Вся правда о Hi-Res: что скрывают аудиоформаты высокого разрешения
Одно из самых интересных событий, которые произошли в мире аудио за последние годы — небывалый рост популярности форматов высокого разрешения (Hi-Res). Среди причин появления в своё время новых форматов — неудовлетворённость качеством звучания CD, ведь на заре эпохи компакт-дисков все звукозаписывающие лейблы спешили переиздать свой аналоговый каталог на цифровом носителе, мало заботясь о качестве: хотя бы плюс-минус привлекательное и лишённое всевозможных щелчков и прочих шероховатостей звучание уже казалось победой.
Таким образом, производители аппаратуры и звукозаписывающие лейблы начали выполнять свои обещания о высочайшем качестве звучания CD далеко не сразу. В результате, в умах многих аудиофилов формату был нанесен непоправимый ущерб, а CD превратились в этакого цифрового «злодея». Впрочем, забегая вперёд, стоит отметить, что компакт-диски способны звучать совершенно замечательно — при условии высочайшего качества исходной записи, а также при должном внимании к мастерингу и продюсированию. Но обо всём по порядку.
В последнее время мы стали свидетелями возвращения к винилу, а также отмечаем рост интереса к цифровым файлам высокого разрешения. Но не подстерегает ли нас опасность угодить в ловушку 1970-х, когда всё внимание было приковано только к техническим характеристикам? Чтобы ответить на этот вопрос, порассуждаем о том, как и что именно мы слышим, а также о реалиях хайрез-записи.
Для начала, затронем техническую сторону вопроса. Формат CD с 16-битным квантованием и частотой дискретизации 44,1 кГц позволяет записать аудио в диапазоне частот от 0 Гц примерно до 22 кГц (то есть, чуть шире возможностей человеческого слуха) и динамическим диапазоном порядка 95 дБ, чего вполне достаточно для подавляющего большинства музыкальных инструментов. При этом формат 24 бит 48 кГц расширяет динамический диапазон до 150 дБ, а верхнюю частоту — до 24 кГц. Более того, многие аудиофилы предпочитают 24 бит 96 кГц, с верхней частотой до 48 кГц, а также 24 бит 192 кГц, с верхней планкой в районе 96 кГц. Столь высокие звуковые частоты оказываются далеко за пределами возможностей человеческого слуха, так что здесь напрашивается простой и резонный вопрос: для чего же собственно всё это нужно?
Некоторые сторонники Hi-Res скажут, что хоть ничего и не слышат на этих частотах, но всё же могут «почувствовать» разницу, зачастую преподнося это как более высокую «воздушность» звучания. При этом любопытно, каким именно органом чувств они ощущают эту воздушность? В общем-то, мы и вправду можем «почувствовать» очень низкие частоты — при условии, что они воздействуют с высокой амплитудой и с относительно близкого расстояния. Ну а что же касается поклонников Hi-Res, скорее всего, они воспринимают звучание более плавным и слитным из-за высокой частоты дискретизации. К тому же, АЦП и другие компоненты, используемые во время записи в 192 кГц, скорее всего, будут высокого качества, что само по себе повлияет на впечатления от прослушивания.
Для того, чтобы проверить на практике преимущества Hi-Res, все желающие могут провести любопытный тест — послушать в случайном порядке несколько записей с разной частотой дискретизации на хорошем цифровом аудиоплеере. Заклейте чем-нибудь подручным дисплей проигрывателя, чтобы не иметь представления о том, с каким именно разрешением в данный момент воспроизводится файл. Вооружитесь ручкой и блокнотом (ну или приложением «заметки» в смартфоне), прослушайте все записи и отметьте, что именно вы слышите и какой трек звучит лучше. Если у вас получается точно определить более высокие частоты дискретизации, можно с уверенностью заявить, что вы обладаете необыкновенным слухом.
Большинство людей старше среднего возраста способны услышать тон на частоте максимум до 15 кГц. К возрасту 60 лет эта частота может снизиться примерно до 12-13 кГц для среднестатистического мужчины (и, возможно, будет немного выше для женщин). Таким образом, звуковой сигнал с частотой 96 кГц мало что значит для восприятия звука. Однако вполне вероятно, что многие слушатели почувствуют дополнительную плавность и слитность на средних частотах, которой может похвастаться Hi-Res. Впрочем, на качество звучания записей влияет и множество других факторов, некоторые из них играют очень важную роль.
К примеру, можно задаться вопросом, с помощью какого оборудования осуществляется запись. Ведь, по иронии судьбы, многие профессиональные конденсаторные микрофоны от Sennheiser, Beyerdynamic, AKG, Neumann, Shure, Rode и Audio Technica обладают частотными характеристиками, которые стремительно снижаются сразу после 20 кГц. Более того, у некоторых популярных микрофонов заметный спад начинается уже после 18 кГц: таким образом, они вряд ли будут улавливать что-либо на частоте 48 или 96 кГц, и в большинстве случаев это как раз хорошо, ибо не очень-то и хочется вводить высокочастотный шум в цепь микширования.
Итак, для того, чтобы записать аудио с действительно «высоким разрешением», в первую очередь, потребуются специальные микрофоны, способные улавливать очень высокие частоты, не внося при этом слишком много собственного шума. Далее нам необходимы микрофонные предусилители и микшеры с расширенной частотной характеристикой и сверхнизким уровнем шума, а также высококлассный аналого-цифровой преобразователь. Предположим, что у нас есть микрофоны с равномерной частотной характеристикой от 20 Гц до 96 кГц и сверхнизким уровнем шума, подключенные специальными аудио кабелями к сверхмалошумящему предусилителю. Далее мы отправим этот сигнал в секцию микширования и высококлассный аналого-цифровой преобразователь, который передаёт аудиосигнал высокого разрешения в цифровой рекордер или компьютер с аналогичными улучшенными характеристиками.
И в общем-то, да, всё это действительно осуществимо. Более того, записав таким образом соло скрипки в 24 бит 96 кГц, можно заметить, что на самых высоких нотах некоторые гармоники достигают частоты приблизительно 28 кГц. Подобные гармоники может давать и флейта сопрано, но вот способны ли мы их услышать — это уже другой, не менее интересный вопрос. В конечном итоге, практически весь значимый для нашего слуха звуковой сигнал в записях соло скрипки вполне может содержаться на 16-битном CD с частотой дискретизации 44,1 кГц.
Вдвойне удивительно, что даже полноценный оркестр, с его широчайшим динамическим диапазоном, вполне можно записать в 16 битах, при условии изначально правильной настройки уровней (не прибегая к компрессии). Безусловно, не стоит забывать, что вполне возможно сгенерировать электронные звуки, которые выходят за пределы частотного диапазона человеческого слуха и динамического диапазона в 100 дБ. Но всё это остаётся, как правило, на уровне теории.
В заключение стоит отметить, что благодаря более высокой плавности и слитности звучания в среднечастотном диапазоне, Hi-Res записи однозначно достойны внимания слушателей, но только при условии, что аудиосистема позволяет воспроизвести все эти нюансы.
Любопытно, что у многих аудиофилов есть любимые записи классической музыки, сделанные в конце 50-х и начале 60-х годов. Ведь музыка — это не только технические характеристики, а определяющим фактором зачастую является исполнение и профессионализм звукорежиссёра, что позволяет сделать хорошую запись даже с минимальным набором микрофонов. А послушав некоторые джазовые записи, сделанные в начале 60-х годов, нельзя не отметить, что они звучат очень живо и музыкально: может быть, не так уж и важно, что они не в Hi-Res.
Источник
Аудиофилькина грамота: несколько слов в защиту HI-RES
Среди людей с критическим взглядом на окружающий мир укоренился стереотип о том, что аудиоформаты высокого разрешения(с частотой дискретизации более 44,1 Гц и квантованием более 16 бит) в бытовой звуковоспроизводящей аппаратуре — это лишь маркетологическая уловка, которая создана для тех, кто не знает о порогах восприятия. Мол, там улучшения за пределами порогов человеческого восприятия.
Я долго склонялся к похожему мнению, пока не стал периодически отмечать то, что некоторые из хайрез записей мне субъективно (по необъяснимой причине) нравятся больше. Не могу сказать, что я с лёгкостью пройду слепой тест и с высокой точностью определить, где хайрез, а где mp3 с битрейтом 320 кбит/с. Но вслушиваясь в записи в формате AIFF с частотой дискретизации 192 кГц и разрядностью 32 бита, мне показалось, что я замечаю едва различимые улучшения в динамическом диапазоне и при воспроизведении низких.
Не очень доверяю своим ушам. Я засомневался в собственных выводах и решил раскопать что-нибудь по поводу теоретической возможности услышать эти различия.
К своему удивлению обнаружил не росказни маркетологов, а вполне себе авторитетные оценки специалистов AES (Audio Engineering society). Однозначный ответ мои поиски не дали, но я стал менее категорично относится к хайрезу.
Опираясь на личный опыт, я не раз писал, что Hi-res нужен только людям, которым недостаточно слушать, но нужно знать о том, что качество звука безупречное. Проанализировав выводы аудиоинженеров и специалистов по психоакустике, я понял, что теоретическая возможность услышать разницу все же есть.
Частота и другие параметры «разрешения»
Основным вопросом, который стоит перед исследователями в последние пару десятилетий: имеет ли смысл увеличивать частоту дискретизации записей и воспроизводящей аудиоаппаратуры? Вопрос ставился в связи с тем, что физиологический порог слышимости ограничен диапазоном от 16 Гц до 21 кГц.
По мнению одного из пионеров отечественной психоакустики, профессора петербургского университета, доктора технических наук, члена Координационного Совета по акустике РАН, председателя Санкт-Петербургского отдела AES Ирины Алдошиной, однозначного ответа на вопрос пока никто не дал.
Дело в том, что, несмотря на отсутствие доказательных результатов слепых тестов, где бы испытуемый однозначно определял хайрез, существует масса теоретических предпосылок считать, что высокое «разрешение» может влиять на субъективное восприятие.
Так профессор монреальского университета Макгилла В.Войчик писал о том, что одним из способов повышения реалистичности музыкального сигнала и создания эффекта ”присутствия”, повышения “прозрачности” является увеличение частоты дискретизации выше 44,1 кГц. Соответственно и расширения верхнего диапазона воспроизводимых частот за пределы 20 кГц. (прочитав это, я усомнился в его экспертном статусе, а зря)
Он также отмечал, что для создания реалистичного сигнала кроме частоты дискретизации необходимо увеличить ”разрешающую способность воспроизводящих и (!)записывающих(!) систем во временной, пространственной и динамической областях. Такой вывод канадский профессор сделал на основании ежегодных докладов AES, а также опираясь на знания о сложности физиологии слуха и нейрофизиологии аудиального восприятия.
АЦП: интервал семплирования, фильтры и “прозрачность”
Известно, что для превращения аналогового звукового сигнала в цифровой необходимо провести дискретизацию, квантование и кодирование. Эти процессы происходят при цифровой записи или при оцифровке аналогового материала. Для этого используется АЦП. Процесс такого преобразования проходит в соответствии с теоремой Котельникова-Шеннона-Найквиста.
В соответствии с этой же теоремой, точное восстановление исходного сигнала при обратном преобразовании возможно только когда частота дискретизации выше удвоенной максимальной частоты в спектре исходного сигнала.
Таким образом, казалось бы, что частоты дискретизации 44,1 кГц (СD DA формат) по идее должно хватать для точной передачи всего слышимого спектра т.е. fd > 2fв. Но не всё так просто, проблема таится в интервалах семплирования.
Эксперты AES пишут о том, что в момент семплирования сигнал должен быть постоянным и пропускаться через низкочастотный т.н. антиалайзинговый фильтр, который обрезает сигнал на частоте fd/2, чтобы предотвратить вероятное появление артефактов. Такие фильтры стоят во всех АЦП. Этот фильтр служит причиной дисперсии импульсных характеристик исходного сигнала, что происходит из-за неравномерности АЧ и AФ характеристик и фазовой нелинейности в полосе пропускания.
Результатом этого побочного действия фильтра становится временная дисперсия сигнала и присутствие в каждом семпле элементов информации от предыдущих. В связи с динамичностью и сложностью музыкального сигнала, эта дисперсия может оказать некоторое влияние на субъективное восприятие. Хотя специалисты отмечают, что для этого нужно быть очень внимательным и опытным слушателем с выдающимися “золотыми” ушами.
При преобразовании с частотой 44,1 используется интервал сэмплирования 22,7 мкс. Войчик, Алдошина и другие специалисты AES обращают внимание на проблемы временных характеристик формата. Динамические возможности трубы при исполнении форте позволяют достигать пиков 120-130 дБ в течение 10 мкс, цимбалы позволяют получить мгновенный подъём до 136 дБ за 7 мкс.
Соответственно, временные интервалы семплирования, которые используются при записи CD, очень далеки от динамических возможностей инструментов. У современных хайрез форматов эти интервалы короче (от 1 до 0,16 мкс) и поэтому на уровне динамики они способны точнее и реалистичнее передавать звук.
Также в качестве важной характеристики реалистичности (“натуральности”) звука при воспроизведении эксперты AES считают т.н. «прозрачность». Это субъективная тембральная особенность звучания присуща звуку, который по мнению многих специалистов ближе к естественному. Исследователи отмечают, что эта особенность также напрямую зависит от временных параметров записи, т.е. от интервала семплирования.
Ультразвук: нужен или нет?
Ученые и энтузиасты при проведении записей “живых” инструментов с использованием прецизионной аппаратуры начиная с 70-х годов стали отмечать присутствие в спектре этих инструментов ультразвуковых волн.
В качестве примера можно привести спектр трубы, где волны регистрируются составляющие с частотой 40 кГц и уровнем до 60 дБ, у скрипки и альта присутствуют ультразвуковые составляющие до 100 кГц, с уровнем до 85-90 дБ.
Несмотря на то, что человеческий слух не способен воспринимать волны с частотой выше 20 кГц (в редких случаях 22кГц — как правило, у детей), присутствие выраженных высокочастотных составляющих изменяет временную структуру сигнала.
Флетчер, Кузнецов и другие авторы, исследовавшие звуки живых инструментов, отмечали, что подобное временное влияние способно существенно отразиться на субъективном восприятии звука, несмотря на то, что сама частота не воспринимается на слух.
Такие сведения в теории отвечают на вопрос о целесообразности повышения частоты дискретизации. По крайней мере при записи воспроизведении живых акустических инструментов.
Сухой остаток
Несмотря на то, что слепые тесты пока не подтверждают существенных отличий восприятии обычных и хайрез-форматов, на теоретическом уровне они обладают более высокой верностью воспроизведения. Более того, интервалы семплирования, снижение уровня временной дисперсии, а также возможность воспроизведения ультразвуковых составляющих сигнала позволяют говорить о том, что разница между классическим CD DA и форматами высокого «разрешения» может быть заметна и существенна для субъективного восприятия.
Джинса
В нашем каталоге представлены мультирум системы, медиаплееры и другая аппаратура способная воспроизводить музыку в форматах высокого разрешения.
Источник