Jeśli kiedykolwiek zdarzyło Ci się grzebać w ustawieniach programu DAW i stać zdumionym wachlarzem oferowanych częstotliwości próbkowania, nie jesteś sam. Niektóre główne programy DAW (na przykład Logic Pro i Pro Tools) oferują sześć częstotliwości próbkowania do wyboru: 44,1, 48, 88,2, 96, 176,4 i 192.

W przypadku, gdy nie jesteś zaznajomiony, częstotliwość próbkowania jest rozdzielczością, w której dźwięk jest nagrywany i, w przypadku instrumentów wirtualnych, produkowany. Biorąc to pod uwagę, można by pomyśleć, że większe jest lepsze, prawda?

Niekoniecznie.

Podczas gdy większość dyskusji na temat częstotliwości próbkowania koncentruje się na ograniczeniach ludzkiego słuchu, istnieje kilka innych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze częstotliwości próbkowania do nagrywania.

I tu właśnie wkraczamy my. W tym artykule zamierzamy dogłębnie (i mam na myśli dogłębnie) zagłębić się w zera i jedynki cyfrowego dźwięku. Złożone? Miejscami tak. Ale pod koniec tego artykułu poznasz zalety i wady nagrywania z częstotliwością 48 kHz i 96 kHz i będziesz w stanie zdecydować, która z nich jest dla Ciebie najlepsza.

Zrozumienie częstotliwości próbkowania

Wyobraź sobie, że obok Twojego domu przejeżdża samochód. Przejeżdża od lewej do prawej i obok domu sąsiada w jednym ciągłym ruchu. Jest to odpowiednik dźwięku w świecie analogowym - kształt fali jest ciągłym dźwiękiem.

Teraz powiedzmy, że chcesz odtworzyć ten samochód w ruchu. Decydujesz się na stworzenie animacji pojazdu poruszającego się od lewej do prawej. Im więcej obrazów tego samochodu, tym bardziej szczegółowy i płynny będzie ruch.

Tak właśnie działa cyfrowy dźwięk; wykonuje on serię zdjęć (lub próbek) analogowego kształtu fali z superszybkimi prędkościami, aby odtworzyć go w świecie cyfrowym.

Częstotliwość próbkowania odnosi się do częstotliwości wykonywania tych migawek w każdej sekundzie; częstotliwość próbkowania 44,1 kHz oznacza, że w każdej sekundzie pobieranych jest 44 100 próbek przychodzącego kształtu fali. Wyższe częstotliwości próbkowania skutkują większą liczbą przechwytywanych migawek. Ale czy możemy usłyszeć te dodatkowe szczegóły?

Twierdzenie Nyquista

Inteligentny młody człowiek o imieniu Harry Nyquist odkrył, że częstotliwość próbkowania musi być co najmniej dwa razy większa od najwyższej rejestrowanej częstotliwości. Jest to znane jako częstotliwość Nyquista lub granica Nyquista.

Ponieważ ludzie słyszą maksymalną częstotliwość około 20 kHz, minimalna częstotliwość próbkowania 40 kHz jest wymagana do przechwycenia wszystkich słyszalnych częstotliwości.

Próba zarejestrowania częstotliwości powyżej tego limitu prowadzi do aliasingu lub zagięcia. Wyższe częstotliwości są błędnie reprezentowane jako niższe, co prowadzi do zniekształceń lub artefaktów w zrekonstruowanym sygnale.

Każdy nowoczesny przetwornik cyfrowo-analogowy posiada filtry antyaliasingowe usuwające wszelkie artefakty, działając zasadniczo jako filtr dolnoprzepustowy usuwający wszelkie wysokie częstotliwości, które mogą być aliasowane. Nagrywanie z wyższymi częstotliwościami próbkowania pozwala tym filtrom działać bez odcinania słyszalnych częstotliwości.

Mówiąc prościej, twierdzenie Nyquista to zasada "ile wystarczy" dla nagrywania cyfrowego.

Pojawienie się jakości CD Audio

Standard jakości CD 44,1 kHz powstał we wczesnych dniach cyfrowego audio, kiedy dyski twarde nie były w stanie pomieścić materiału o wartości albumu, a rejestratory wideo zostały ponownie wykorzystane do tego zadania.

W oparciu o liczbę klatek na sekundę i użyteczne linie na klatkę, głowice ołówkowe zapisywały 3 próbki audio na klatkę, co dawało częstotliwość próbkowania 44,1 kHz. Była to minimalna możliwa częstotliwość próbkowania, która była zgodna z teorią Nyquista i pozwalała na przechowywanie wzorca na taśmie wideo. Stało się to tym, co obecnie nazywamy jakością dźwięku CD.

Transformacja Fouriera

Częstotliwość próbkowania wpływa nie tylko na sposób przechwytywania sygnału, ale także na sposób "odczytu" cyfrowego dźwięku.

Transformata Fouriera to narzędzie matematyczne służące do analizy złożonego sygnału i dzielenia go na proste przebiegi o różnych częstotliwościach. W ten sposób działają wtyczki, takie jak korektory, spektrogramy i wykrywanie wysokości dźwięku, analizując cały sygnał i dzieląc go na mniejsze pasma.

Wszystko po to, aby powiedzieć, że im więcej informacji zawiera plik audio pod względem migawek na sekundę (wyższe częstotliwości próbkowania), tym dokładniejsze będą obliczenia transformaty Fouriera.

Odpowiedź częstotliwościowa

Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy omawianiu częstotliwości próbkowania, jest sprzęt, na którym nagrywasz i monitorujesz.

Każde urządzenie audio ma pasmo przenoszenia, które można luźno opisać jako:

• Jakie częstotliwości może odtwarzać i
• jak dokładnie to robi.

Jeśli użyjesz kiepskiego mikrofonu Radioshack do nagrania nagrania na kiepskiej gitarze i odtworzysz je na parze kiepskich głośników Radioshack, istnieje duże prawdopodobieństwo, że nie będzie ono brzmiało dobrze. Bez względu na częstotliwość próbkowania.

Take Me Higher

Po przebrnięciu przez wszystkie te naukowe rzeczy, widzimy, że wyższe częstotliwości próbkowania pozwalają nam uchwycić wyższe częstotliwości i analizować je bardziej szczegółowo.

Ale podczas gdy nagrywanie z częstotliwością 96 kHz oznacza, że możemy uchwycić częstotliwości do 48 kHz, z perspektywy ludzkiego słuchu nie ma rzeczywistej słyszalnej różnicy w stosunku do nagrania 44,1 kHz. Nawet dla osób o wyjątkowym słuchu, górne częstotliwości nadal będą poza słyszalnym zakresem.

Dzięki teorii Nyquista wiemy, że częstotliwość 44,1 kHz jest więcej niż wystarczająca do doskonałego odtworzenia dowolnego sygnału w ludzkim zakresie słyszalności.

Dlaczego więc używamy wyższych częstotliwości próbkowania?

48 kHz: Branżowy standard

Jeśli chodzi o filmy, telewizję i transmisje strumieniowe, częstotliwość próbkowania 48 kHz stała się powszechnie akceptowaną częstotliwością próbkowania. Chociaż dostępne są wyższe częstotliwości próbkowania, 48 kHz zapewniło sobie miejsce jako standard w branży medialnej dzięki równowadze między jakością, wydajnością i kompatybilnością.

Dlaczego częstotliwość 48 kHz jest preferowana?

Głównym powodem przyjęcia częstotliwości próbkowania 48 kHz jako standardu w produkcji multimediów była kompatybilność. Częstotliwość próbkowania dobrze współgrała z różnymi systemami wideo opartymi na ramkach, używanymi przez telewizję europejską i NTSC, a jednocześnie spełniała wymagania częstotliwości Nyquista.

W dzisiejszych czasach platformy streamingowe, takie jak Netflix, Disney i Amazon, wymagają, aby dźwięk był dostarczany w częstotliwości 48 kHz, a nawet jeśli nagrywasz oldschoolowy film do kin, będziesz musiał dostarczyć strumienie 48 kHz na etap miksowania.

Korzyści z używania częstotliwości próbkowania 48 kHz

Innym powodem, dla którego częstotliwość próbkowania 48 kHz stała się powszechnie akceptowana, jest równowaga między doskonałym dźwiękiem a wymaganiami przetwarzania.

Antyaliasing

Nieco wyższa częstotliwość próbkowania zapewnia większy zapas dla działania filtrów antyaliasingowych. Przy częstotliwości próbkowania 44,1 kHz, mniej niż doskonały filtr antyaliasingowy może wprowadzać subtelne, ale mierzalne artefakty.

Z drugiej strony, w przypadku korzystania z częstotliwości próbkowania 48 kHz, wszelkie występujące aliasingi będą poza słyszalnym spektrum.

Resampling

Biorąc pod uwagę powszechne stosowanie wyższej częstotliwości próbkowania w branży medialnej, dostarczanie dźwięku w częstotliwości 48 kHz minimalizuje potrzebę ponownego próbkowania. Podczas gdy 44,1 kHz jest powszechną praktyką w branży muzycznej, jeśli pracujesz na licencji synchronizacji, gotowy produkt będzie musiał być dostarczony z częstotliwością 48 kHz.

Proces konwersji częstotliwości próbkowania podczas upsamplingu z niższych częstotliwości próbkowania do 48 kHz może prowadzić do wprowadzenia niepożądanych artefaktów do pliku. Dlatego też zawsze dobrym pomysłem jest nagrywanie z wyższą częstotliwością próbkowania i późniejszy downsampling w razie potrzeby, na przykład podczas drukowania na płycie CD.

Rozmiar pliku

Nagrywanie i przetwarzanie dźwięku z częstotliwością 48 kHz pozwala zachować niewielkie rozmiary plików, co ma zasadnicze znaczenie w przypadku dużych projektów telewizyjnych i filmowych, gdzie koszty przechowywania i czas przesyłania danych są ważnym czynnikiem.

Ograniczenia wynikające z używania częstotliwości próbkowania 48 kHz

Istnieje naprawdę bardzo niewiele ograniczeń w stosowaniu częstotliwości próbkowania 48 kHz. Chociaż w społeczności audio toczy się debata na temat tego, czy jest to naprawdę "wystarczająco dobre" dla wszystkich profesjonalnych zastosowań, różnica między 48 kHz a wyższą częstotliwością próbkowania jest często zauważalna tylko w bardzo kontrolowanych, wysokiej klasy środowiskach odsłuchowych.

96 kHz: Dźwięk o wysokiej rozdzielczości

Podczas gdy częstotliwość próbkowania 48 kHz jest standardem branżowym dla filmów, telewizji, podcastów i tym podobnych, niektórzy inżynierowie wolą pracować z częstotliwością 96 kHz. Teoretyczne korzyści obejmują większy zapas do przechwytywania treści o wysokiej częstotliwości, zmniejszony aliasing i lepsze możliwości przetwarzania.

Zalety teoretyczne

Rozszerzony zakres nagrywania

Częstotliwość próbkowania 96 kHz umożliwia nagrywanie częstotliwości do 48 kHz. Chociaż jest to znacznie poza zakresem ludzkiego słuchu (który zwykle osiąga szczyt około 20 kHz), niektórzy twierdzą, że ta ultra-wysoka częstotliwość wchodzi w interakcję z dźwiękiem w subtelny sposób, który ludzie wciąż słyszą.

Zmniejszony aliasing

Pamiętasz limit Nyquista? Nagrywanie z częstotliwością 96 kHz przesuwa tę granicę aż do 48 kHz, zmniejszając w ten sposób ryzyko wystąpienia artefaktów aliasingu zakłócających jakikolwiek słyszalny dźwięk.

Lepsze przetwarzanie wtyczek

Wysokie częstotliwości próbkowania mogą również skutkować lepszym przetwarzaniem niektórych efektów. Jest to szczególnie zauważalne podczas rozciągania dźwięku w czasie lub wykonywania zadań związanych ze zmianą wysokości dźwięku.

Rozciąganie w czasie dźwięku nagranego przy wyższych częstotliwościach próbkowania skutkuje czystszym dźwiękiem o bardziej naturalnej jakości. Dlatego też wielu projektantów dźwięku pracuje z jeszcze wyższą częstotliwością próbkowania (192 kHz).

To samo dotyczy przetwarzania, takiego jak nasycenie i zniekształcenie. Wtyczki te dodają dodatkową zawartość wysokiej częstotliwości powyżej oryginalnego limitu Nyquista, więc częstotliwość próbkowania 96 kHz spowoduje mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia aliasingu po efekcie.

Dokładniejszy pomiar wartości szczytowej próbki

Kolejną zaletą pracy z częstotliwością 96 kHz jest większa dokładność pomiaru wartości szczytowej próbki. Często szczyt sygnału występuje pomiędzy próbkami, które zostały zarejestrowane - znane jako szczyty międzypróbkowe. Inżynier miksowania uzyska dokładniejszą reprezentację tego, gdzie znajdują się szczyty sygnału przy wyższej częstotliwości próbkowania, która zawiera więcej próbek na sekundę.

Przyszłościowa jakość dźwięku

Inną postrzeganą korzyścią z nagrywania z częstotliwością 96 kHz jest wyprzedzenie konkurencji. W miarę rozwoju technologii, wyższe częstotliwości próbkowania mogą stać się normą, a niektórzy inżynierowie wybierają 96 kHz, aby zapewnić kompatybilność z przyszłymi formatami o wysokiej rozdzielczości.

Wady korzystania z częstotliwości próbkowania 96 kHz

Nagrywanie z częstotliwością 96 kHz ma wiele teoretycznych zalet i może skutkować lepszą jakością dźwięku podczas rozciągania w czasie i wykonywania zadań edycyjnych. Korzyści te wiążą się jednak z praktycznymi kompromisami w porównaniu do korzystania z niższej częstotliwości próbkowania.

Rozmiar pliku

Za każdym razem, gdy podwaja się częstotliwość próbkowania, podwaja się również ilość generowanych danych. Sesja nagrana z częstotliwością próbkowania 96 kHz zajmie dwa razy więcej miejsca niż sesja z częstotliwością próbkowania 48 kHz ze względu na znacznie większe rozmiary tworzonych plików.

W przypadku złożonych projektów może to szybko zwiększyć wymagania dotyczące pamięci masowej i utrudnić tworzenie kopii zapasowych, udostępnianie i zarządzanie plikami.

Moc przetwarzania

Jak można się spodziewać, wyższa częstotliwość próbkowania wymaga większego obciążenia procesora. Jeśli nie posiadasz super-wypasionej maszyny, może się okazać, że twoja sesja cierpi z powodu zwiększonego opóźnienia, wolniejszego czasu renderowania i niestabilności systemu.

Wydajność DAW

Podczas gdy większość programów DAW obsługuje wyższe częstotliwości próbkowania, prowadzenie sesji z częstotliwością 96 kHz lub wyższą oznacza, że program DAW musi pracować ciężej, aby przesyłać strumieniowo dźwięk. W zależności od systemu i złożoności sesji, istnieje zwiększone ryzyko przerw lub zakłóceń. Nie jest to idealne rozwiązanie podczas miksowania kolejnego utworu.

Wydajność wtyczki

Niektóre wtyczki wewnętrznie nadpróbkowują przychodzący sygnał, aby poprawić jakość wynikowego sygnału wyjściowego, na przykład wtyczki pomiarowe lub limitery. Uruchamianie ich z już wysoką częstotliwością próbkowania może pogorszyć wydajność procesora.

Wydajność przepływu pracy

Podczas gdy wyższe częstotliwości próbkowania mogą oferować teoretyczne korzyści i zabezpieczenie na przyszłość, prowadzenie sesji z wyższą częstotliwością może spowolnić przepływ pracy bez żadnych zauważalnych korzyści.

• Niektóre budżetowe interfejsy audio nie obsługują częstotliwości próbkowania 96 kHz, co może prowadzić do zniekształceń dźwięku.
• Prawie zawsze będziesz musiał zmniejszyć próbkowanie, aby utworzyć ostateczne rezultaty, tworząc po drodze niepotrzebne etapy konwersji.
• Jeśli system ma trudności z uruchomieniem sesji z wyższą częstotliwością próbkowania, wszystko nieuchronnie potrwa dłużej. Miksowanie stanie się żmudne, a po jego zakończeniu i tak będziesz musiał dokonać downsamplingu.

Czy słyszymy różnicę między 48 kHz a 96 kHz?

Pytanie za milion dolarów w tej dyskusji brzmi: czy ludzie faktycznie słyszą różnicę między 48 kHz a 96 kHz?

Zależy kogo zapytać.

Niektórzy wyszkoleni słuchacze, zwłaszcza inżynierowie masteringu i audiofile, twierdzą, że są w stanie usłyszeć subtelne różnice między częstotliwościami próbkowania, szczególnie jeśli jest to instrument, do którego są bardzo dostrojeni.

Niektórzy zwracają uwagę, że nawet jeśli nie słyszymy różnicy między dwiema częstotliwościami próbkowania, istnienie ultradźwięków w dźwięku może mieć wpływ na wrażenia słuchowe z powodu interakcji harmonicznych.

To, czy jest to spowodowane faktycznymi różnicami dźwiękowymi, czy tylko psychologicznymi uprzedzeniami, jest przedmiotem dyskusji. Ale kilka rzeczy wpływa na to, jak słyszymy dźwięk.

Systemy odtwarzania

Pamiętasz dyskusję na temat pasma przenoszenia? Nawet jeśli masz super ludzki słuch, znacznie przekraczający zakres 20 kHz, jeśli głośniki, na których słuchasz, nie obsługują tych częstotliwości ultradźwiękowych, wyższa częstotliwość próbkowania staje się bezużyteczna.

Ograniczenia ludzkiego słuchu

Większość osób dorosłych wraz z wiekiem doświadcza pogorszenia słuchu w górnych zakresach częstotliwości. Nawet jeśli ultra-wysokie częstotliwości są obecne w dźwięku, istnieje duża szansa, że wielu słuchaczy i tak nie będzie w stanie ich usłyszeć.

Uwagi praktyczne

Możemy sprowadzić tę dyskusję do dwóch pomysłów:

• 48 kHz jest standardem w branży medialnej i spełnia wszystkie wymagania dźwiękowe.
• 96 kHz wydaje się całkiem fajne, ale wiąże się z dużym bagażem.

Wybór odpowiedniej częstotliwości próbkowania dla danego projektu zależy od konkretnych potrzeb i przebiegu pracy. Oto praktyczny podział dla różnych dziedzin produkcji audio.

Produkcja muzyczna: Nagrywanie, miksowanie i mastering

Podczas pracy z samą muzyką wybór częstotliwości próbkowania sprowadza się do zrównoważenia jakości dźwięku z wydajnością systemu.

• Nagrywanie: Niektórzy inżynierowie lubią nagrywać z wysokimi częstotliwościami próbkowania 96 kHz lub wyższymi, aby uchwycić każdy szczegół dźwiękowy i zapobiec błędom aliasingu. Jednak dla większości muzyki częstotliwość 48 kHz jest więcej niż wystarczająca i stanowi mniejsze obciążenie dla możliwości systemu i pamięci masowej. Ponadto, eliminuje to potrzebę korzystania z zegara głównego, aby wszystko było zsynchronizowane.
• Miksowanie i mastering: Wiele wtyczek zapewnia obecnie wewnętrzne nadpróbkowanie, aby zapewnić dokładniejsze wyjście, więc praca z częstotliwością 48 kHz nadal zapewnia wysoki standard dźwięku.
• Ostateczna dostawa: Platformy streamingowe zwykle akceptują pliki o częstotliwości próbkowania 44,1 lub 48 kHz. Jeśli muzyka ma być odtwarzana na płycie CD, ostateczny miks będzie wymagał konwersji częstotliwości próbkowania do 44,1 kHz. Tak czy inaczej, nagrywanie z wysokimi częstotliwościami próbkowania jest w takich sytuacjach przesadą.

Dźwięk filmowy i telewizyjny

Podczas pracy w filmie i telewizji (w tym licencjonowania synchronizacji ), 48 kHz jest złotym standardem. W większości przypadków rozdzielczość głębi bitowej musi wynosić 16 bitów, choć dobrym pomysłem jest nagrywanie z głębią bitową 24 bitów na początku i zmniejszanie ditheringu do dostarczenia.

Biorąc pod uwagę dużą liczbę ścieżek w sesjach postprodukcyjnych, nagrywanie z częstotliwością 96 kHz może stwarzać problemy z wydajnością systemu i przestrzenią dyskową.

Gry i VR

Dźwięk w grach i wirtualnej rzeczywistości często wymaga wyższych częstotliwości próbkowania ze względu na unikalne wymagania formatu.

Często wymagane jest rozciągnięcie w czasie i przesunięcie wysokości dźwięków, więc lepiej jest nagrywać z częstotliwością 96 kHz.

Dźwięk na żywo i transmisja strumieniowa

W sytuacjach na żywo wydajność w czasie rzeczywistym ma najwyższy priorytet, co sprawia, że 48 kHz jest najlepszym wyborem.

Zalecenia końcowe

Zgodnie z ogólną zasadą, najbardziej wydajnym i skutecznym sposobem nagrywania dźwięku jest głębia bitowa 24 i częstotliwość próbkowania 48 kHz.

Ustawienia te stanowią idealne połączenie czystości dźwięku z wydajnością pamięci masowej i procesora.

Wiele wtyczek wykonuje już wewnętrzny oversampling podczas pracy z tymi częstotliwościami, co oznacza, że korzyści z nagrywania z częstotliwością 96 kHz są znikome.

Ponadto wysokiej jakości cyfrowe ograniczniki i mierniki kompensują międzypróbkowe szczyty, zmniejszając potrzebę stosowania wyższych częstotliwości próbkowania.

Wreszcie, 48 kHz jest standardem branżowym dla większości profesjonalnych prac, co zapewnia płynną integrację ze współpracownikami i dystrybutorami.

Nieliczne sytuacje, w których warto rozważyć nagrywanie z częstotliwością 96 kHz to:

• projekt wymaga rozległego rozciągnięcia w czasie, przesunięcia wysokości dźwięku lub edycji (np. syntezy granularnej).
• projekt jest przeznaczony do celów archiwalnych i chcesz zabezpieczyć pracę na przyszłość.

Wnioski

Prześledziliśmy naprawdę wiele! Oto krótkie podsumowanie tego, co zostało omówione. Notatki z klifu, jeśli wolisz:

• Częstotliwość próbkowania 44,1 kHz jest w stanie doskonale odtworzyć sygnały audio do najwyższych częstotliwości w zakresie ludzkiego słuchu.
• Branża telewizyjna, filmowa i medialna standardowo wykorzystuje częstotliwość 48 kHz.
• Nagrywanie z częstotliwością 96 kHz wymaga większej mocy obliczeniowej i więcej miejsca na dysku do przechowywania większych plików.
• Korzystanie z coraz wyższych częstotliwości próbkowania powoduje malejące zyski w odniesieniu do wydajności systemu i kosztów przechowywania.
• Jeśli wiesz, że będziesz używać rozciągania w czasie i innych funkcji edycji dźwięku, nagrywaj z częstotliwością 96 kHz, aby uzyskać lepsze wyniki.

Pamiętaj, że kontekst, w którym pracujesz, jest ważniejszy niż pogoń za liczbami.

Jeśli jesteś artystą, twoi odbiorcy mogą nie zwracać uwagi na to, że wyprodukowałeś utwór z częstotliwością 96 kHz. W rzeczywistości jest mało prawdopodobne, by usłyszeli różnicę między nim a czymś zarejestrowanym w 44,1 kHz.

W przypadku nagrywania muzyki na potrzeby filmu i telewizji, częstotliwość 48 kHz stanowi idealną równowagę między jakością dźwięku a profesjonalnymi standardami.

A jeśli tworzysz bibliotekę dźwięków do biblioteki efektów, 96 kHz jest najlepszym rozwiązaniem, aby umożliwić maksymalne możliwości edycji.

Ostatecznie, to twoja decyzja. Poeksperymentuj z różnymi częstotliwościami próbkowania i zobacz, co brzmi dobrze. Jeśli usłyszysz zauważalną różnicę przy 96 kHz, zrób to! (Ale może kup większy dysk twardy...).

Bez względu na to, którego z nich użyjesz, idź i twórz muzykę!