие несгибаемые аналоговые «пуристы» осуждают потерю музыкальной души, которой, по их мнению, особенно не хватает в современных цифровых аудиоформатах.

Но я здесь не для того, чтобы спорить против или за пуристов. Вместо этого давайте рассмотрим требования сценария, в котором цифровой звук может быть равен или даже превосходить аналоговый звук. И ответ на вопрос: «Может ли цифровое аудио когда-нибудь превзойти аналоговое?» на самом деле состоит из двух частей.

Мы собираемся вступить в мир математики и естественных наук, так что держитесь за свои шляпы!

Непрерывные и дискретные сигналы

Во-первых, важно точно понимать, в чем разница между аналоговым и цифровым звуком.

Аналоговый звук использует постоянно меняющийся звуковой сигнал ; это означает, что колебания давления, подаваемые на динамик от его сигнала, являются (по крайней мере, в идеале) точным воспроизведением исходного звука в каждый момент времени.

Цифровой звук , с другой стороны, состоит из серии дискретных шагов в звуковом сигнале, которые изменяются достаточно быстро, чтобы создать иллюзию непрерывного сигнала при подаче на динамик. Это очень похоже на то, как видео создается из серии неподвижных изображений, которые циклически повторяются достаточно быстро, чтобы создать иллюзию плавного движения (отсюда и исходная фраза «движущиеся изображения»).

Таким образом, цифровой звук пытается приблизиться к непрерывному сигналу аналогового звука. Если дискретные шаги в цифровом звуке изменяются достаточно часто, и если сами шаги могут быть достаточно близкими по уровню, то результирующее приближение достаточно близко к непрерывному аналоговому сигналу, что может обмануть наши уши и наш мозг.

Разрешение сигнала

Скорость циклирования дискретных шагов в цифровом звуковом сигнале называется частотой дискретизации. Разница в уровне между каждым шагом определяется общим количеством потенциальных шагов, известным как его битовая глубина.

Например, аудиофайлы компакт-дисков имеют частоту дискретизации 44 100 Гц (Гц — это герц, единица измерения, описывающая, сколько раз событие повторяется каждую секунду — это означает, что каждую секунду создается 44 100 новых шагов аудиосигнала) и бит глубина 16 бит (каждый бит является двоичной цифрой, так что 16-битный цифровой сигнал имеет всего 2 в степени 16, или 65 536 возможных числовых значений между его минимальным и максимальным значением).

Такой выбор значений для CD-аудио не случаен. По формуле, известной как теорема Найквиста, эта частота дискретизации 44 100 Гц является минимальной, необходимой для воспроизведения звуков с тонами, охватывающими весь диапазон типичного человеческого слуха. А битрейт 16 бит был максимальным, который можно было легко использовать и при этом уместить разумное количество звукового материала на стандартном компакт-диске.

Вы могли бы сказать, что, поскольку цифровой дискретный сигнал является всего лишь аппроксимацией реального звука, каким бы хорошим он ни был, он никогда не будет полностью соответствовать фактическому точному непрерывному аналоговому сигналу, и на этом спор должен заканчиваться. Тем не менее, остается вопрос, может ли человеческий мозг на самом деле определить разницу, особенно с цифровым звуком с более высоким разрешением.

Это вопрос к нейробиологам, поэтому для наших целей мы полностью избежим этого обсуждения и вместо этого зададим вопрос: «Во-первых, действительно ли аналоговые медиаисточники производят настоящий непрерывный звуковой сигнал?»

Аналоговые медиа

Давайте рассмотрим наиболее распространенный формат аналоговых носителей, которым является виниловая пластинка. Виниловая пластинка обладает особыми свойствами материала, которые определяют, как она себя ведет, на что способна и каковы ее ограничения. Кроме того, проигрыватель грампластинок также имеет свои свойства материала, возможности и ограничения.

Виниловые пластинки обычно изготавливаются из полужесткой формы ПВХ или поливинилхлорида. Аналоговый сигнал вырезается прямо в канавках на пластинке, тем самым деформируя ПВХ-материал в ответ на сигнал. Игла используется на проигрывателе, чтобы «считывать» эти микроскопические деформации и, таким образом, воспроизводить исходный сигнал, который их создал.

Виниловый материал, ПВХ, имеет минимальный размер, связанный с его молекулярной и кристаллической структурой, что фактически означает, что деформации материала в пределах канавок пластинки не могут быть изменены в более мелком масштабе, чем позволяют его физические свойства. Таким образом, по сути, он не может воспроизводить совершенно непрерывный сигнал, а скорее приближение этого сигнала, ограниченное свойствами самого винилового материала.

Вы не можете сделать надрез в канавках пластинки меньше размера минимальной молекулярной массы ПВХ-материала — одного мономера винилхлорида (также известного как молекула хлорэтена).

Разрешение сигнала виниловых пластинок

ПВХ, используемый для изготовления виниловых пластинок, имеет плотность около 1,3 грамма на кубический сантиметр. А один мономер винилхлорида (одна молекула хлорэтилена) имеет массу около 1,07x10 ^-22 грамма. Это означает, что на 1 кубическом сантиметре ПВХ в виниловых пластинках находится примерно 12,1x10 ²¹ отдельных молекул хлорэтилена. Наименьшая полоска этого материала, которую мы могли бы отрезать с одной стороны, будет иметь толщину в одну молекулу, и теперь мы можем оценить ее толщину примерно в 4,4x10 ^-8 см.

Канавка на виниловой пластинке может быть вырезана шириной не более 0,008 см, при этом одна половина канавки связана с левым каналом, а другая половина — с правым каналом. Это означает, что игла может ощущать максимальное изменение положения для каждого канала до 0,004 см.

Таким образом, максимальное количество молекулярных срезов, которые мы могли бы вырезать, чтобы сформировать максимальное изменение размера канавки для каждого канала, составило бы около 91 000. Это следует тому же принципу, что и битовая глубина для цифрового аудиосигнала.

Кроме того, из-за скорости вращения пластинки на проигрывателе, диаметра пластинки и ширины отдельных канавок, прорезанных в пластинке, можно показать, что общая длина канавки составляет около 45 000 см, доступных для вырезания. сигнал в (на каждой стороне записи), который, если он заполнен полностью, воспроизводится в течение общего времени около 1400 секунд с правильной скоростью воспроизведения.

Следовательно, мы можем оценить, что игла проходит в среднем около 730 миллионов отдельных молекул хлорэтилена каждую секунду во время полного воспроизведения одной стороны пластинки. Это следует тому же принципу, что и частота дискретизации для цифровых аудиосигналов. Он говорит нам о наименьшем шаге, который можно воспроизвести в аппроксимации изменения во времени исходного аудиосигнала.

Сравнение разрешения сигнала

Таким образом, с помощью некоторых методов оценки (упрощенных, но верных в приблизительном смысле) мы можем видеть, что виниловая пластинка дает такое же дискретное приближение к непрерывному звуковому звуковому сигналу, как и цифровой сигнал с битовой глубиной не менее 16 бит и выборкой. частота 730МГц.

Но пока не волнуйтесь. Вы не можете просто взять все свои цифровые файлы WAV и MP3, преобразовать их в 17-битные аудиофайлы с частотой 730 МГц и сказать всем, что они не хуже винила. Ваша аппроксимация истинного непрерывного звукового сигнала, будь то аналоговые или цифровые средства, должна поддерживаться с максимальным разрешением на протяжении всего процесса, чтобы сказать, что он соответствует этому стандарту.

Большинство аналогового оборудования делает это, но большинство цифрового оборудования не делает этого. Как только вы используете цифровой метод с чем-то меньшим, чем минимальный стандарт, который соответствует LP, вы снизите точность своего приближения. Любое последующее преобразование в более высокое разрешение будет просто лучше воспроизводить наименее точное приближение, примененное в производственном процессе.

Кроме того, хотя в настоящее время легко получить 24-битные и 32-битные цифровые записи, значительно превосходящие эффективную битовую глубину винила, реальность такова, что даже самое лучшее цифровое записывающее оборудование, доступное большинству людей сегодня, имеет максимальную частоту дискретизации 192 кГц, что почти в 4000 раз медленнее, чем необходимо, чтобы не отставать от эффективной частоты дискретизации винила.

Итак, ответ на первую часть нашего вопроса, касающуюся технического сравнения аналогового и цифрового звука, таков: да, теоретически цифровой звук может превзойти аналоговый звук. Технический потенциал современного цифрового звука превосходит аналоговый по разрядности, но сильно уступает аналоговому по частоте дискретизации (на данный момент).

Аналоговый ароматизатор в производственной цепочке

Вторая часть вопроса касается того, как на самом деле звучит конечный продукт. Другими словами, скажем, в какой-то момент в будущем эта технология позволит цифровому звуку достичь рассчитанной нами частоты дискретизации 730 МГц или лучше, необходимой для соответствия эффективной частоте дискретизации винила. В то время, когда цифровое аудио имеет технический потенциал, соответствующий техническому потенциалу аналогового аудио или превосходящий его, будет ли цифровой звук таким же хорошим или лучше, чем аналоговый?

Чтобы ответить на этот вопрос, важно понять, что многое из того, что людям нравится в звуке винила, связано с аналоговым производственным оборудованием, используемым при записи и микшировании, и с его особым звуковым привкусом .

Цифровое моделирование стало очень хорошим в последние годы и, вероятно, может соответствовать многим классическим аналоговым звукам, которые люди предпочитают. Конечно, технология должна обеспечивать одинаковое максимальное звуковое разрешение на протяжении всего процесса.

Но, казалось бы, можно с уверенностью сказать, что да, если предположить, что цифровое аудио в конечном итоге достигнет того же технического потенциала для воспроизведения звука, что и современные аналоговые методы, и будет поддерживать это разрешение на протяжении всего производственного процесса, а также будет использоваться аналоговое оборудование или цифровое моделирование аналогового оборудования. в процессе предпочтительного звукового вкуса - цифровое аудио должно соответствовать или превосходить аналоговый звук как по техническому качеству, так и по звуковым предпочтениям.

Практичность

Конец обсуждения? Что ж, давайте рассмотрим одно последнее соображение.

Давайте представим, что весь процесс был выполнен в цифровом формате на уровне или выше технического стандарта, который соответствует аналоговому и использует эффекты аналогового моделирования в соответствии с этим стандартом. Если мы создадим высококачественный необработанный аудиофайл WAV с трехминутной записью, размер цифрового файла на этом уровне будет почти в 18 000 раз больше, чем WAV-файл с качеством звука на компакт-диске той же длины, что дает ему файл размер более 500Gb для одной короткой песни.

С учетом этой серьезной проблемы с размером файла, а также того факта, что текущие частоты дискретизации далеко не соответствуют требованиям, предъявляемым к стандартам аналогового звука, кажется очевидным, что винил по-прежнему остается хорошим выбором.

Тем не менее, с повсеместным распространением цифровых систем воспроизведения, постоянным развитием цифровых звуковых технологий и возможностью хранить медиафайлы в полностью виртуальной среде, не требующей хранения больших виниловых пластинок и специального оборудования для их воспроизведения, вопрос времени, когда цифровой звук, наконец, однозначно превзойдет аналоговый звук.

Создайте свой собственный музыкальный веб-сайт, адаптированный для мобильных устройств и легко обновляемый в любое время! Создайте веб-сайт с Bandzoogle прямо сейчас.

---

Эрик Вич — владелец и ведущий звукоинженер Crazy Daisy Productions, предоставляющий услуги по микшированию, мастерингу и редактированию звука с 2001 года. Он является первооткрывателем автоматизированных интеллектуальных систем мастеринга, представив их для использования в профессиональном музыкальном производстве в 2003 году.