С таким крайне неприятным явлением, как клиппинг, так или иначе, сталкивались все. Как известно, клиппинг (англ. clipping — отсечение, срезание) в звукотехнике — нелинейные искажения звука вследствие жёсткого амплитудного ограничения цифрового или аналогового сигнала.
В аналоговых устройствах клиппинг происходит, когда амплитуда звукового сигнала так велика, что электрическая схема не может ее дальше воспроизводить. Пики звуковой волны отсекаются, и волна принимает форму, близкую к трапеции. Это всегда случается при перегрузке любого устройства, работающего со звуком: усилителя, динамика, магнитофона (и магнитной ленты при записи), и т.д.
Не все схемы клиппуют одинаково. Ламповые усилители и аналоговая пленка дают «мягкий» клиппинг при небольшой перегрузке, что придаёт «тёплую» окраску звуку и мягкую компрессию из-за того, что пики сигнала срезаются постепенно, а не резко. Мягкий клиппинг часто называют сатурацией. Схемы на транзисторах обычно дают «жесткий» клиппинг, он резко срезает пики и дает агрессивный звук.
Цифровой клиппинг возникает при выходе цифрового сигнала за пределы шкалы допустимых значений, т.е. за 0 dB. Поскольку выше этого порога сигнал не фиксируется, он просто резко срезается, без всяких плавных закруглений по краям. По-этому, считается, что цифровой клиппинг — наихудший, наиболее неблагозвучный из всех видов амплитудных ограничений, гораздо хуже транзисторной, а, тем более, ламповой или «плёночной» перегрузки. Однако, есть мнение, что это бесспорно верно лишь для значительных перегрузок; если уровень кратковременной перегрузки ограничен несколькими дБ, то качество звука остаётся допустимым. Таким соображением, очевидно, руководствуются недобросовестные производители CD, задирающие пиковый уровень на своих изделиях до 0 dB (при этом, неизбежны кратковременные выбросы, которые, естественно, срезаются).
Так что же происходит с сигналом при клиппинге? Как известно, любой, сколь угодно сложный звуковой сигнал (музыкальная фонограмма, например), состоит из синусоид разной частоты и амплитуды, наложенных друг на друга. По-этому, то, что справедливо для одной синусоиды, будет происходить и со сколь угодно сложным сигналом.
Вот, как клиппинг синусоидального сигнала выглядит на графике:
Хорошо видно, как округлая волна, после обрезки превращается в нечто, близкое по форме к трапеции, что, в свою очередь, приближает её к такому замечательному виду сигнала, как меандр. Я думаю, что все эффекты клиппинга связанны именно с этим: чем сильнее обрезана волна, и чем она «квадратней», тем больше она ведёт себя как меандр. Вот о нём и поговорим.
Собственно говоря, меандр представляет собой постоянный ток, который меняет свою полярность с определённой частотой.
Однако, с другой стороны, меандр можно представить, как сумму бесконечного числа синусоидальных волн! Удивительно, но это так. Соответствующая сумма гармоник и меандр это одно и тоже. Можно взять сколь угодно много реальных синусоидальных сигналов, сумматор (есть такое устройство) и подать это на осциллограф. В результате на осциллографе увидим меандр (ну почти, т.к. число синусоид конечно, а чтобы получить точно меандр надо бесконечное число).
На этой картинке для построения меандра берутся не все частоты, а только первые несколько:
Отсюда мы можем сделать простой вывод: при клиппинге звуковой волны генерируется множество новых звуковых волн (гармоник), кратных основной частоте. И, чем больше срезается волна, и, чем ближе по форме она к меандру, тем этих «лишних» частот будет больше. Само собой, что в сложном сигнале все эти новые частоты взаимодействуют между собой, «загрязняя» исходный звук.
Рассмотрим цифровой клиппинг на конкретном примере. Для этого возьмём песню «The Loser In The End» группы Queen из альбома Queen II 1974 года, с вот этого компакт-диска:
Песню я предварительно перевёл в формат 24/96.
Сначала посмотрим на Dynamic Range и пиковый уровень:
Statistics for: ?-The Loser In The End (24-96)
Number of samples: 23165542
Duration: 4:01
--------------------------------------------------------------------------------
Left Right
Peak Value: -0.26 dB --- -3.15 dB
Avg RMS: -16.51 dB --- -16.80 dB
DR channel: 12.46 dB --- 11.41 dB
--------------------------------------------------------------------------------
Official DR Value: DR12
Как видим, всё очень хорошо! Пиковый уровень, на одном канале -3.15 dB, на другом, -0.26 dB, но это объясняется единичным выбросом. Средний уровень, DR12, что обеспечивает великолепную динамику. В целом, фонограмма должна вполне прилично звучать (так и есть).
Вот так она выглядит в окне звукового редактора (хорошо виден единичный выброс, дающий в пике 0.26 dB).
На спектрограмме всё практически заканчивается на 20 кГц. Оно и понятно – на исходном CD больше нет, по определению.
А теперь возьмём, и увеличим уровень в нашем звуковом редакторе на 10 dB. Что при этом изменится?
Statistics for: ?-The Loser In The End (24-96) + 10 dB
Number of samples: 23165542
Duration: 4:01
--------------------------------------------------------------------------------
Left Right
Peak Value: 0.00 dB --- 0.00 dB
Avg RMS: -6.38 dB --- -6.65 dB
DR channel: 4.81 dB --- 5.04 dB
--------------------------------------------------------------------------------
Official DR Value: DR5
Пиковый уровень стал 0 dB, и сколько бы мы дальше не поднимали уровень в редакторе, он не изменится – происходит обрезка сигнала.
А вот Dynamic Range изменился, и стал DR5. Это значит, что произошла сильная компрессия сигнала.
Без комментариев!
На спектрограмме появилось нечто интересное: спектр расширился до предельных 48 кГц, на радость любителей ультразвука в музыке. Очевидно, что такое загрязнение присутствует и в слышимой части спектра. Вот так реально работает клиппинг.
Отсюда вывод: не перегружайте свою аппаратуру, включайте её не более, чем на 75% от максимальной громкости. Ищите максимально «тихие» компакт-диски, они будут чище звучать.
Примеры песни «Loser In The End», с клиппингом и без: https://disk.yandex.ru/d/kwM9ubbjumGbbg
Весь альбом Queen II в формате 24/48: https://disk.yandex.ru/d/qndtysLvR_cScw
