Аналоговый звук ушел в далекое прошлое — уже много лет никто профессионально не будет записывать именно аналог. Да, есть определенная категория меломанов и аудиофилов, которые до сих пор слушают аналоговые записи — виниловые пластинки или магнитные ленты, но все равно такой формат больше не вернется.
С развитием цифровой записи и воспроизведения все поменялось — цифровой звук не портится в отличие от пластинок и лент и может храниться вечно: главное, чтобы накопитель не вышел из строя. В этой статье мы вспомним эволюцию цифрового звука — от примитивных 8 бит до Hi-Res систем.
Для начала небольшая памятка, которая поможет понять термины:
Частота дискретизации — это количество измерений амплитуды звука, которые делаются за одну секунду. Чем выше частота, тем точнее записывается и воспроизводится звук.
Биты в звуке — это разрядность, которая определяет точность измерения амплитуды звукового сигнала. Чем больше бит (например, 16 или 24), тем выше качество звука и меньше искажений.
Битрейт звука — это количество битов данных, передаваемых за секунду, которое влияет на качество звука. Чем выше битрейт, тем лучше качество, но больше размер файла.
Также важно сразу знать:
Аналоговый звук преобразуется в цифру с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя): сигнал дискретизируется (замеряется с определенной частотой, например, 44.1 кГц — все зависит от формата), и затем каждый замер квантуется (присваивается числовое значение, например, 16 бит). Полученные данные кодируются в цифровой формат (например, PCM для CD или MP3 после сжатия). Чем выше частота дискретизации и разрядность, тем точнее оцифровка (и качественне звук), но больше размер файла.
Далее мы разберем все по порядку.
8 бит
Начнем именно с 8 бит. Почему? Да, цифровой звук начинался с 1 бита, потом были 2 и 4 бита, но самую популярность в то время получил именно 8-ми битный звук. Многие помнят игровую приставку Dendy и считают, что в ней звук был 8-ми битным, но это не так — звук был 6 битов, а 8 бит это разрядность процессора.
Развитие цифровых технологий началось с первых экспериментов по синтезированию и преобразованию звуков, которые сегодня воспринимаются как весьма скромные, но в то время были революционными. Эпоха восьмидесятых годов ознаменовалась распространением формата 8-битного звучания, прочно связанного с миром компьютерных развлечений и ранних музыкальных инструментов — синтезаторов (ЭМИ).
Этот способ использовал всего 256 возможных значений амплитуды звуковой волны, что создавало характерное «квакающее» звучание с явными артефактами. Частота дискретизации в таких системах редко превышала 22 кГц, а битрейт составлял всего около 64-128 кбит/с.
Несмотря на технические ограничения, 8-битная музыка, по факту, стала культовой. Чиптюны (музыка, созданная на звуковых чипах старых компьютеров и игровых консолей) до сих пор имеют своих поклонников.
Композиторы того времени вынуждены были проявлять мастерство, чтобы вписаться в жесткие технические рамки и при этом создать запоминающиеся мелодии без живых музыкальных инструментов. Звуковые карты типа AdLib и Sound Blaster стали первыми массовыми устройствами, позволяющими выйти за пределы простого бинарного 1-битного звука (бипера внутри ПК).
8-ми битный звук не только синтезировался компьютерными системами, но был способен записать даже голос. Очень часто такой звук использовали в автоответчиках 80-х и 90-х годов — качество голоса было роботизированное с шумами, но все же использовалось там, где не было важно высокое качество звука.
А в основном, конечно, 8-ми битный звук использовался в играх и различных синтезаторах звуков.
16 бит
А вот это уже был настоящий прорыв — 16 бит ассоциируется с компакт-дисками. Хоть 16-битный звук появился в далеком 1982 году (CD формат), популярным стал гораздо позже по причине дороговизны устройств и самих дисков. Данный формат давал частоту дискретизации 44,1 КГц и глубину 16 бит, что обеспечило частотный диапазон 20 Гц — 20 кГц (практически полный спектр слышимых человеком частот) и динамический диапазон около 96 дБ.
Если сравнивать CD формат с виниловыми пластинками или магнитной лентой, то он давал максимальное качество на то время. А самое главное — это был уже чистый звук, которому не были страшны никакие помехи.
Параметры CD (44,1 Кгц и 16 бит) были выбраны специально — такой формат хорошо воспринимает человеческое ухо и соответствует теореме Найквиста-Котельникова. Человеческое ухо в среднем слышит частоту до 20 кГц, поэтому данная частота дискретизации 44.1 Кгц была выбрана не случайно. Битрейт данного формата высокий — 1411,2 кбит/с.
MP3
Грех было не поговорить в рамках этой статьи про уникальный формат MP3, который значительно уменьшал объем файла по сравнению с CD. Формат появился в 1995 году и завоевал популярность у многих, но вызвал критику у меломанов и аудиофилов. Здесь все зависит от формата MP3 — файл уменьшался в диапазоне от 4,4 до 22 раз. Например, CD аудиофайл на примере 3-минутного трека занимает примерно 32 мегабайта, в то время как в формате MP3 при битрейте 64 кбит/сек он занимает всего 1,4 мб. Чаще всего в MP3 используют битрейт 320 кбит/сек, и 3-минутный трек занимает чуть более 7 мегабайт.
Как вы уже поняли, формат использует алгоритм сжатия за счет потери качества. У данного формата было множество критиков, особенно среди аудиофилов. Главными проблемами MP3 были «ватное» звучание вокала, потеря деталей в верхнем частотном диапазоне и артефакты сжатия на сложных музыкальных произведениях. Тем не менее, удобство и малый размер сделали MP3 доминирующим форматом в эпоху расцвета файлообменных сетей и первых цифровых плееров.
Если на 1 CD диск помещалось до 20 треков в формате CD Audio, то если на оптический накопитель CD записывать MP3, то можно было поместить до 200 треков в зависимости от битрейта. Формат MP3 был популярен, когда не было жестких дисков с большим объемом.
Lossless-форматы
Недолго музыка играла, как говорится в одной пословице — как появились накопители большого объема, так многие истинные ценители звука перешли на так называемые Lossless форматы — FLAC (Free Lossless Audio Codec), ALAC (Apple Lossless Audio Codec) и APE (Monkey's Audio). Данные форматы использовали сжатие, но алгоритмы были специально оптимизированы под звук — если сравнивать данные форматы и чистый WAV (формат без сжатия), то объем уменьшался примерно в 2 раза. Сжатие работало так, что не терялся даже 1 бит информации.
Аудиофилы и меломаны сразу оценили этот формат — вкупе с хорошей акустикой формат давал отличное качество звука. Появились даже первые компактные плееры, способные воспроизводить музыку в данном формате.
Hi-Res Audio
Наконец-то переходим к самому главному — Hi-Res Audio или аудио высокого разрешения. Вообще, качество CD 44,1 кГц/16 бит достаточен для точного воспроизведения музыки, тогда зачем нужен еще какой-то формат? Здесь все просто — стремление получить максимально точную передачу звуковой волны.
Как правило, Hi-Res формат это — 96 кГц/24 бит, 192 кГц/24 бит или же совсем максимальные 384 кГц/32 бит. Форматы файлов, которые воспроизводят на Hi-Res оборудовании — FLAC, ALAC, WAV, AIFF и DSD.
Особое место среди аудиоформатов занимает DSD (Direct Stream Digital), применяемый в SACD (Super Audio CD). В отличие от стандартной импульсно-кодовой модуляции (PCM), DSD использует плотностно-импульсную модуляцию с чрезвычайно высокой частотой дискретизации (2,8224 МГц), но всего 1 битом глубины.
Приверженцы DSD утверждают, что такой подход обеспечивает более естественное, «аналоговое» и даже ламповое звучание, приближенное к оригинальному звуку. А вот противник формата отмечают, что разница в качестве не всегда очевидна, а обработка и редактирование DSD-записей сложнее из-за особенностей формата.
Переход с 16-битного на 24-битное аудио открывает новые горизонты в качестве звучания. Теоретический динамический диапазон расширяется со скромных 96 дБ до впечатляющих 144 дБ, что кардинально меняет подход к записи и воспроизведению музыки.
На практике это проявляется в исключительной точности передачи тихих нюансов и плавности переходов между уровнями громкости, что особенно ценно для профессиональной звукозаписи. В студийных условиях дополнительная глубина становится незаменимым инструментом, позволяя проводить многократные обработки без риска ухудшения исходного качества материала. Сейчас вся музыка пишется именно на 24 битном битрейте.
Не менее значительный прогресс наблюдается в области частоты дискретизации. Современные стандарты 96 кГц и выше формально выходят далеко за пределы слухового восприятия человека, теоретически охватывая верхний диапазон до 48 кГц.
Интересно то, что человеческое ухо напрямую не слышит эти ультразвуковые частоты, их присутствие в записи может косвенно влиять на общее звуковое восприятие. Технически высокая частота дискретизации приносит ощутимую пользу при проектировании цифровых фильтров, существенно снижая фазовые искажения в слышимом частотном диапазоне. Так скажем, данный формат просто идеален для тех, кто создает музыку: ведь сейчас уже не нужны музыкальные инструменты, большинство популярных исполнителей все создает на компьютере.
ЦАП и не только
Уже любое устройство, даже смартфон может работать с музыкой в высоком качестве. Но далее все зависит от ЦАП — цифро-аналогового преобразования. Например, внутри смартфона, как правило, стоит очень простой ЦАП и даже если воспроизводить WAV форматы, то полноценной звуковой картины не будет. В компьютере ЦАП это звуковая карта — она может быть внутренняя (встроенная в материнскую плату или в слоте PCI) или внешняя (называется звуковой интерфейс).
Чем выше качество ЦАП — если он работает с высокой частотой дискретизации и битовой глубиной, то тем лучше будет качество звука. Но и здесь еще не все — в конечном итоге многое зависит от усилителя и акустической системы (или усилителя для наушников и самих наушников). Не все могут оценить высокое качество звука — нужна дорогостоящая аппаратура. А для записи, так вовсе такая аппаратура стоит больших денег.
Эволюция звука от 8-bit до Hi-Res демонстрирует постоянный поиск баланса между качеством, удобством и доступностью. Запись и воспроизведение звука также развиваются, как и другие технологии.
Каждая новая технология не отменяет предыдущие, а добавляет новые варианты для разных категорий слушателей. Сегодня мир звука стал мультиформатным: кто-то слушает музыку в MP3 через Bluetooth-наушники, кто-то наслаждается винилом, а другие же строят сложные Hi-Res системы.
В любом случае восприятие любой музыки — сугубо индивидуальное и субъективное. Одни привыкли к теплому ламповому звуку, профессиональной аппаратуре, а другие могут просто не заметить разницы. Чтобы ощутить разницу нужно слушать и слушать качественную Hi-Res систему и сравнивать с обычными форматами — только тогда можно ощутить разницу.
