Аналоговый и цифровой способы записи звука. Цифровая запись информации

Занимаясь музыкой, бывает очень полезно представлять себе в целом, что такое звук и как происходит запись звука на компьютере. Имея такие знания, становится намного проще понять, что такое, например, компрессия или как появляется клиппинг. В музыке, как и почти в любом деле, зная основы, проще идти вперёд.

Что такое звук?

Звук - это физические колебания среды, распространяющиеся в виде волн. Мы улавливаем эти колебания и воспринимаем их как звук . Если же попытаться графически изобразить звуковую волну, мы получим, как это ни удивительно, волну .

Синусоидальная звуковая волна

Выше изображена синусоидальная звуковая волна, звучание которой можно услышать из аналоговых синтезаторов или из телефонной трубки стационарного телефона, если вы им ещё пользуетесь. Кстати, в телефоне звучит , говоря техническим, а не музыкальным языком.

Звук обладает тремя важными характеристиками, а именно: громкость, высота и тембр - это субъективные ощущения, но они имеют своё отражение в физическом мире в виде физических свойств звуковой волны.

Амплитуда

То что воспринимается нами как громкость - это сила колебаний или уровень звукового давления , который измеряется в (дБ).

Графически изображается волнами разной высоты:

Чем выше амплитуда (высота волны на графике), тем громче воспринимается звук, и наоборот, чем меньше амплитуда, тем тише звук. Конечно, на восприятие громкости влияет ещё и частота звука, но это особенности нашего восприятия.

Примеры различной громкости, в децибелах:

Частота

Когда мы говорим, что звук «выше» или «ниже», то понимаем о чём речь, но графически это отображается не высотой, а расстоянием и частотой:

Высота ноты (звука) — частота звуковой волны

чем меньше расстояние между звуковыми волнами, тем выше частота звука или, просто, выше звук.

Думаю, все знают, что человеческое ухо способно воспринимать звуки частотой приблизительно от 20 Гц до 20 кГц (в исключительных случаях - от 16 Гц до 22 кГц), а музыкальные звуки находятся в интервале от 16,352 Гц («до» субконтроктавы) до 7,902 кГц («си» пятой октавы).

Тембр

И последняя важная нам характеристика - тембр звука. Говоря словами, это то, как «окрашен» звук, а графически выглядит как различная комплексность, сложность звуковой волны. Вот, например, графическое отображение звуковых волн скрипки и рояля:

Тембр звука — комплексность (сложность) звуковой волны

Посложнее синусоиды, не правда ли?

Существует несколько способов записи звука: нотная запись, аналоговая запись и цифровая запись.

Нотная запись - это просто данные о частоте, длительности и громкости звуков, которые необходимо воспроизвести на каком-либо инструменте. В компьютерном мире есть аналог - MIDI данные. Но рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данной статьи, разберём его подробно в другой раз.

Аналоговая запись - по сути своей запись физических колебаний как они есть на какой-либо носитель: виниловую пластинку или магнитную ленту. Тут сразу должно начаться обильное слюноотделение у любителей тёплого лампового звука, но мы не из таких и , что аналоговые приборы имеют сильную погрешность и принципиальные ограничения, это вносит искажения и ухудшает качество записи, а физические носители со временем изнашиваются, что ещё сильней снижает качество фонограммы, поэтому аналоговая запись сейчас ушла в прошлое.

Цифровая запись звука - технология, которая дала возможность любому попробовать себя звукоинженером или продюсером. Так как же она работает? Ведь компьютер может записывать только числа, а если быть точным, только нули и единицы, в которых кодируются другие цифры, буквы, изображения. Как в цифрах записать такие сложные данные как звук?

Решение довольно простое - нарезать звуковую волну маленькими кусочками, то есть преобразовать непрерывную функцию (звуковую волну) в дискретную. Этот процесс называется дискретизацией , не от слова «кретин», а от слова «дискретность» (лат. discretus - разделённый, прерывистый). Каждый такой маленький кусочек звуковой волны уже очень легко описать цифрами (уровень сигнала в определенный момент времени), что при цифровой записи и происходит. Этот процесс называется аналого-цифровым преобразованием (analog to digital conversion), а преобразующее устройство (микросхема), соответственно, - аналого-цифровым преобразователем (analog to digital convertor) или АЦП (ADC).

Вот пример отрывка звуковой волны длиной почти в пять миллисекунд райд-тарелки (ride cymbal):

Видите, она вся состоит из зубчиков? Это и есть дискретные маленькие кусочки, на которые нарезана звуковая волна, но при желании через эти зубчики-столбики можно провести непрерывную кривую линию, которая и будет изначальной звуковой волной. При воспроизведении так и происходит в устройстве (тоже микросхеме) под названием цифро-аналоговый преобразователь (digital to analog convertor) или ЦАП (DAC). АЦП и ЦАП являются основными деталями аудио-интерфейса и от их качества зависит его качество и возможности.

Частота дискретизации и битность

Я, наверное, уже утомил даже самых стойких читателей, но не отчаивайтесь, это часть статьи, ради которой она и затевалась.

У процесса преобразования аналогового сигнала в цифровой (и наоборот) есть два важных свойства - это частота дискретизации (она же частота семплирования или sample rate) и глубина дискретизации (битность).

Частота дискретизации - это частота, с которой звуковой сигнал режется на кусочки (семплы). Не повторите мою ошибку: с частотой звука частота дискретизации связана только через теорему Котельникова, которая говорит: для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала. Таким образом используемая при записи CD и музыки частота дискретизации в 44,1 кГц покрывает
слышимый человеком диапазон частот.

Битность - это глубина дискретизации, измеряемая в битах, то есть это количество бит, используемое для записи амплитуды сигнала. При записи CD используется 16 бит, что достаточно для в 96 дБ, то есть мы сможем записать звук, у корого разница между самой тихой и самой громкой его частями составляет 96 дБ, что почти всегда достаточно для записи любой музыки. В студиях при записи обычно применяют 24-битную разрядность, что даёт динамический диапазон в 144 дБ, но поскольку 99% устройств, воспроизводящих звук (магнитофоны, плееры, звуковые карты, идущие в комлекте с компьютером) умеют обрабатывать только 16-разрядный звук, при рендеринге всё равно придётся потерять 48 дБ (144 минус 96) динамического диапазона, используя 16-битное разрешение.

Напоследок подсчитаем битрейт музыки на Audio CD:
16 бит x 44 100 семплов в секунду x 2 канала = 1 411 200 бит в секунду = 1 411,2 кбит/с.

Таким образом, одна секунда записи на Audio CD занимает 172 килобайта или 0,168 мегабайта.

Это всё, что я хотел рассказать про запись звука на компьютере.
Ну, или почти всё.

Последний раздел для хардкорных читатателей.

Dither

При рендеринге проектов в звуковых редакторах при выборе формата 44 100 kHz 16 bit иногда появляется галочка Dither. Что это такое?
Это подмешивание псевдослучайного сигнала. Едва ли вам стало легче от такой формулировки, но я сейчас объясню.

При аналого-цифровом преобразовании происходит округление амплитуды. То есть при 16-битной глубине дискретизации нам доступно 2 16 = 65 536 возможных вариантов уровня амплитуды. Но если амплитуда у звука в одном из семплов оказалась равной 34 целых и 478 тысячных, то нам придётся её округлить до 34.

Для малых уровней амплитуды входного сигнала такое округление несёт негативные последствия в виде искажений, с чем и борется dither .

Вот теперь точно всё. Спасибо за чтение!

Не забудьте написать комментарий и нажать на красивые кнопочки социальных сетей в низу статьи.

Сегодня мы затронем такую интересную тему, как цифровая запись звука (англ. digital sound recording). Так называется фиксация звуковых колебаний в формат чисел для последующего их воспроизведения и обработки.

На студии ТопЗвук запись производится на высококачественную цифровую систему записи MOTU 828km3 с высококачественными аналогово-цифровыми преобразователями, позволяющую фиксировать звук с частотой дискретизации до 192 кГц и глубиной квантования 32 бит, что дает кристально чистое и воздушное звучание.ТопЗвук

Во время оцифровки сигнал преобразуется в ряд числовых значений звукового колебания. В отличие от аналогового звука (который непрерывен) , цифровой звук состоит из множества фрагментов-сэмплов, проще говоря «кирпичиков», составляющих записанный фрагмент. Количество записанных в 1 секунду сэмплов называется частотой сэмплирования или частотой дискретизации, и чем это значение выше, тем более качественно будет оцифровываться сигнал.

Стандарты современной цифровой записи – частота сэмплирования от 44100 до 192000 Гц. Помимо частоты дискретизации, отвечающей за запись звука во временном измерении, есть еще один важный параметр, называющийся глубиной квантования, отвечающий за динамику (минимальную и максимальную громкость) записываемого звука и измеряющийся в битах.

Стандарты битности в звукозаписи от 16 до 32 бит. Цифровая запись звука позволяет получить очень достоверное и детальное звучание .

Примеры портфолио под минус (РОК, ПОП, РЭП)

Пример 1. РОК
Группа «THE Y» - песня «RUN FOR LIFE»

Пример 2. РОК
Группа «Пылаем» - Песня «Сочи»

Пример 3. ПОП
Песня «Больше чем любовь» под минус + сведение

Пример 4. ПОП
Песня «Плакала» под минус + сведение

Пример 5. РЭП
Песня «Дай мне» под минус + сведение

Пример 6. РЭП
Песня «Пропаганда правды» под минус + сведение

Что же такое звук

Звук представляет собой регулярные колебания какой-либо среды, которые распространяются в виде волн. Когда мы слышим какой-то звук, как правило, он распространяется в воздухе. Но звук может распространятся также и в водной среде, и через твердые тела (например, стены домов). При этом скорость распространения звуковых волн может несколько отличаться в различных средах. Чем больше амплитуда волны, тем более громким слышится звук. На иллюстрации ниже видна эта зависимость.

Другое важное свойство звуковых колебаний — это их частота. На иллюстрации ниже видно, как изменяется высота звука в зависимости от частоты колебаний волн.

На приведенных примерах — простая синусоидальная форма звуковой волны. Но на самом деле в жизни нас окружают гораздо более сложные звуки, образуемые множеством таких колебаний и их сочетанием. И подобные сложные сочетания — как раз то, что отличает голос одного человека от другого, или звучание разных музыкальных инструментов.

Отличительные черты аналоговой записи

Аналоговая звукозапись (чаще всего это запись на магнитную ленту) тоже имеет место быть в современном мире, и некоторые артисты предпочитают записываться на пленку для получения особенного, винтажного звучания. Но этот способ куда более требователен к качеству исполнения. Но нельзя сказать, что аналоговая звукозапись является точной. Она скорее вносит свои, свойственные только ей краски, особенную теплоту и красоту в звук, но нельзя сказать, что достоверный и реалистичный звук. Также, в отличие от аналоговой, цифровая запись звука не подвержена старению и выдерживает любое количество копий без ухудшения качества звучания.

На студии ТопЗвук запись производится на высококачественную цифровую систему записи MOTU 828km3 с высококачественными аналогово-цифровыми преобразователями, позволяющую фиксировать звук с частотой дискретизации до 192 кГц и глубиной квантования 32 бит что дает кристально чистое и воздушное звучание, такое же, каким вы слышите его вживую. Высокое качество записываемого исходника позволяет при обработке дорожек эффектами на этапе сведения добиваться куда более качественного звучания. Это очень важно, т.к. использование любого другого студийного оборудования не имеет большого смысла в случае некачественного аналого-цифрового преобразования. В этом случае можно получить звук в виде, очень далеком от оригинала .

Специалисты нашей студии запишут вашу песню, сделают компьютерную аранжировку или оцифруют любой аналоговый аудиоматериал в высоком цифровом качестве – пластинки, пленки, кассеты. Звоните, и мы найдем общий язык.

Цифровая запись звука против аналоговой

Напоследок порассуждаем о том, так ли уж сильно отличается запись цифровая от аналоговой. На самом деле противопоставление цифровой и аналоговой записи звука – вещь достаточно условная. Об этом, конечно же, знают узкоспециализированные специалисты, но у простых людей сложилось не совсем точное понимания того, что представляет собой так называемая аналоговая звукозапись.

Прежде всего, напомним, что в недавнее время, когда запись звука цифровым методом не была развита по причине недостаточного развития вычислительной техники, для записи звука применялись магнитофоны. Которые принято называть аналоговыми. Но само понятие аналоговой записи предполагает непрерывность в противовес дискретности, которой, как известно, и отличается цифровая запись , и которая считается источником потенциальных проблем при использовании записи звуковых сигналов цифровым методом. Так вот, традиционный магнитофон, как бытовой, так и студийный (даже многодорожечный) вовсе не обеспечивает непрерывной записи звукового сигнала на магнитной ленте. Это знает каждый, кто интересовался устройством магнитной головки и принципом такой записи.

Звуковой сигнал на ленте состоит из отдельных фрагментов, размер которых, к слову, определяется шириной зазора записывающей (или универсальной) магнитной головки магнитофона. То есть магнитная запись дискретна, она не может быть непрерывной. Что касается еще одного распространенного носителя прошлого, популярного ныне в некоторых кругах – винилового дика – то и в этом случае не идет речь о 100% аналоговом звуке, поскольку мастер-записи для виниловых дисков сейчас делаются при помощи компьютеров, а ранее делались… Да, да — при помощи магнитофонов! Так что единственный настоящий аналоговый звукозаписывающий механизм – это фонограф Эдисона!

Если вам нужна действительно качественная цифровая запись звука , обращайтесь в ТопЗвук. Мы работаем без выходных и ждем вашего звонка прямо сейчас!

Звукоза́пись - процесс записи звуковых сигналов. Результатом звукозаписи является фонограмма .

Необходимое оборудование: устройство для преобразования акустических колебаний в электрический сигнал (микрофон) или генератор тона (напр. звуковой синтезатор , семплер), устройство для преобразования электрических колебаний в последовательность цифр (в цифровой записи), устройство для сохранения (магнитофон, жёсткий диск компьютера или иное устройство для сохранения полученной информации на носитель). Звукозапись может быть моно-, стерео- и квадрофонической.

Самая старая из известных звукозаписей была сделана 9 апреля 1860 года парижским изобретателем Эдуардом-Леоном Скоттом де Мартенвилем с помощью устройства, называемого «фоноавтограф » .

В зависимости от сохранения, выделяют два основных вида записи звуков: аналоговый и цифровой .

Аналоговая звукозапись [ | ]

Магнитная звукозапись [ | ]

Запись производится с помощью записывающей магнитной головки, создающей переменное магнитное поле на участке движущегося носителя (зачастую магнитной ленты), обладающего магнитными свойствами. На ферромагнитном слое носителя остаётся след остаточного намагничивания. След и есть дорожка фонограммы. При воспроизведении магнитная головка преобразует остаточный магнитный поток движущегося носителя записи в электрический сигнал звуковой частоты.

Цифровая звукозапись [ | ]

Под цифровой записью понимают оцифровку и сохранение звука в виде набора бит (битовой последовательности), который описывает воспроизведение тем или иным устройством.

Магнитная цифровая звукозапись [ | ]

Запись цифровых сигналов производится на магнитную ленту. Выделяют два типа записи:

Магнитооптическая запись [ | ]

Запись на магнитооптический диск осуществляется по следующей технологии: излучение лазера разогревает участок дорожки выше температуры точки Кюри , после чего электромагнитный импульс изменяет намагниченность, создавая отпечатки, эквивалентные питам на оптических дисках. Считывание осуществляется тем же самым лазером, но на меньшей мощности, недостаточной для разогрева диска: поляризованный лазерный луч проходит сквозь материал диска, отражается от подложки, проходит сквозь оптическую систему и попадает на датчик. При этом в зависимости от намагниченности изменяется плоскость поляризации луча лазера (эффект Керра), что и определяется датчиком.

Лазерная запись [ | ]

При записи данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически «прожечь» органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определённой температуры, он разрушается и темнеет, изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны. Таким образом при записи, управляя мощностью лазера, на записывающем слое получают чередование тёмных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы. При чтении лазер имеет значительно меньшую мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отражённый от отражающего слоя луч попадает на фотодиод, а если луч попадает на тёмный - «прожжённый» - участок, то луч почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление светового потока. Чередующиеся светлые и тёмные участки дорожки порождают изменение светового потока отражённого луча и переводятся в изменение электрического сигнала, который далее и преобразуется в биты информации электрической системой привода - «декодируется».

Оптическая цифровая запись звука [ | ]

Звуковое сопровождение к фильму печатается непосредственно на 35-мм киноплёнку оптическим методом в цифровом закодированном виде. При воспроизведении цифровой сигнал считывается специальной насадкой на кинопроектор и затем декодируется процессором в многоканальную фонограмму.

Цифровые аудиоформаты [ | ]

Запись звуковых данных производится в файл определённого формата , который сохраняется на электронных звуковых носителях.

Под аналоговой подразумевают запись звуков на физический носитель таким образом, чтобы устройство воспроизведения производило колебания и создавало звуковые волны аналогичные тем, что были получены при сохранении.

Механическая звукозапись

Записываемый звук воздействовал через рупор на мембрану, жёстко связанную с резцом. При воспроизведении игла, двигающаяся по канавке, передаёт колебания на упругую мембрану, которая излучает звук. Звук усиливался при помощи рупора конической формы.

· Фоноавтограф (1857)

· Фонограф (1878)

· Граммофон (1887)

· Патефон (1907)

Электромеханическая запись

Записываемые звуковые колебания преобразуются микрофоном в соответствующие электрические токи, воздействующие после их усиления на электромеханический преобразователь - рекордер, который превращает переменные электрические токи посредством магнитного поля в соответствующие механические колебания резца. Для воспроизведения применялся пьезоэлектрический, а позднее более качественный - магнитный звукосниматель. Звукосниматели преобразуют колебания иглы, бегущей по звуковой дорожке грампластинки, в электрический сигнал, который после усиления в электронном усилителе поступает в громкоговоритель.

· Электрофон (1925)

Оптическая (фотографическая) запись звука

Фотографическая фонограмма имела переменную ширину дорожки (1904) или переменную оптическую плотность (1919) и наносилась на кромку киноленты. При воспроизведении световой поток лампы проходя сквозь киноленту изменялся (модулировался) в соответствии с записанными звуковыми колебаниями. Фотоэлемент превращал падающий на него переменный световой поток в электрические колебания. Электрический сигнал усиливался усилителем воспроизведения и поступал на громкоговоритель, установленный у экрана в зрительном зале кинотеатра.

Магнитная звукозапись

Запись производится с помощью записывающей магнитной головки, создающей переменное магнитное поле на участке движущегося носителя (зачастую магнитной ленты), обладающего магнитными свойствами. На ферромагнитном слое носителя остается след остаточного намагничивания. След и есть дорожка фонограммы. При воспроизведении магнитная головка преобразует остаточный магнитный поток движущегося носителя записи в электрический сигнал звуковой частоты.

· Магнитофон (1932)

1. Цифровая звукозапись

Под цифровой записью понимают оцифровку и сохранение звука в виде набора бит (битовой последовательности), который описывает воспроизведение тем или иным устройством.

Магнитная цифровая звукозапись

Запись цифровых сигналов производится на магнитную ленту. Выделяют два типа записи:

· продольно-строчная система записи - в которой лента движется вдоль блока неподвижных магнитных головок записи/воспроизведения

o DASH (1982) (англ. Digital Audio Stationary Head)

o DCC (1992) (англ. Digital compact cassette, цифровая компакт-кассета)

· наклонно-строчная система записи - в которой лента движется вдоль барабана вращающихся магнитных головок и запись осуществляется наклонно отдельными дорожками, что обеспечивает большую плотность, по сравнению с продольно-строчной системой записи.

o DAT (1987) (англ. Digital audio tape)

Магнитооптическая запись

Запись на магнитооптический диск осуществляется по следующей технологии: излучение лазера разогревает участок дорожки выше температуры точки Кюри, после чего электромагнитный импульс изменяет намагниченность, создавая отпечатки, эквивалентные питам на оптических дисках. Считывание осуществляется тем же самым лазером, но на меньшей мощности, недостаточной для разогрева диска: поляризованный лазерный луч проходит сквозь материал диска, отражается от подложки, проходит сквозь оптическую систему и попадает на датчик. При этом в зависимости от намагниченности изменяется плоскость поляризации луча лазера (эффект Керра), что и определяется датчиком.

· Минидиск (MD) (1992)

Лазерная запись

При записи данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически «прожечь» органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определённой температуры, он разрушается и темнеет, изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны. Таким образом при записи, управляя мощностью лазера, на записывающем слое получают чередование тёмных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы. При чтении лазер имеет значительно меньшую мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отражённый от отражающего слоя луч попадает на фотодиод, а если луч попадает на тёмный - «прожжённый» - участок, то луч почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление светового потока. Чередующиеся светлые и тёмные участки дорожки порождают изменение светового потока отражённого луча и переводятся в изменение электрического сигнала, который далее и преобразуется в биты информации электрической системой привода - «декодируется».

· Звуковой компакт-диск (1982) (CD)

· DTS (1993) - фонограмма к фильмокопии на отдельном компакт-диске

· DVD-Audio (1999) (DVD-A)

· SACD (1998) (Super audio compact disc, супер аудио компакт-диск)

Оптическая цифровая запись звука

Звуковое сопровождение к фильму печатается непосредственно на 35-мм киноплёнку оптическим методом в цифровом закодированном виде. При воспроизведении цифровой сигнал считывается специальной насадкой на кинопроектор и затем декодируется процессором в многоканальную фонограмму.

· Dolby Digital (1992)

Запись звуковых данных производится в файл определенного формата, который сохраняется на электронных звуковых носителях.

· Нотные: MIDI (1982)

· Оцифрованный звук: OGG, MP3, WAV и т.п.

Вопросы для самоконтроля

1. Опишите технологию выполнения работ с лазерными или оптическими дисками

2. На какие виды делится компьютерная графика?

3. Опишите наиболее распространенные Звуковые технические средства.