Какая частота дискретизации звука лучше:
как выбрать нужные ГЦ?

На что влияет амплитудно-частотная характеристика?

Частота определяет тональность, тогда как за громкость отвечает амплитуда волны, которая исчисляется в децибелах (дБ). В действительности у всех звуков бесконечно широкий частотный спектр. Это происходит даже в тех случаях, когда они создаются генератором звуковых частот. Дополнительные значения выше и ниже по спектру возникают при воспроизведении.

Взаимосвязь амплитуды и частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Обычно ее изображают в виде графика.

Пример графика амплитудно-частотной характеристики

На графике видно, что звуки сохраняются даже за границами слышимого диапазона (обозначен красным). То есть мы можем просто не воспринимать звук, но по факту он еще звучит. Амплитуда — относительная характеристика, полного затухания не происходит. Колебания волн можно выявить лабораторным оборудованием.

Когда говорят об АЧХ, подразумевают диапазон, в котором звук более выражен. Например для большого барабана это 100-250 Гц, для скрипки — 180-3500 Гц, баритона — 110-392 Гц, сопрано — 262-1046 Гц. Их звучание можно подчеркнуть правильной настройкой эквалайзера.

Большое значение имеет АЧХ звуковой карты (аудиоинтерфейса), микрофона, колонок (мониторов), наушников и других устройств, которые сами по себе не генерируют звук. Они должны охватывать весь полезный спектр. В противном случае часть звуков не будет записываться (воспроизводиться).

График АЧХ звукозаписывающего и звуковоспроизводящего оборудования должен быть относительно ровным (идеальная линия возможна не всегда). Иначе сами устройства будут добавлять искажения. Чтобы улучшить АЧХ, рабочий диапазон расширяют, например от 10 Гц до 40 кГц (подобные значения можно увидеть в характеристиках устройств). Благодаря этому в слышимом спектре график — более ровный, а звучание — более качественное.

Теорема Котельникова: зачем ее знать при работе со звуком?

Принцип, по которому звуковые колебания можно представить в цифровом виде, был предложен В.А. Котельниковым. В основе этого принципа лежит математическая модель. В зарубежных источниках используются названия «теорема отсчетов» и «теорема Найквиста-Шеннона».

По Котельникову, частота дискретизации должна минимум в 2 раза превышать наивысшую частоту полезного сигнала. В противном случае будет происходить потеря информации и наложение звуков. На слух это воспринимается как различного рода искажения (артефакты).

Как уже говорилось, все звуки фактически имеют бесконечный спектр. К тому же при расчетах неизбежно происходит округление значений. Поэтому при текущем уровне технологий идеальная оцифровка звука невозможна. Чтобы компенсировать потерю и искажение данных, частота дискретизации должна иметь некоторый запас. Например, по стандарту, для звуковых компакт-дисков (Audio CD) параметр составляет 44100 Гц. Максимальная частота для восприятия человеческим ухом — 20000 Гц. 44100 : 2 — 20000 = 2050 Гц (запас значений).

Какую частоту дискретизации используют в музыке?

Вопрос, какая частота дискретизация считается стандартной для музыки, не имеет однозначного ответа. Нижняя граница устанавливается в 44100 Гц, что соответствует CD-качеству. При этом большинство не заметит искажений.

Некоторые потоковые сервисы переходят на 48000 Гц. Это стандарт для DVD и DAT (профессиональный формат цифровой записи на магнитную ленту, сейчас используется редко). Однако даже на качественной аппаратуре не все пользователи смогут услышать разницу.

В профессиональной среде могут использоваться сэмплрейты 96000 и 192000 Гц. С такими параметрами сохраняются оригинальные студийные записи. В дальнейшем они конвертируются под требования конкретных носителей и форматов. Эти же значения поддерживаются DVD-аудио и Blu-ray.

Почему высокие частоты дискретизации — это плохо?

Определяясь с тем, какую частоту дискретизации выбрать для музыки, стоит учитывать возможности оборудования (своего и потенциального слушателя), требования носителя и платформы, а также цели, для которых создается трек. Сэмплрейт от 96 КГц и выше оправдан для записи сложных инструментальных и вокальных компазиций (оперы или симфонии) в DAW-программах. Однако после параметр все равно будет снижен до 48 или 44,1 КГц.

Помните, что:

• Сэмплрейт влияет на размер файла.
• Обработка данных требует вычислительных мощностей. Чем выше сэмплрейт, тем сильнее нагружается компьютер или смартфон. Воспроизведение файлов с 44,1 и 48 КГц не вызывает проблем. При более высоком параметре устройство может зависнуть.
• Сэмплрейт должен поддерживаться аудиочипом. 44,1 КГц предусматриваются всегда. Некоторые устройства из нижнего ценового сегмента также могут обрабатывать 48 КГц. Если значение не поддерживается, параллельно с воспроизведением аудиоданные кодируются с оптимальными (для конкретного устройства) характеристиками, что сильнее нагружает систему и может приводить к ошибкам.
• Конвертация не повышает качество. Если взять файл с 44,1 КГц и преобразовать его в аудиозапись с 96 КГц, звучание не меняется.
• Многие слушатели используют дешевое оборудование, которое их полностью устраивает. Гарнитура смартфона не всегда способна продемонстрировать разницу между низким и высоким битрейтом и ошибки в мастеринге. Даже люди с идеальным слухом на качественном оборудовании иногда не могут оценить преимущества сэмплрейта больше 48 КГц.

Итоги

Мы рассказали, что такое сэмплрейт и на что он влияет. Теперь вы знаете, какая лучше частота дискретизации звука для наушников смартфона и насколько целесообразны высокие характеристики.

Наиболее распространенными значениями являются 44100 и 48000 Гц. Они поддерживаются популярными кодеками и современными аудиочипами в компьютерах и гаджетах. Более высокие параметры (от 96 КГц) используются в крупных студиях, например при записи симфонической музыки. Однако в дальнейшем сэмплрейт все равно снижается при производстве CD и подготовке аудиофайлов для потоковых сервисов.