разрядность и частота дискретизации звука какая лучше для колонок
Акустика для «чайников»: от чего зависит качество звука
Качественное воспроизведение музыки Hi-Fi и High-End-устройствами способно покорить как искушенных аудиофилов, так и обычных слушателей. Но прежде чем покупать технику, нужно разобраться, какой звук нравится конкретно вам. Универсального звучания, подходящего для любого жанра и ценителя музыки, не существует. Однако есть общие критерии, которые определяют, от чего зависит качество звука, и позволяют вывести его на нужный уровень. Собрать стереосистему в домашних условиях несложно, но чтобы результат точно оправдал ожидания, можно придерживаться упрощенных рекомендаций, обычно сопровождаемых термином «акустика для чайников». Они помогут избежать лишних затрат на дорогостоящую аппаратуру, правильно подобрать компоненты системы и убедиться в их совместимости.
От чего зависит качество звука
В подавляющем большинстве современных устройств для воспроизведения аудиоконтента используются цифровые технологии. Список параметров, от которых зависит качество цифрового звука, включает множество пунктов. Ниже мы отметили наиболее важные из них.
Немного теории
Чтобы строить домашнюю аудиосистему более осознанно, нужно иметь базовое представление о природе аналогового и цифрового звука. Наиболее наглядное представление о разнице между этими сигналами дает их графическое изображение. График аналоговой звуковой волны представляет собой плавную линию, похожую на синусоиду. Цифровой сигнал выглядит на изображении как ступенчатая линия. Для оцифровки аналогового (или непрерывного) звука используется АЦП – аналого-цифровой преобразователь. Процесс преобразования состоит из трех этапов. На первом исходный непрерывный сигнал становится дискретным, когда плавная линия на графике делится на точки, между которыми есть некоторый интервал. Чем меньше этот интервал, тем больше частота дискретизации, а значит – точнее повторяется исходный сигнал. На втором этапе происходит квантование полученного дискретного сигнала (присвоение каждому отрезку цифрового значения), на третьем – оцифровка (кодирование в виде последовательности 0 и 1).
Формат
Все аудиоформаты делятся на три типа.
Без сжатия. Сюда входят WAV, AIFF, CDDA и другие. Аудиотреки, записанные в этих форматах, отличаются безупречным качеством и звучанием, максимально приближенным к оригинальному. Их недостаток – большой вес: минута записи может занимать до 10 Мб.
Со сжатием без потерь (lossless). В этой категории находятся форматы FLAC, ALAC, APE. Звук в этом случае записан с сохранением качества и занимает меньше места, чем в формате без сжатия. Такие файлы гораздо удобнее хранить, например, на персональном компьютере.
Сжатие с потерями (lossy). Это форматы MP3, AAC, Ogg Vorbis, когда для уменьшения объема данных вырезают часть информации, например, о частотах, которые лежат за пределами человеческого восприятия (средний человек слышит звуки в диапазоне 20-22 000 Гц).
Проигрыватель
Сегодня рынок предлагает широкий выбор проигрывателей цифровых аудиотреков. Важно четко представлять, как вы будете слушать музыку и собирать фонотеку: на плеере, компьютере, с помощью наушников или каким-либо другим способом. Т. е. что для вас наиболее удобно и приемлемо по цене. По мнению большинства экспертов, любой, даже очень качественный цифровой плеер, уступает по насыщенности передаваемого звука виниловым проигрывателям и даже катушечным магнитофонам. И тем не менее среди цифровой техники вполне можно подобрать устройство с более чем приличным звучанием. Это могут быть проигрыватель CD-дисков (такой, например, как Harman Kardon HD 990/230), домашний компьютер или портативный аудиоплеер. Использование компьютера или ноутбука в домашней стереосистеме привлекает компактностью и экономичностью. Внешний же модуль интересен тем, что исключает влияние каких-либо компьютерных помех на качество звука.
Преобразователь сигнала
Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый потребуется ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь. Устройство может быть встроенным в проигрыватель или представлять собой отдельный модуль. Встроенный, как правило, проигрывает по техническим характеристикам модульному. Внешний ЦАП предусматривает отдельный блок питания, интегрированный – питается от общего с проигрывателем источника. Как следствие – помехи, возникающие в проигрывающем устройстве, могут влиять на вмонтированный преобразователь. Отдельный модуль от этих рисков избавлен. Наиболее целесообразным бывает применение внешнего ЦАП при прослушивании контента, записанного в lossless-форматах. Такие записи распространяются преимущественно через интернет, и, если компьютер оснащен звуковой картой низкого класса, звучание будет посредственным. Чтобы добиться хорошего звука, к S/PDIF-выходу компьютера подключают модульный ЦАП, частота дискретизации и разрядность которого не меньше, чем у прослушиваемого трека, и равны соответственно минимум 96 кГц и 24 бита.
Усилитель
Если вы определились с форматом и типом проигрывателя, приобрели хороший ЦАП, самое время переходить к выбору усилителя – устройства, главной функцией которого является повышение уровня поступающих на него аналоговых звуковых сигналов. Усилители бывают ламповые и транзисторные. Первые дают более мягкий, переливчатый звук, вторые – более резкий и детализированный. Какой вариант подойдет именно вам, лучше определить, оценив звучание каждого из них. Как среди ламповых, так и среди транзисторных усилителей есть модели с обратной связью и без нее. Функция обратной связи сводится к исправлению искажений, вносимых в звуковой сигнал самим усилителем. При этом устранение таких искажений ведет к потере части динамического диапазона звука.
Колонки
Практика показывает, что правильно подобранные акустические системы даже в комплекте со среднего уровня усилителем могут обеспечить вполне убедительный звук. Нередко колонки становятся самым дорогостоящим компонентом стереосистемы, но эти расходы чаще всего оправданы. На рынке сегодня предлагаются акустические системы в корпусе из пластика, МДФ, ДСП, натурального дерева, оргстекла, металла и даже мрамора и гранита. По габаритам колонки делятся на полочные и напольные, конструктивно – на широкополосные и многополосные. Качество звучания домашней стереосистемы во многом зависит от мощности колонок. Этот показатель определяет, как долго акустическая система сможет звучать на максимальной громкости без искажений и хрипов. Чтобы не навредить оборудованию, нужно убедиться в том, что мощность динамиков не превышает аналогичный параметр усилителя.
Кабели
Выстраивая аудиосистему, пользователь неизбежно сталкивается с проблемой выбора кабелей для соединения комплектующих, а также для подключения внешних устройств, например, микрофона. На качество получаемого звука влияет прежде всего длина используемых проводов. Рекомендуется придерживаться правила: чем короче кабель, тем лучше звучание. Все провода системы принято делить на межблочные и акустические. Первые необходимы для соединения отдельных блоков между собой, например, усилителя и ЦАП. Вторые – для подключения колонок. В зависимости от материала изготовления кабели делятся на типы:
Питание
Разбираясь в том, от каких характеристик зависит качество звучания стереосистемы, нельзя обойти стороной тему электропитания. Влияние сетевого шнура на качество цифрового звука часто недооценивается. В том, что питающий кабель действительно играет определенную роль в формировании звука, легко убедиться опытным путем. Для этого нужно попробовать разные типы проводов и оценить разницу звучания при подключении каждого из них. Помимо этого, каждый элемент системы лучше подключать отдельным кабелем и, если есть возможность, напрямую к распределительному щитку на входе в квартиру. Таким образом минимизируется влияние сетевых помех на качество звукового сигнала. Все используемые розетки должны обеспечивать надежную фиксацию штепселя. Оптимальным будет включение в систему сетевого фильтра, который стабилизирует параметры питания, а кроме того защитит аппаратуру от пиковых значений напряжения.
Проверяем на практике бессмысленность высоких частот дискретизации
Много чего написано про ненужность частоты дискретизации 192000 Гц в звуковых файлах, предназначенных для прослушивания. Но аргументы обычно ссылаются на теоремы, для правильного понимания которых нужно довольно хорошо разбираться в математике. Но есть другой способ проверки некоторых утверждений — провести соответствующие эксперименты много раз.
Для начала необходимо сформулировать утверждение, которое будет проверяться в дальнейшем. Если частота 192000 Гц избыточна, то должна существовать более низкая частота дискретизации, при которой происходит корректное восстановление звукового сигнала. Предположим, что это частота 44100 Гц. Если при 192000 Гц происходит корректное восстановление, и при 44100 Гц происходит корректное восстановление, то в обоих случаях результат на выходе должен быть одинаковым. Чтобы проверить это на практике, нужно дорогое оборудование, которое есть далеко не у каждого. Поэтому пойдём немного другим путём. Если в файлах 44100 Гц и 192000 Гц содержится одинаковое количество информации о звуке, то это означает, что преобразование из 192000 Гц в 44100 Гц является сжатием без потерь, следовательно, должен существовать способ восстановления из файла 44100 Гц исходного файла 192000 Гц. Вот это уже может проверить каждый на любом современном компьютере.
В качестве исходника я выбрал музыкальный фрагмент с частотой дискретизации 192000 Гц. Если мне попался какой-то неправильный материал, в котором изначально не было чего-то важного, что должно потеряться при преобразовании из 192000 Гц в 44100 Гц, то любой желающий может проделать описанное в этой статье с любым другим файлом. Все действия будут производиться в свободном редакторе Audacity со стандартными эффектами. Все получаемые в процессе файлы будут сохраняться в формате FLAC с разрядностью 24 бит.
Исходный файл хранится в файле «A.FLAC» и выглядит вот так:
А вот так выглядит его спектр:
Нас интересует только звуковая информация, поэтому ультразвук удалим с помощью эквалайзера.
И получим такой спектр:
Экспортируем результат в файл «B.FLAC» — именно с ним мы будем сравнивать файл, который получится в конце всех преобразований.
Перед преобразованием частоты дискретизации убедимся, что в настройках выставлено максимальное качество:
Далее выбираем новую частоту дискретизации проекта и его экспортируем в файл «C.FLAC»
Затем открываем файл «C.FLAC», устанавливаем частоту дискретизации проекта 192000 Гц и экспортируем в файл «D.FLAC».
И остался самый главный этап: открыть файлы «B.FLAC», «D.FLAC» и сравнить их:
Разницы нет. Сравним получше — инвертируем одну из дорожек
И сведём всё в одну дорожку:
Тишина! Полная тишина!
А чтобы всё же увидеть разницу, надо увеличить амплитуду на 96 дБ!
Разница настолько тихая, что её невозможно услышать, а это значит, что при преобразовании из 192000 Гц в 44100 Гц в звуковом диапазоне информация не теряется. Вот так без глубоких познаний в математике с помощью доступного каждому программного обеспечения можно проверить достаточность частоты дискретизации 44100 Гц для хранения музыкальных файлов.
Бит против килогерца: что важнее?
Размышления об успехе 12-битной драм-машины E-Mu SP-1200 и довольно узкая динамика поп/рок-репертуара зародил еретические мысли. Оптимальны ли характеристики наших цифровых протоколов?
Любители студийного мастер-звука могут сердиться сколько угодно, но факт остается фактом. Формат Red Book при немыслимом для цифровых технологий возрасте 35 лет все еще остается основным контейнером для коммерческих фонограмм. Даже если вы слушаете ощипанный трек в MP3 или iTunes, его пропорции описаны в тех же 16 битах на опорные 44,1 кГц дискретизации. Много это или мало? Смотря что мерить.
Компакт-диск или файл в аналогичном формате в состоянии обеспечить 16 х 6 = 96 дБ между самым тихим и громким пассажем. Это очень даже немало. Техническим сигналом для лабораторных испытаний можно заставить ЦАП выдать такой показатель, но я не знаю реальных музыкальных событий с подобным размахом. Даже тот самый «1812» с пушечкой — там 60 дБ в самых пиковых моментах и чуть больше 20 дБ в среднем. В современной фонограмме показатели динамического диапазона сужены обычно раза в три.
По преданиям, Philips сначала хотела остановиться на 14-битном разрешении; умножаем 14 на 6 = 84 дБ, это по-прежнему выше уровня рокота самых дорогих виниловых трактов. Первое поколение ЦАПов Philips TDA1540 оперировало именно с 14 бит и ничего, многие винтажисты очень довольны этим чипом по сей день.
Первое поколение CD-плееров использовало 14-битный ЦАП Philips TDA1540
В общем, CD-качества вроде бы хватает с головой для самых смелых аудиозадач. И все-таки, когда сравниваешь мастер в Hi-Res и полученный из него стандартный Red Book CD, кажется, что-то утеряно. Где-то больше, где-то не очень — зависит от контента. Но и не забывайте, что ресемплинг и понижение битности понижается различными алгоритмами, так что итоговое качество для CD-печати получается гадательным.
Мой личный опыт возни с записью, редактированием и воспроизведением цифрового аудио по большому счету имеет две точки мнительности. Первая выглядит вполне технически обоснованной.
Мне категорически не нравится, что на аудиопотоке с дискретностью 44,1 кГц граничная частота лежит слишком низко, в области 20 кГц. Вроде бы там особо и не должно быть слышно, но как показывают графики работы цифровой фильтрации ЦАПа, в окрестностях творится черт знает что. Жесткий срез спектра записи, хотя в жизни имеет место пологое падение. Или наоборот, ранний завал из-за специфики фильтра. А еще какие-то паразитные гармоники на высоких частотах. Удельный вес относительно общего сигнала у них не очень большой, но все равно картинка получается неприглядная. Все вот эти оверсемплинги требуются из-за невозможности установить на 22,05 кГц нормальный аналоговый фильтр.
Было бы прекрасно, если бы в начале 80-х стандартом оставили дискретизацию 50 кГц первых цифровых рекордеров Soundstream. А еще лучше, если бы она составила примерно 60 кГц. Таким образом, мы бы получили достаточно протяженную АЧХ, обеспечивающую плавный спад всех музыкальных штрихов и нюансов до 30 кГц, как в хорошем магнитофоне или SACD. Вот выше уже действительно ничего нет. Но в итоге получилось по-другому.
До анонса компакт-диска цифровые рекордеры Soundstream записывали звук с параметрами 16 бит / 50 кГц
Sony выбрала значение 44,1 кГц из-за совместимости со стандартом PAL. Профессиональные видеомагнитофоны Betacam и VHS позволяли делать запись PCM-кода аудио. Три значения укладывались в каждую из 588 строк видеосигнала PAL, передаваемого с частотой 25 кадров в секунду: 3 х 588 х 25 = 44100. Вот такая арифметика.
Видеомагнитофон Sony с помощью процессора PCM-F1 мог записывать цифровой аудиокод
Дальнейшее развитие цифровых технологий записи и воспроизведения использовало кратное умножение базовых форматов CD и DAT — 44,1 и 48 кГц: т.е. 88,2, 96 кГц и так далее. Конечно, появилась возможность отодвинуть помехи квантования подальше в ультразвук, но ведь и кратно росли размеры аудиофайлов. А еще прибавка в полтора раза при переходе с 16 на 24 бит. А если это будет 32 бит? И при попытке сделать этот огромный аудиомассив чуть меньше меня добивает вторая мнительность.
Казалось бы, разрешение 24 бит и выше подразумевает выборку далеко за пределами человеческого слуха. Шутка ли, 24 х 6: нет такой ни техники, ни фонограмм, чтобы они плясали в диапазоне 144 дБ. Для того 24 бит и затевались в студиях — вынести любые ошибки наложения при редактуре куда подальше. Но стоит подвергнуть такой файл децимации, даже просто ресемплингу из 192 в 96 кГц, и что-то неуловимо меняется. Чуть другие уровни, чуть более плоский и тупой саунд, который мне не очень нравится в сравнении. Поэтому я выбираю оригинальные хайрезы не за абстрактную частотку, а лишь за отсутствие шрамов, которыми обрастает мастер-файл по пути вниз. Попытаемся оценить эти увечья.
Для экспериментов был выбран питомец лейбла 2L, который предлагает некоторые свои DXD-записи для свободного скачивания. Надо сказать, репертуар, как это бывает у аудиофильских контор, довольно тягостный и медлительный. Но, к счастью, там нашлась и выручила «Детская увертюра» Эжена Бозза. Эта фонограмма довольно энергично брякает, чтобы судить об изменении саунда при трансформации мастер-файла.
Изначально 5 с половиной минут DXD-оригинала «Детской увертюры» с характеристиками 24 бит / 352,8 кГц занимает целых 437 мегабайт. И это еще сжатое во FLAC, практически размер целого CD! На чем будем экономить?
На заре цифрового звука еще не существовало эффективных моделей борьбы с ошибками квантования. Да и вычислительным мощностям процессоров было многое не под силу. Шкворчание 8-битного саунда первых компьютерных игр стало стереотипом на долгие поколения вперед, но сейчас вы сами убедитесь, что 8 бит сегодня может играть вполне прилично. Чудодейственной панацеей стал так называемый дизеринг (dither), а если еще точнее — его разновидность, нойз-шейпинг (noise shaping).
В весьма толковой статье разработчика iZotope Алексея Лукина дается наглядный пример, как подмешивание горстки шума выручает картинку при снижении разрешения до 4 бит с 16-ю градациями яркости. Просто чудо, когда видишь, как ошибки квантования (так называемая постеризация изображения) практически сходят на нет. То же самое происходит и со звуком.
В отличие от общего случая дизеринга, нойз-шейпинг генерируется не во всей полосе полос, а лишь на высокочастотной области, что менее заметно на слух. Рассуждения о заметности схожи с помыслами разработчиков MP3-алгоритма, с той лишь разницей, что эти в частотный диапазон добавляют, а не режут. Нойз-шейпинг позволяет увеличить динамический диапазон фонограммы, от души его применяют в DSD кодировании и также видны следы его работы при записи «Детской увертюры».
Итак, с помощью ресемплера и фирменного нойз-шейпинга iZotope MBIT+ был сгенерирован целый ворох «Детских увертюр». Получилась стопочка FLAC-ов с разрядностью 8, 12, 16, 20 и 24 бит на кратной дискретизации 44,1 или 88,2 кГц. Также не обошлось без пары образцов МР3 битрейтом 320 кб/с. Один был опрокинут из файла 24 бит / 88,2 кГц, другой из 16 бит / 44,1 кГц, которые также представлены в этом списке. Архив можно скачать и самостоятельно решить, кому что нравится.
Понятное дело, четче и лучше всех отыграла самая полная версия 24/88, практически неотличимо от оригинала. Я надеялся, что понижение до 20 бит не скажется на качестве, но не тут-то было. Значит, начнем двигаться с другой стороны списка.
Сортировка в папке по размеру показала, что самым маленьким оказался образец 8 бит / 44,1 кГц. Менее 12 мегабайт после 400! Несмотря на слышимый шумок, звучит он весьма задорно и это не иллюзия — после всей математики уровень фонограммы немного подрос. Следующими по объему ожидаемо шли МР3. Не знаю как вам, но мне из всего набора проверять их было скучнее всего. И это при том, что в паузе у таких файлов было все чисто и аккуратно. Ну не мое, и все тут. Скомканный серый звук без огонька. Приятнее слушать пусть шумноватый, но лосслесс с низкой битностью, напоминает кассету. Вот на них и выруливаем дальше.
В полтора раза больше чем МР3 оказалась пара образцов на 12 бит / 44,1 кГц и 8 бит / 88,2 кГц. Размер — 19,7 и 23,5 Мб соответственно. По сравнению с базовым CD-разрешением (28,5 Мб) дополнительный шум заметен разве что в 8-битном треке, да и то в наушниках. Я не смог отдать однозначное предпочтение какой-то одной версии.
Субъективно файл более высокой битности играет быстрее, напористей, особенно это касается 24 бит / 44,1 кГц. Но и у 8- и 12-битного аудио на более высокой частоте дискретизации 88,2 кГц имеются несомненные плюсы. Более «гибкие» послезвучия, глубже строится сцена в отсутствие цифрового фильтра в слышимой области. Вы также можете сгруппировать треки по размерам и сравнить их самостоятельно.
По коэффициенту качество/размер я бы выделил следующую тройку, и вся она, увы, опирается на повышенную частоту дискретизации 88,2 кГц:
• 12 бит / 88,2 кГц (13-кратное уменьшение оригинала)
• 8 бит / 88,2 кГц (18,5-кратное уменьшение оригинала)
• 16 бит / 88,2 кГц (10-кратное уменьшение оригинала)
Подытоживая этот обзор, если можно было перезапустить всю цифровую индустрию заново, я бы предпочел использовать следующую градацию PCM-протоколов:
• Частота дискретизации 60 кГц в качестве индустриального стандарта
• Частота дискретизации 120 кГц для ответственных High-End задач
• Длина разряда в 10 бит для потокового аудио (10 бит / 60 кГц)
• Длина разряда в 14 бит для стандартной дистрибуции музыки (14 бит / 60 кГц)
• 22 бит для студийной работы и аудиофильских изданий музыки (22 бит / 60 кГц или 22 бит / 120 кГц)
Записывая звук, выбираем оптимальную частоту. Полезная информация
Не только новичкам, но и некоторым энтузиастам, занимающихся звуком много лет, покажется откровением тот факт, что банальный процесс записи сопровождается сложнейшими физическими явлениями. Одним из таковых называют дискретизацию. Согласно определению, она представляет собой процесс преобразования непрерывной функции в дискретную. Людям, далёким от науки, это понять сложно, тем более, здесь задействована квантовая физика – самая сложная из существующих на сегодняшний день. Но профессиональные звукорежиссёры, например, работающие в московской студии звукозаписи «Интервал», знают, что такое частота дискретизации звука, какая лучше применима в тех или иных случаях. Почему? Потому что от этого явления зависит конечное качество записываемой музыки. В кассетно-плёночный период эти нюансы, ввиду ограниченной технической оснащённости, опускались. Но в современном высокотехнологичном цифровом мире частота дискретизации звука имеет значение при создании музыки и демонстрации её слушателям.
Детализация понятий
Что такое разрядность и частота дискретизации, какая лучше? Ответ на данный вопрос, несмотря на сложность природы этих явлений, получить можно. При этом нет необходимости штудировать учебники по физике. Достаточно вспомнить, что советскими полуподпольными звукорежиссёрами, записывающими рок и другую музыку, эти показатели определялись на интуитивном уровне. Дискретизацию ещё называют сэмплированием. Это определение более понятно для музыкантов. Её частота подразумевает интенсивность процессов в тот момент, когда аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. Среди них хранение данных, конвертация, и непосредственно оцифровка.
Частота дискретизации измеряется в герцах. Ориентиром в её изучении является теорема Котельникова. Её автор раскрывает суть дискретизации. Согласно теореме, она ограничивает интенсивность оцифрованного сигнала до половины собственной величины.
Частота дискретизации. В чём её значение для звукозаписи
Дискретизация по времени – это процесс, который непосредственно связан преобразованием аналогового сигнала в цифровой. Наряду с ней происходит квантование данных по амплитуде. Дискретизация по времени означает измерение сигнала в момент всей его передачи. В качестве единицы берётся один сэмпл. Если на словах это не совсем понятно, то на примере выглядит более убедительно. Допустим, частота дискредитации равняется 44100 Гц – та самая, которая применялась на аудио-CD. Это означает, что сигнал измеряется 44100 раз в течение одной секунды.
Аналоговый сигнал по своей насыщенности всегда превосходит цифровой. И его преобразование – это неизбежная потеря в качестве. Частота дискретизации служит своеобразным ориентиром: чем она выше, тем ближе качество цифрового звука к аналоговому. Это явственно просматривается в списке ниже. Он показывает, какая частота звука лучше. Изучая его, вы увидите непосредственную взаимосвязь дискретизации и качества трека:
Список чётко указывает на то, какая частота звука лучше. К тому же технологии на месте не стоят, и появляются новейшие форматы. Но прежде чем строить далеко идущие планы, следует учесть один очень весомый нюанс. Его суть проста: чем выше частота дискретизации, тем сложнее её достичь технологически. Для этого необходимо:
Учитывая вышеизложенную информацию, неудивительным является тот факт, что частота звука, равная 44100 Гц, продолжает оставаться наиболее востребованной и сегодня. Она десятилетиями удовлетворяет даже самые взыскательные запросы к качеству, и вместе с тем имеются все технические возможности для её достижения. Последний фактор является определяющим как для рядовых пользователей, так и для большинства звукозаписывающих студий. Даже зная, какая частота звука лучше, чтобы достигнуть её, необходимо позаботиться о технической оснащённости.