Написать эту статью я решил после общения на некоторых форумах меломанов, где разговоры о килогерцах и децибелах зачастую приобретают угрожающий характер. Аудиофилия в крайних своих проявлениях основана на слепом чувстве веры, отрицании законов физики, эгоцентризме и глубоком невежестве. Для тех же, кому не чужд здравый смысл, кто не теряет интереса к окружающей действительности, и как говорили раньше, стремится к просвещению, предназначена эта статья.
Отношения с винилом не сложились у меня с самого начала, о чём я всегда сожалел. В те далёкие 70-е годы, на которые пришёлся самый расцвет музыки и пластиночной индустрии в мире, фирменные диски не доходили до прилавков наших магазинов по идеологическим соображениям и на чёрном рынке стоили очень дорого. Денег не было, но был интерес к музыке, поэтому приходилось ограничиваться перезаписью у знакомых в лучшем случае первой копии диска с катушки на катушку. Звук виниловых пластинок был потрясающим, и не шёл ни в какое сравнение с магнитофонными записями. Когда пластинки стали доступны, уже появились новые цифровые форматы CD Audio, а чуть позже MiniDisc, поэтому мой интерес был направлен в их сторону.
Примерно на рубеже веков возникла гигантская индустрия Hi-End, или высший предел качества. Её концепция основана на субъективном восприятии звука, не поддающемся сравнению. В специализированных изданиях непонятно откуда взявшиеся эксперты описывали свои впечатления от прослушивания дорогого аппарата примерно так: "Бриллиантовые и чуть задумчивые верха бесстрастно парили над умеренно отзывчивой серединой на фоне бесцеремонно бьющих по подсознанию басов". Людям внушалась мысль о том, что они слышат "дробление" звука на компакт-дисках с высокой частотой и это плохо сказывается на его качестве. Результатом этой пропаганды стал повышенный спрос на аппаратуру аналогового звука под общим лозунгом «Возрождение винила». Оказалось, что вертушку надо ставить в песок, неделю прогревать усилитель, не сомневаться в преимуществах пассикового привода и увлажнять пластинки перед проигрыванием. Считается, что если оцифровать пластинку с повышенным качеством 24 бита 192 кГц, то можно сохранить её "живую аналоговость" и "теплоту" звучания. Так ли это? Чтобы не пасть жертвой маркетинга или маньяка-аудиофила, нужно иметь хотя бы общее представление о принципах работы современной техники, и для начала спуститься с небес на землю.
Формат виниловой пластинки в нынешнем её виде появился в конце 50-х годов прошлого века. Сначала записывается мастер-диск, представляющий из себя твёрдую алюминиевую основу с нанесённым на ней тонким слоем лака нитроцеллюлозы, в котором при помощи нагретого до 300°C сапфирового резца формируется звуковая дорожка. Далее через промежуточные этапы методом прессования под высоким давлением и при высокой температуре осуществляется печать пластинок. В силу несовершенства устройств механической записи и воспроизведения решено было пойти на компромисс. Звук на мастер-диск записывается с предыскажениями: при записи низкие частоты ослабляются, а высокие поднимаются. При воспроизведении отпечатанной пластинки АЧХ имеет зеркально отражённый вид, что в итоге даёт теоретически линейную характеристику всей полосы звука. Такой метод получил стандарт под названием кривой RIAA (Recording Industry Association of America, - Американская ассоциация звукозаписывающих компаний). Благодаря ему, а также применению новых полимерных материалов качество механической записи звука заметно выросло по сравнению со старыми хрупкими щеллачными пластинками на 78 об/мин. В 1964 году Международная электротехническая комиссия IEC предложила использовать фильтр, подавляющий частоты ниже 30 Гц для уменьшения "бубнения" звука, т.к. аппаратура того времени плохо справлялась с низкими частотами. В конце 70-х годов фирма Teldec запатентовала технологию DMM (Direct Metal Mastering), в которой звуковые дорожки на мастер-диске нарезались в тонком слое аморфной меди поверх гладкого стального основания. Точность записанного таким образом сигнала повысилась ещё больше, максимально приблизившись к студийному качеству звука. Общее развитие технологий со временем довело звучание винила практически до совершенства, и для расширения полосы частот от фильтра IEC решили отказаться.
Давайте посмотрим на характеристики эталонного станка для записи мастер-диска. Полоса частот от 5 до 25 000 Гц, коэффициент гармоник на пиках сигнала 1,5%, минимальное разделение каналов 35 дБ, уровень рокот-эффекта (паразитных низкочастотных вибраций) -40 дБ, уровень шумов -60 дБ, коэффициент детонации 0,0025%.
А теперь возьмём линейку и немного посчитаем. Диаметр винилового диска составляет 300 мм, расстояние от центра диска до внешней дорожки 146 мм, от центра до внутренней дорожки (может быть разным, я взял самое крайнее к центру условное значение) 60 мм. Звукосниматель перемещается по спиральной дорожке от края диска к центру, и диаметр дорожки при этом плавно уменьшается с 292 до 120 мм. Если перевести диаметр окружности в её длину по формуле L=πD, то мы получим 917 мм снаружи и 377 мм внутри. При постоянной угловой скорости 33 и 1/3 об/мин также плавно уменьшается и линейная скорость движения звукоснимателя относительно диска. 33,(3)/60=0,(5) об/сек, умножаем на 917 мм и 377 мм, и получаем 509 мм/сек на внешней дорожке и 209 мм/сек на внутренней.
Зачем нам всё это нужно знать? Звуковая дорожка винилового диска представляет из себя микроскопическую канавку, V-образная форма которой промодулирована звуковой волной. На каждой из стенок канавки "отпечатаны" сигналы левого и правого каналов, причём поперечные её смещения параллельно плоскости диска дают сумму амплитуд обоих каналов, что обеспечивает совместимость с моно-записями, а вертикальное смещение вверх-вниз даёт их разность. Чтобы игла звукоснимателя смогла отследить поперечные смещения канавки относительно её центра с частотой 20 кГц, радиус этого смещения должен быть не меньше радиуса иглы, который равен примерно 15 мкм (0,015 мм). Чтобы обеспечить такую плотность механической записи, линейная скорость движения диска относительно иглы должна быть достаточно высокой. Наружную скорость 509 мм/сек делим на 20 000 (количество механических колебаний в секунду, за которую игла проходит по дорожке 509 мм), получаем радиус одного смещения 0,025 мм на частоте 20 кГц, что превышает радиус иглы. Но поскольку частота колебаний резца во время записи ограничена полосой в 25 кГц, минимальный радиус смещения канавки на этой частоте в начале диска составит 0,02 мм, поэтому игла 15 мкм вполне способна её воспроизвести, и здесь аудиофилы правы. Но дело тут не в самой ультразвуковой частоте, которая может и отсутствовать в записи, а в способности передавать обертоны малой амплитуды.
Если теперь разделить внутреннюю скорость 209 мм/сек на 20 000, то мы получим радиус смещения микроканавки 0,01 мм, что меньше радиуса иглы и приближается по размерам к структуре зерна виниловой основы. Игла не в состоянии отследить такие мелкие колебания, которые по мере приближения к центру диска уменьшаются в размерах. Это приведёт к завалу в области высоких частот: внутреннюю скорость 209 мм/сек делим на радиус иглы 0,015 мм, получаем частоту 14 кГц. Производители виниловых пластинок знают об этом, и когда-то старались размещать наиболее "звонкие" треки ближе к внешней стороне диска, либо ограничивали их число зоной повышенного качества. Но с появлением концепции "альбомного мышления", порядок следования треков в которой неизменен, эта идея была забыта. То есть верхняя полоса частот звука плавно снижается с 25 кГц в начале диска до 14 кГц в конце.
Из за разницы формы резца для записи диска игла не совсем точно следует всем изгибам канавки, и считывает искажённую форму сигнала. В узких местах игла приподнимается вверх, а в широких опускается вниз, из-за чего возникает так называемый пинч-эффект, который является следствием удвоения частоты боковых отклонений и приводит к наложению на исходный сигнал второй гармоники. Иглы звукоснимателей выполнены из алмаза и бывают как с простой сферической, так и с эллиптической формой заточки. Большая часть эллипса в иглах второго типа ориентирована поперёк звуковой дорожки и имеет с ней увеличенную площадь контакта, за счёт чего обеспечиваются лучшие частотные и фазовые характеристики. Их применяют в проигрывателях высокого класса. При записи диска резец станка движется строго по радиусу от края к центру. Игла звукоснимателя движется по дуге, из за чего возникает угловая погрешность, вызывающая дополнительные гармонические искажения до 0,5%. Ценители аналогового звука винила должны знать, что форма искажений их любимой непрерывной звуковой волны в десятки и даже в сотни раз превышает искажения звука на компакт-дисках, имеющих исходную дискретную форму сигнала. Механизм тонарма имеет достаточно сложную конструкцию, балансирующую его во всех плоскостях. Он позволяет регулировать усилие давления иглы на диск, а также механизм антискейтинга, устраняющий неравномерность прижимной силы, направленной в сторону центра диска и вызывающей искажения звука. Весь проигрыватель подвешен на демпфирующих пружинах, которые гасят внешние механические вибрации. На самых лучших моделях стоят тихоходные шаговые двигатели с прямым приводом и кварцевой стабилизацией частоты вращения, массивные диски, гасящие неравномерность движения, и имеют коэффициент детонации (неравномерность вращения диска, вызывающую "плавание" звука) порядка 0,08-0,1%. Всё это делает процесс прослушивания музыки достаточно утомительным занятием.
У компакт-диска считывание информации происходит от центра к краю с постоянной линейной скоростью за счёт плавного изменения частоты вращения диска от 400 до 200 об/мин. Это обеспечивает постоянный цифровой поток, не зависящий от места положения считывающей головки, что гарантирует одинаковое качество звука в любом месте диска. Любопытно, что CD в этом смысле обходит винил ещё и потому, что его линейная скорость чтения данных так же постоянна, как и студийных мастер-фонограмм. Со считывающего лазера сигнал в виде прямоугольных импульсов попадает в буфер оперативной памяти, после которого подаётся на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с частотой синхронизации 44,1 кГц, задаваемой высокоточным кварцевым генератором. Тем самым исправляются неточности частоты вращения диска, а коэффициент детонации, в отличии от виниловых пластинок, находится ниже предела измерений. Алгоритм восстановления ошибок, в основе которого лежит код Рида-Соломона (Reed-Solomon codes), при помощи перестановки блоков данных защищает звук от искажений при появлении на диске небольших царапин. Такие же царапины на виниловой пластинке неизбежно приводят к появлению щелчков, которые невозможно устранить. Кроме того, статический заряд, накапливающийся на поверхности винила, притягивает микрочастицы пыли, содержащиеся в воздухе, что является причиной потрескивания звука. Игла со временем изнашивает звуковые дорожки, срок службы которых ограничен.
В цифровом звуке применяется двоичная система кодирования, измеряемая в битах. Bit, - это сочетание словbinary digit, т.е. двоичное число, минимальная единица измерения количества информации. В ней используется всего два символа: 0 и 1. На аппаратном уровне это будет выглядеть как отсутствие либо наличие электрического импульса. Для оцифровки звука в системе импульсно-кодовой модуляции (PCM - Pulse Code Modulation) нужно измерять его амплитуду через фиксированные промежутки времени, частота следования которых называется частотой сэмплирования. Согласно теореме Найквиста-Шеннона, частота сэмплирования звука должна как минимум вдвое превышать максимальную частоту преобразуемого сигнала, что необходимо для регистрации двух его полуфаз. Например, в формате CD Audio частота сэмплирования равна 44,1 кГц, при том что максимальная частота, которую способен передать этот формат, равна 20 кГц. Запас по частоте (44,1/2-20=2,05 кГц) применяют для фильтрации сигнала во время преобразования. Ведь аналоговый сигнал имеет бесконечную полосу частот, и при резком его обрезании на частоте 20 кГц во время аналого-цифрового преобразования и обратно неизбежно появление гармонических искажений. Плавный спад амплитуды после 20 кГц до нуля на частоте 22,05 кГц обеспечивает минимально допустимый уровень искажений.
Реальный звуковой сигнал динамически меняется во времени по амплитуде и частоте. Результирующая огибающая в виде непрерывной звуковой волны, состоящей из цепочки сэмплов, и есть оцифрованный звук. Выборка амплитуды во времени представляет из себя один сэмпл, что в 16-битном разрешении соответствует пачке из 16 импульсов в виде 0 и 1. Это создаёт цифровой поток со скоростью 16*44100=705600 бит/сек для каждого канала. В формате DVD Audio при разрядности в 24 бита применяют частоты сэмплирования 96 и 192 кГц, которые способны передать звук частотой 48 и 96 кГц соответственно. Человеческое ухо не может услышать эти частоты, но принцип сверхмелкого "дробления" важен при ремастеринге для минимизации искажений типа "ступенька". Форма сигнала после цифро-аналогового преобразования представляет из себя лесенку из мелких прямоугольных ступенек, а прямоугольник, как известно, это источник бесконечных гармонических искажений, неприятных для слуха. Чем мельче прямоугольники относительно амплитуды основного сигнала, тем легче их можно сгладить при помощи фильтра и получить минимальный коэффициент гармоник.
Коэффициент гармоник, - это величина, выражающая степень нелинейных искажений формы конечного сигнала по отношению к исходному. Он измеряется отношением среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники. Как его можно рассчитать на конкретном примере, я покажу ниже.
Для измерения уровня громкости сигнала, или его квантизации по амплитуде, применяется так называемое цифровое слово, которое состоит из определённого количества разрядов. Например, 4-разрядное слово состоит из четырёх последовательных ячеек, в каждую из которых может быть записан 0 или 1. Это будет выглядеть так: 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, и т.д, что в десятичной системе исчисления соответствует ряду чисел: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Количество всех возможных комбинаций 0 и 1 определяет количество уровней измерения. В 4-разрядном слове всего 16 комбинаций, следовательно оно описывает сигнал с 16 уровнями громкости. Для более простого понимания разрядности её можно представить как степень двойки. Например: 22 = 4 уровня измерения амплитуды, 23 = 8 уровней, 24 = 16 уровней, и т.д. То есть умножая двойку, или пару из 0 и 1 на саму себя определённое количество раз, мы получаем разные количества их сочетаний в разных разрядностях. Чем больше разрядов, тем точнее можно измерить сигнал.
Динамический диапазон описывает максимальный разброс амплитуд сигнала и измеряется в децибелах. Децибел, - это логарифмическая величина, показывающая отношение максимального и минимального звукового давления, и приближена к слуховым ощущениям человека. Она рассчитывается по формуле:D=20log(L1/L0), где D - величина в децибелах (дБ), L1 - максимальная амплитуда сигнала, L0 - исходная минимальная амплитуда. Чтобы не искать в интернете онлайн-калькуляторы перевода в децибелы, посмотрим, как это делается на примере 16 уровней громкости 4-битного сигнала. Запускаем калькулятор Windows: Вид / Инженерный, набираем последовательно 16, log, *, 20, =, получится 24 дБ. Для перевода из дБ в разы, или уровни громкости, применяем обратную формулу L=10(D/20), где L - количество уровней амплитуды, D - децибелы. На калькуляторе последовательно набираем: 10, xy, (, 24, /, 20, ), =, и получится 15,8489, округляем до ближайшего целого значения 16.
Для каждого типа носителей, будь то виниловая пластинка, компакт-диск, или DVD Audio, делается свой отдельный мастеринг, учитывающий свойства их динамических диапазонов. Природа звука такова, что энергия низких частот всегда больше, чем высоких, и по амплитуде они могут отличаться в 4 000 раз. Большой динамический диапазон в форматах высокого разрешения просто необходим для точного измерения высоких частот. Но среднестатистический человек на обычной аппаратуре вряд ли услышит разницу между CD Audio 16/44 и DVD Audio 24/192, и здесь будет уместно вспомнить о разумном компромиссе. Но если не слышно разницы, это не значит, что её нет. Просто увеличение качества звука, определяемое на слух, растёт здесь непропорционально увеличению сложности технологического процесса. Это один из главных недостатков многоразрядного кодирования в PCM. Сглаживание ступенчатого сигнала требует применения высококачественных ЦАП, при этом возникают шумы квантования, а также фазовые искажения на высоких частотах, растущие по мере приближения к частоте дискретизации за счёт сопоставимой длины волны. С уменьшением амплитуды сигнала за счёт погрешности измерений растёт коэффициент гармоник, который напрямую зависит от количества разрядов.
Однобитное кодирование в формате Direct Stream Digital (DSD) с дельта-сигма преобразованием свободно от этих недостатков. Её принцип действия напоминает поведение аналогового сигнала. При росте амплитуды синусоиды плавно увеличивается плотность её модуляции импульсами в виде 1 относительно 0, а при падении амплитуды плотность модуляции уменьшается. Смена фазы звукового сигнала меняет 0 и 1 местами. Частота дискретизации составляет 2,8224 МГц, что в 64 раза больше, чем на компакт-дисках. Полученный таким образом однобитный сигнал не нуждается в дополнительном многоразрядном преобразовании, что значительно упрощает аппаратную часть и положительно сказывается на качестве звука. Фильтр низкой частоты выделяет звуковую составляющую, а многоуровневые дельта-сигма преобразователи с цепью обратной связи эффективно подавляют шумы квантования, сдвигая их за пределы слышимого диапазона. Фазовый сдвиг на высоких частотах здесь практически отсутствует, перегрузка сигнала не приводит к его искажениям. При полосе частот вплоть до 100 кГц динамический диапазон достигает 120 дБ. Однобитное кодирование используется в формате Super Audio CD. Дальнейшее увеличение качества звука достигается за счёт увеличения частоты дискретизации. В форматах DSD128, DSD256 и DSD512, которые находят применение в студийных системах звукозаписи, цифры показывают, во сколько раз частота дискретизации увеличена по отношению к базовой частоте 44,1 кГц. И если уж говорить о приближении к аналоговому звуку, то на первом месте здесь будет цифровой формат DSD, а никак не виниловая пластинка.
На этом теоретическая часть заканчивается. Чтобы развеять некоторые укоренившиеся мифы, будем безжалостно измерять характеристики звука. Современные программы и оборудование позволяют это делать с высокой точностью. Для измерения амплитудно-частотных характеристик будем использовать программу Adobe Audition. После выделения мышью всего файла из меню Окно применяем команду Частотный анализ. Я протестировал три звуковых файла разного качества.
Vinyl-Rip 24/192 Mylene Farmer, L'Ame Stram Gram, 1999.
CD-Rip 16/44 James Blunt, Best Laid Plans, 2010.
Lossless 24/96 Paul McCartney, Monkberry Moon Delight, Remastered Deluxe Edition 2012 (DVD Audio).
Vinyl-Rip 24/192 Смотрим на скриншот, нас интересует параметр Minimum RMS Power (Root Mean Square Power) - минимальная среднеквадратичная, или средневзвешенная мощность звукового сигнала, коэффициент гармоник которой лежит ниже заявленного предельного уровня. Minimum RMS Power равен -62 дБ. Смотрим на спектр: в районе 14 кГц мы видим резкий провал амплитуды на уровне -66 дБ, что примерно соответствует Minimum RMS Power. Всё что ниже, - это сильные гармонические искажения, сопоставимые со звуком бензопилы «Дружба». Смотрим в таблицу: динамический диапазон 66 дБ соответствует разрядности 11 бит (примерно между 10 и 12 бит), как и написано в Википедии. В данном случае нас не должен смущать параметр Actual Bit Depth, он показывает разрешающую способность звуковой карты, при помощи которой производилась оцифровка. Вывод: Vinyl-Rip 24/192 это в данном случае звук с качеством 11 бит 14 кГц. Разумеется, качество винила бывает разным, но на цифрах это не сильно отразится.
CD-Rip 16/44 Параметр Minimum RMS Power -81 дБ соответствует частоте 18 кГц. Это предел минимальных искажений, характерных для 16-битного звука, о котором я писал выше. Частота 20 кГц плавно падает на уровне -96 дБ, что полностью соответствует спецификации стандарта CD Audio. Вывод: абсолютно предсказуемый звук 16 бит 20 кГц без обмана и маркетинга.
Lossless 24/96 Параметр Minimum RMS Power -140 дБ, что уже похоже на 24 бита. Но обратите внимание: после 20 кГц на уровне -96 дБ АЧХ без явных признаков жизни плавно опускается вниз, и больше похожа на шум квантования. Это говорит о типичных характеристиках аналоговой мастер-фонограммы, качественно оцифрованной с повышенной разрядностью и частотой дискретизации, что теоретически должно приблизить нас к студийному звуку. Вывод: звук для хорошей аппаратуры 24 бита 20 кГц+.
В истории рок-музыки есть один любопытный технический момент, который связан с группой Битлз. Как наверняка знают многие меломаны, на альбоме Sgt. Pepper's Lonely Hearts Club Band в самом конце песни A Day In The Life есть коротенький кусочек длиной в несколько секунд с частотой 16 кГц. Как утверждают музыкальные критики, Пол Маккартни якобы специально записал его для своей собаки Марты. Как известно, собаки слышат высокие частоты гораздо лучше людей. Это было время великих экспериментов в музыке. Этот фрагмент как будто специально находится в критической для винила зоне с маленькой линейной скоростью, и сам напрашивается на то, чтобы его измерили. Я снял АЧХ этого фрагмента с винил-рипа и с CD-рипа, и совместил их на одном скриншоте. Чтобы графики точно совпадали, рипы были с одинаковой частотой дискретизации 44,1 кГц.
Здесь для наглядности даны АЧХ только правого канала. На картинке видно, что частота 16 кГц на виниле смещена в сторону 15 кГц на уровне -48 дБ, т.е. завал в этой области частот на виниле составляет катастрофические -36 дБ относительно CD, уровень сигнала которого в этом месте -12 дБ. Это очень много, и говорит о пределе качества механических носителей. На спектре винил-рипа так же видны гармоники большой амплитуды с шагом в каждые 2 кГц, которые на спектре CD-рипа если и есть, то распознать и измерить их амплитуду практически невозможно. Для расчёта коэффициента гармоник винил-рипа в программе Adobe Audition выделяем мышью фрагмент звука 16 кГц, и в меню Окно выбираем команду Статистика амплитуды, а затем Частотный анализ.
Смотрим на параметры правого канала. Разница между нулевым звуковым давлением для 16 бит -96 дБ и Minimum RMS Power -43 дБ (что примерно соответствует среднеквадратичной мощности гармоник на частоте 15 кГц), составляет 53 дБ. Переводим её в напряжение по формуле 10(53/20), получаем 447 условных единиц. Максимальная амплитуда первой гармоники на частоте 13 кГц лежит на уровне -78 дБ, что выше уровня нулевого звукового давления на 18 дБ, переводим её в напряжение: 10(18/20), и получаем 8 условных единиц, что составит 1,8% от 447. Это и есть коэффициент гармоник винилового диска на частоте 15 кГц. Максимальный коэффициент гармоник компакт-диска составляет 0,005%, что в 360 раз меньше. Насколько слышна такая разница, сказать трудно, но цифры говорят сами за себя. На графике также хорошо видна разница амплитуд левого и правого каналов примерно в 8 дБ, что тоже очень показательно.
Есть разные издания на LP и CD с разными уровнями громкости. Поэтому я решил не полениться и перепроверить сам себя, проанализировав винил-рип другого издания и с гораздо лучшим качеством 24 бит 192 кГц. На графике видна всё та же частота 15 кГц на том же уровне -48 дБ. Гармоники на частотах 30, 45, 60, 75 и 90 кГц гигантской амплитуды скорее всего говорят о плохом качестве звуковой карты-оцифровщика.
Подведём итог. Если кому-то нравится винил, то против этого трудно что-либо возразить. Его слегка окрашенный звук по своему хорош, лёгкое шуршание иглы проигрывателя навевает ностальгические воспоминания. Винил можно пощупать, оценить качество полиграфии, чего нельзя сказать о звуковых файлах. Но утверждать, что он является вершиной качества звука, - значит как минимум слегка заблудиться во времени. Наверное были когда-то люди, тоскующие по восковым валикам, и уж точно существуют коллекционеры грампластинок на 78 оборотов, хотя к качеству звука это не имеет отношения. Сегодня можно с уверенностью сказать, что все достоинства винила с лихвой перечёркиваются его недостатками. Для меня этот носитель навсегда остался в прошлом. Но главное, - это сама музыка, а на чём она записана, имеет второстепенное значение.
Šaltinis: yumakar.ru
Komentarai
Rašyti komentarą