Так ли хорош цифровой звук — частота дискретизации и теорема Котельникова

Частота дискретизации

(или
частота семплирования
, англ.
sample rate
) — частота взятия отсчётов непрерывного по времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем). Измеряется в герцах.

Термин применяется и при обратном, цифро-аналоговом преобразовании, особенно если частота дискретизации прямого и обратного преобразования выбрана разной (Данный приём, называемый также «Масштабированием времени», встречается, например, при анализе сверхнизкочастотных звуков, издаваемых морскими животными).

Чем выше частота дискретизации, тем более широкий спектр сигнала может быть представлен в дискретном сигнале. Как следует из теоремы Котельникова, для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала.

Некоторые из используемых частот дискретизации звука [1] :

• 8 000 Гц — телефон, достаточно для речи, кодек Nellymoser;
• 11 025 Гц — четверть Audio CD, достаточно для передачи речи;
• 16 000 Гц;
• 22 050 Гц — половина Audio CD, достаточно для передачи качества радио;
• 32 000 Гц;
• 44 100 Гц — используется в Audio CD. Выбрано Sony из соображений совместимости со стандартом PAL, за счёт записи 3 значений на линию картинки кадра × 588 линий на кадр × 25 кадров в секунду, и достаточности (по теореме Котельникова) для качественного покрытия всего диапазона частот, различаемых человеком на слух (20 Гц — 20 КГц);
• 48 000 Гц — DVD, DAT;
• 96 000 Гц — DVD-Audio (MLP 5.1);
• 192 000 Гц — DVD-Audio (MLP 2.0);
• 2 822 400 Гц — SACD, процесс однобитной дельта-сигма модуляции, известный как DSD — Direct Stream Digital, совместно разработан компаниями Sony и Philips;
• 5 644 800 Гц — DSD с удвоенной частотой дискретизации, однобитный Direct Stream Digital с частотой дискретизации вдвое больше, чем у SACD. Используется в некоторых профессиональных устройствах записи DSD.

Что такое Частота Дискретизации (частота сэмплирования)? Что такое Разрядность (битность)?

Когда сигнал поступает на АЦП с предусилителя, компрессора, выхода пульта, синтезатора, — он представляет собой электромагнитные колебания. То есть на вход АЦП приходит некая волна с изменяющимся напряжением очень маленьких величин.

В результате получается график волны на экране компьютера. Даже самый лучший преобразователь имеет погрешность, ведь между нулем и единицей нет промежуточных значений, и график волны будет состоять только из вертикальных и горизонтальных отрезков, без наклонных линий.

На графическую прорисовку волны будут влиять высота звука частота колебаний , его тембр форма волны и громкость амплитуда. Качественный АЦП должен корректно передать системе записи все эти параметры. Итак, звук поступает в систему дискретно , то есть разделенным мелкие отрезки. От величины этих отрезков зависит точность кодирования аналогового сигнала в цифровой среде. Чем мельче горизонтальная и вертикальная дискретные единицы, тем точнее оцифровка.

Горизонтальное дробление волны дает нам представление о частоте дискретизации , или частоте семплирования. Чем чаще АЦП фиксирует изменения значений графика волны, тем выше частота семплирования. Собственно, один семпл — это дискретный единичный отрезок, минимальная единица звука.

Чем он короче, тем выше частота дискретизации. К примеру, значение частоты дискретизации в Каждый семпл по продолжительности равен предыдущему. Для корректного воспроизведения звука частоты дискретизации файла и системы должны быть идентичны. При добавлении в проект звуковой дорожки с частотой дискретизации, отличной от дискретизации хоста программы , она должна быть сконвертирована. Если воспроизводить файл более высокой частоты в системе с более низкой, он будет звучать медленнее, чем должен, и наоборот.

Амплитудно-частотная характеристика

В этой теме нельзя не упомянуть такое понятие как АЧХ. Что это такое? Это диаграмма, которая характеризует зависимость амплитуды звука от его частоты. По ней можно определить, на каких именно частотах колонка сможет играть громче, а на каких тише.

Идеальная диаграмма выглядит как прямая линия с небольшим спуском в начале и подъемом в конце. Увы, добиться таких показателей сложно, поэтому такой диаграммой обладают только акустические системы Hi-End класса.

В остальных случаях выбирать колонки рекомендую по АЧХ, в зависимости от того, какому звуку вы отдаете предпочтение:

• С подъемом от 20 Гц до средних басов для тех, кто любит, когда «бумкает» — поклонникам drum’n’bass, breakbeat, dubstep, дет-метала, грайндкора и некоторых течений дум-металла;
• С преобладанием средних частот – поклонникам классических вокала и музыки;
• Высокие частоты – для любителей хеви-металла, пауер-металла, а также вокала в стиле «пиг скрим».

На закономерный вопрос как изменить АЧХ акустической системы, единственный адекватный ответ – перепаять самостоятельно, заменив базовые динамики на более подходящие. Впрочем, многие меломаны знают, как увеличить высокие частоты и убрать басы.

Первый способ – воспользоваться регуляторами на самой акустической системе. Если таковые не предусмотрены конструкцией, рекомендую слушать музыку с помощью проигрывателя со встроенным эквалайзером – например, WinAMP или AIMP.

Итак, на что влияет АЧХ мы разобрались. Также хочу отметить, что чаще всего в сопроводительной документации к акустике бюджетного сегмента, такая диаграмма не приводится.

Встречается она в среднем классе и более дорогих устройствах. Впрочем, многие производители приводят все необходимые данные по каждому девайсу на официальном сайте.

Цифровой аудиотракт: апсемплинг и апскейлинг, WASAPI, ASIO и внешний мастер клок для USB-аудио

Но это всего лишь предположение. Ни разу не наткнулся ни на одно устройство, что не поддерживало бы 48 кГц либо не рекомендовало бы использовать 48 кГц по каким-то причинам. Понятное дело, что до написания игры под плейстейшн мне еще далековато, но это не важно. Главное, что я выяснил, что работать надо 48 кГц. Не забывайте также, что олдфагам эти ваши верхние частоты — глубоко до лампочки. Слуховая улитка с возрастом постепенно дохнет, начиная с верхнего конца, и человек теряет диапазон.

Модель Neumann U 87 Ai

Высококачественная и технологичная модель, предназначенная для профессиональной студийной звукозаписи. Данное устройство некоторые специалисты рассматривают как эталон студийных микрофонов на сегодняшний день. Аппарат отличается несколькими диаграммами направленности, среди которых круговая, восьмиобразная и кардиоидная. И если микрофон «Шур» в модификации SM-58, скорее, рассчитан на использование одного определенного спектра охвата звука, то в данном случае пользователь может с помощью селектора выбирать наиболее подходящую конфигурацию по узким направлениям. Кроме того, предусматривается и возможность выполнения среза частот и понижения сигнала. Это касается обработки нижнего спектра.

Если говорить о конструкционных особенностях, то они выражаются в увеличенном размере мембраны, применении разъема нового поколения XLR3F, а также в отключаемом аттенюаторе на 10 дБ. Данная модель оптимально подойдет и для любительских задач, поскольку эргономика настройки и управления реализована по традиционной схеме. Но, есть и недостаток, которым обладает этот микрофон. Цена устройства составляет порядка 220-230 тыс. По этой причине данную модификацию в основном применяют крупные музыкальные студии и телекомпании, которым необходимо обеспечивать высококачественное чистое звучание.

Уважаемый посетитель!

Когда сигнал поступает на АЦП с предусилителя, компрессора, выхода пульта, синтезатора, — он представляет собой электромагнитные колебания. То есть на вход АЦП приходит некая волна с изменяющимся напряжением очень маленьких величин. В результате получается график волны на экране компьютера. Даже самый лучший преобразователь имеет погрешность, ведь между нулем и единицей нет промежуточных значений, и график волны будет состоять только из вертикальных и горизонтальных отрезков, без наклонных линий. На графическую прорисовку волны будут влиять высота звука частота колебаний , его тембр форма волны и громкость амплитуда. Качественный АЦП должен корректно передать системе записи все эти параметры. Итак, звук поступает в систему дискретно , то есть разделенным мелкие отрезки. От величины этих отрезков зависит точность кодирования аналогового сигнала в цифровой среде.

Скорость звука в км в час и метры в секунду

Скорость звука — это скорость распространения волн в среде. Ниже даю таблицу скоростей распространения в различных средах.

Скорость звука в воздухе намного меньше чем в твердых средах. А скорость звука в воде намного выше, чем в воздухе. Составляет она 1430 м/с. В итоге, распространение идет быстрее и слышимость намного дальше.

Пишу МП3 диск, какая частота выгоднее 44,1 или 48?

Пара слов о составе, работе и оптимизации цифрового аудиотракта с использованием компьютера и USB. В принципе, тема скучная и букв получилось много, так что если осилить сложно — сразу переходите к выводам. Звуковой сигнал, в общем случае, кодируется последовательностью значений амплитуды сигнала, измеренных через равные промежутки времени.

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.

Динамический или ленточный микрофон для вокала?

Рабочую основу представляет комбинация катушки индуктивности и чувствительного элемента в виде мембраны. В процессе воздействия звукового сигнала происходит изменение напряжения в катушке под действием и самой мембраны с ее колебаниями. Причем катушка работает в условиях постоянного действия магнитного поля. Это оптимальный микрофон для голоса, который рассчитан на использование в рамках концертов. Конструкция отличается массивностью корпуса и наличием специального крепления для удержания в руке. Что касается рабочих свойств, то они ориентируются на живую запись с игнорированием внеосевых звуков.

Хороший микрофон, безусловно, имеет высокое отклонение от «попсов» и даже не пренебрегает им, они не должны быть свирепыми, потому что их нельзя легко лечить позже в постпродакшн. Вместо этого карманные передатчики являются только передатчиками, способными взаимодействовать со многими типами микрофонов, но также с аудиосигналами из разных источников. Помимо приведенных ниже функций радиосвязи, необходимо также проверить, может ли передатчик принимать аудиосигнал без питания микрофона или подключается ли он как к двухпроводным, так и к трехпроводным микрофонам, а также к диапазону регулировки чувствительности входа.

Модели ленточного типа, напротив, имеют хрупкую конструкцию и более чувствительную внутреннюю начинку, которая ориентируется на более точную и детализированную обработку сигналов. Вместо мембраны в таком микрофоне используется тонкая лента, за счет колебаний которой и происходит изменение показателей напряжения. Работа ленточного устройства характеризуется мягкой восприимчивостью, что позволяет с большей эффективностью применять его в звукозаписи, причем не только голоса, но и музыкальных инструментов. Впрочем, микрофон для студийной записи можно найти и в линейках с динамическими моделями. Обычно это универсальные устройства, благодаря настройкам которых можно решать разные задачи.

Очевидно, что те же самые соображения касаются микрофонного усилителя чуть ниже того, что в передатчике максимальный уровень звука, который применим, является тем, который будет составлять 100% модуляции, за пределами этого предела будут неприемлемые искажения.

Они очень удобные передатчики, потому что в этом случае выбор микрофона полностью свободен. Например, его можно было бы подключить к ручному микрофону и превратить в микрофон «мороженого», его можно было бы подключить к микрофону дробовика для сложного повторения звука и т.д. и т.д. описание электрических характеристик аналогично характеристикам карманного передатчика, но в этом случае ступень входа звука отличается. Для этих микрофонов предпочтительным является карманный передатчик. Преимуществом являются те передатчики, у которых есть входной трансформатор, потому что они обычно имеют больший иммунитет, чем шумы общего режима, которые генерируются, если мы используем очень длинный звуковой кабель между микрофоном и передатчиком.

Если говорить о работе с записью инструментальных звуков, то обращать внимание стоит и на специализированные модификации. Например, те же динамические микрофоны выпускаются в версиях для барабанов, том-томов, духовых инструментов и т. д. Обычно такие модификации обеспечиваются широким спектром параметров регуляции, как в показателе чувствительности, так и по направленности захвата сигнала.

Хорошо проверять тип и срок службы батареи, потому что микрофон такого типа, даже имеющий внешний микрофон с фантомным питанием 48 В, имеет ограниченную автономность. Давайте быстро увидим аудиофункции, которые должны иметь хороший радиомикрофон. Динамический диапазон, т.е. отношение амплитуды между самым высоким сигналом перед искажением и фоновым шумом радиосистемы. Очевидно, чем выше значение и тем лучше радиомикрофон; хороший радиомикрофон значительно превосходит динамический диапазон 100 дБ. Существуют также радиомикрофонные системы, включающие более одной компрессионной системы, и пользователь может выбрать тот, который лучше всего подходит для конкретной ситуации. Лучшая производительность не сломается. . Это чаевые для тех, кто часто использует эти системы: регулировка уровня звука важна как для легкого, так и быстрого доступа, поскольку во время записи часто приходится менять эту настройку, и, если вы ее находите, вы смущены в бесконечности меню и подменю, он становится длинным и трудным, и тем временем звук плохо записывается.

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:

• 1. 8000 Гц. Данная частота характерна для телефонных разговоров и записи речи на простой по набору функций диктофон. Используется на звуке, преобразовываемом через кодек Nellymoser.
• 2. 22050 Гц применяется в радиовещании.
• 3. 44100Гц. Как уже упоминалось выше, данная частота характерна для Audio CD, и этот показатель долгое время отождествлялся с наиболее высоким уровнем качества. И сегодня формат не утрачивает своих позиций.
• 4. 48000 Гц. Это форматы DAT и DVD, пришедшие на смену AUDIO.
• 5. 96000 – DVD-аудио MLP-5,1.
• 6. 2822 400 ГЦ – высокотехнологичный формат SACD Super Audio.

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:

• обеспечить высокую интенсивность передачи цифровых потоков. А это возможно далеко не на каждом интерфейсе. И чем больше каналов задействовано в записи (а это характерно для музыкальных ансамблей), тем процесс сложнее;
• иметь на вооружении процессор, способный производить мощные вычислительные операции. Но даже в самых современных образцах возможности для получения звука сверхвысокого качества ограничены;
• использовать для записи компьютерную технику, обладающую большим объёмом оперативной памяти.

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.

Смертельный уровень звука

Хочу немного упомянуть про смертельный уровень звука для человека. Он берет свое начало от 180 дБ

и выше.

Стоит сразу сказать, что по нормативным нормам, безопасным уровнем громкости шума считается не более 55 дБ (децибел) днем и 40 дБ ночью. Даже при длительном воздействии на слух, этот уровень не нанесет вреда.

Модель Sennheiser MK 8

Немецкий производитель Sennheiser, скорее, известен традиционным акустическим оборудованием, а также наушниками для профессионального и любительского использования. Но и удачные микрофоны нередко появляются в семействах данной марки. В частности, хороший микрофон в исполнении MK 8 можно использовать и в домашних условиях, и в студийной записи. Это конденсаторная модель с двойной диафрагмой, характеризующаяся точной и мягкой трансляцией звучания. Для максимального раскрытия вокальных данных разработчики предусмотрели возможность использования круговой, расширенной, суперкардиоидной и стандартной кардиоидной конфигураций направленности.

Примечательна и другая особенность модели. Дело в том, что пользователь MK 8 получает возможность адаптации микшера любого типа к аудиотракту через трехступенчатый аттенюатор. Вообще, набор аксессуаров в комплекте с данной моделью сделал устройство практически универсальным, во всяком случае, это касается каналов подключения модели к сторонней аппаратуре помимо микшера. Отдельного внимания также заслуживают и высококачественные системы фильтрации, которые при необходимости могут устранить и упомянутый эффект приближения к источнику звучания, и воздействие структурного шума. В целом же можно констатировать, что это технологичный, функциональный и просто качественный микрофон. Цена модели, правда, тоже немаленькая и составляет порядка 50 тыс.

Виды микрофонов

Наиболее востребованными видами микрофона являются динамический и конденсаторный. Преимущество первого вида заключается в том, что ему не требуется внешний источник питания, помимо того, его устройство довольно простое. Принцип работы основывается на колебаниях мембраны, которые затем передаются проходящему через магнитное поле токопроводу.

Динамический вид микрофона часто применяется для концертов, живых выступлений. Используется он и в звукозаписывающих студиях. Также существуют модели таких микрофонов, которые специально разработаны для специальных инструментов — к примеру, для различных барабанов.

Действие конденсаторного микрофона основано на изменении емкости конденсата, располагающегося между обкладками, на которые воздействует звук. Для этого типа устройства требуется внешний источник питания. Такие микрофоны лучше всего подходят для студийной работы (для звукозаписи), поскольку они передают звук наиболее качественно и чисто.

Однако они весьма чувствительны к внешним условиям — влажности, температуре окружающей среды, расстояния до источника звука, а также к посторонним звукам. Из-за этой особенности исключается их применение в «полевых» условиях . Впрочем, существуют модели такого типа, которые возможно использовать при живых выступлениях,к примеру, хоровом пении. Конденсаторные микрофоны нужно устанавливать на специальные держатели.