Hi-Fi звук, мифы и реальность – эволюция и развитие звука

Что такое Hi-Fi звук – мифы и реальность. В этой статье приводится краткая историческая справка аудиотехнологий, а так же рассмотрены популярные в среде меломанов мифы. Для понимания что такое Hi-Fi звук, желательно хотя бы вкратце знать о эволюции звучания, с чего все начиналось и на каком этапе развития мы сейчас находимся.

hi-fi звук

⭐ Цены на лучшие беспроводные наушники в 2020 году:
Содержание статьи:
  1. Изобретение звукозаписи, аналоговая эпоха, механический период;
  2. Граммофон и граммзапись на пластинке;
  3. Электрический звук — начало;
  4. Первый Hi-Fi, винилы;
  5. Магнитофоны;
  6. Цифровая эпоха, электромеханический период — аналоговый носитель, цифровой формат;
  7. Легендарный Audio CD — первый цифровой носитель;
  8. Цифровая эпоха, цифровые носители, цифровые форматы;
  9. Интернет, mp3 и деградация звука;
  10. Космический звук — приход истинного HI-FI;

  • Миф №1. Современные виниловые пластики обладают хай-фай звучанием;
  • Миф №2. Запись на винилах в корне отличается от магнитофонной;
  • Миф №3. В аналоговых магнитофонах чисто аналоговый звук;
  • Миф №4. Теплый ламповый звук и «холодный» транзисторный;
  • Миф №5. Качество CD – это качество HI-FI;
Цены на качественные наушники для музыки (в 2019 году):

1. Изобретение звукозаписи, аналоговая эпоха, механический период

Фонограф Эдисона

Все началось с изобретением звукозаписи. Звуковую запись народной песни, сделал французский изобретатель Эдуар Леон Скотт де Мартенвиль в 1860 году, с помощью устройства, получившее название «фоноавтограф». Её протяжённость составляет 10 секунд и представляет собой отрывок из французской народной песни. Фоноавтограф процарапывал звуковые дорожки на листе бумаги, вычерненном дымом от масляной лампы. Естественно о качестве звучания тогда речь еще не шла. Главное было то, что звук вообще удалось записать и воспроизвести.

В 1877 году французский учёный Шарль Кро впервые научно обосновал принципы записи звука на барабан (или диск) и его последующего воспроизведения. В этом же году, а именно — в середине 1877 года, молодой американский изобретатель Томас Эдисон изобрёл и запатентовал прибор фонограф, в котором звук записывается на цилиндрическом валике, обёрнутом оловянной фольгой (или бумажной лентой, покрытой слоем воска) при помощи иглы (резца), связанной с мембраной; игла вычерчивает на поверхности фольги винтовую канавку переменной глубины. Его фонограф с восковым валиком не получил широкого распространения ввиду сложности копирования записи, быстрого изнашивания валиков и плохого качества воспроизведения.


2. Граммофон и граммзапись на пластинке

ГраммофонВ 1887 году американский инженер еврейского происхождения Эмиль Берлинер, предложил использовать для записи носитель в форме диска. Работая над своей идеей, Берлинер сначала построил и опробовал прибор Шарля Кро, предложенный 20 лет назад, применив пластинку из цинка вместо хромовой. Эмиль Берлинер заменил валики дисками — металлическими матрицами, с которых можно было тиражировать копии. С их помощью и прессовались граммофонные пластинки. Одна матрица давала возможность напечатать целый тираж — не менее 500 пластинок, что значительно снижало расходы на изготовление, и, соответственно, на стоимость продукции. В этом состояло главное преимущество грампластинок Эмиля Берлинера, по сравнению с восковыми валиками Эдисона с трудом поддававшиеся тиражированию.

  • В отличие от фонографа Эдисона, Берлинер для записи звука разработал специальный аппарат — рекордер;
  • А для воспроизведения звука создал другой — граммофон, на который и был получен патент 26 сентября 1887 года;

Вместо глубинной записи Эдисона Берлинер применил поперечную, при которой игла оставляла извилистый след постоянной глубины. В XX веке мембрана была заменена микрофонами, преобразующими звуковые колебания в электрические, и электронными усилителями.

Для грамофона (еще не электрического, а механического) появился свой носитель и формат, в одном лице — граммофонная пластинка.

Граммофонные пластинкиВ 1892 году был разработан способ гальванического тиражирования с позитива цинкового диска, а также технология прессования грампластинок из эбонита, при помощи стальной печатной матрицы. Но эбонит стоил довольно дорого и в скором времени был заменен композиционной массой на основе шеллака — воскоподобного вещества, вырабатываемого тропическими насекомыми из семейства лаковых червецов, обитающих в юго-восточной Азии. Пластинки стали качественней и дешевле, а значит, доступнее, но их главным недостатком была малая механическая прочность — по хрупкости они напоминали стекло. Шеллачные пластинки выпускались до середины XX века, пока не были вытеснены более дешёвыми и небьющимися — из винилита (сополимера винилхлорида и винилацетата), т.н. виниловые пластинки. Одна из первых виниловых грампластинок была выпущенная в 1897 году, фирмой Victor в США.

Первые серийные пластинки имели диаметр 6,89 дюймов (175 мм) и назывались 7-дюймовыми. Этот старейший стандарт появился ещё в начале 1890-х годов. Обозначаются такие грампластинки как «7″», где «″» — знак дюйма. В начале своей эволюции грампластинки имели высокую скорость вращения и большую ширину дорожки, что значительно снижало длительность звучания — всего 2 минуты на одной стороне.

Двусторонними грампластинки стали в 1903 году, благодаря разработкам фирмы «Одеон». В этом же году появились первые 12-дюймовые (12″) грампластинки реальным диаметром 11,89″ (300 мм). До начала 1910-х годов на них выпускали в основном отрывки из произведений музыкальных классиков, так как на них помещалось в общей сложности до пяти минут звучания.

Третьим, наиболее популярным, стал размер 10 дюймов (10″), или 250 мм. На таких пластинках помещалось в полтора раза больше материала, чем на стандартную 7-дюймовую.

Три основных типоразмера пластинок — 12″, 10″ и 7″ — традиционно называются «гигант», «гранд» и «миньон», соответственно.


3. Электрический звук — начало

Рекордер для записи на медный мастер-диск (Германия, начало 1930-х гг.). Справа — суппорт с резаком, слева — микроскоп для визуального контроля записываемой звуковой дорожки.

Рекордер для записи на медный мастер-диск (Германия, начало 1930-х гг.). Справа — суппорт с резаком, слева — микроскоп для визуального контроля записываемой звуковой дорожки.

В конце 1920-х годов произошла первая революция в мире грамзаписи, когда вместо способа записи через рупор стали пользоваться электроакустическим методом — запись через микрофон. Революция произошла не случайно — электромеханика, электроника и механика подошли к тому, что бы это стало возможным. Родоначальниками электрического звука стали сначала телефон, а затем радио. За счёт уменьшения искажений частотный диапазон расширился с 150–4000 до 50–10000 Гц. Это можно считать первым шагом в мир Hi-Fi. Естественно, что на дорогих аппаратах звук был лучше и обладал уже довольно естественным звучанием.

В 1930-х годах пластинки выпускались с одной композицией на одной стороне, и часто один концерт одного исполнителя продавался комплектом пластинок по несколько штук, обычно в картонных или, реже, кожаных коробках. Из-за внешнего сходства таких коробок с фотоальбомами их стали называть record albums («альбомы с записями»).


4. Первый Hi-Fi, винилы

Первый Hi-Fi, винилыВ 1948 году крупнейшая по тем временам и одна из старейших фирм грамзаписи США «Columbia» впервые выпустила так называемую долгоиграющую пластинку, или Long Play (LP), рассчитанную на скорость вращения 33⅓ об/мин. Способы увеличения длительности звучания производились и раньше — например, во время Второй мировой войны в Соединённых Штатах выпускались «В»-диски. Выпуск долгоиграющих пластинок был продиктован, в основном, конкурентной борьбой с магнитными аудионосителями.

Чтобы конкурировать по цене с лентами или не потерять в качестве звучания, был изобретён новый материал — винилат. Это новшество дало возможность значительно расширить диапазон записываемых частот до 50–16 000 Гц, полностью сохранить тембр звука, а также увеличить динамический диапазон записи до 50–57 дБ, снизить уровень шумов и намного продлить качественное звучание. В 1958 году появились стереопроигрыватели и стереопластинки. Это можно уже назвать Hi-Fi характеристиками=) того времени.

[/su_spoiler]

Миф №1. Современные виниловые пластики обладают хай-фай звучанием

Современные виниловые пластикиКонечно, частотный диапазон в 50–16 000 Гц и динамический диапазон 50–57 дБ (при условии что у вас дорогой проигрыватель винилов высокого класса) дает вполне реалистичное звучание, особенно для неискушенного слушателя =) . Но любой слушатель с опытом, сможет отличить современную высококачественную запись, в одном из новых цифровых форматов без потерь, от звучания граммзаписи.

Современная граммзапись не продвинулась далеко в перед. Проигрывание винилов это в первую очередь дань истории. Важен сам процесс, ритуал, качество звучания отходит на второй план. Конечно немалый процент людей со мной не согласится. Более того — в сети, на не безызвестных торрентах существуют вопиюще дикие случаи когда предлагается скачать огромные файлы с оцифровкой винилов в качестве 24 бит 192 КГц=))). Но оставим это людям с «нежными» ушами.

Практически все меломаны незнакомы с радиоинженрным делом и отдаленно представляют себе процесс производства виниловых и магнитофонных записей. Многие из них считают, что звук в магнитофонах и на виниловых проигрывателях (если не заявлено обратное) — аналоговый. К большому разочарованию любителей настоящего аналогового звучания, я развею эти мифы.

Миф №2. Запись на винилах в корне отличается от магнитофонной

Запись на винилах в корне отличается от магнитофоннойНачнем с самого «святого» — винила. Увы — запись для винилов на студиях звукозаписи готовят предварительно, с применением магнитофона (либо в современном варианте компьютера).

Точнее говоря первые граммзаписи до начала 30-х годов прошлого века и в самом деле делались без магнитофонов. Но практически сразу с появлением первых магнитофонов (сначала очень дорогих, громоздких и недоступных для массового производства), студийную запись стали делать на магнитофон и лишь потом, после сведения и мастеринга, копировать эту запись на матрицу для производства пластинок.

В итоге мы имеем не виниловый звук как самостоятельное явление, а магнитофонную запись подготовленную для винила. Таким образом, все любители винила слушают на самом деле магнитофонный звук, но в урезанном «виниловым» диапазоне.


5. Магнитофоны

Принцип магнитной записи на стальную проволоку в 1888 году впервые разработал Оберлайн Смит (Oberlin Smith), под влиянием его посещения в 1878-м лаборатории Эдисона. Однако первое работающее устройство было изготовлено датским инженером Вальдемаром Поульсеном лишь в 1895 г. Сам аппарат изобретатель назвал «телеграфоном». Источник на Вики про магнитофон.

Телеграфон или первый работающий магнитофон


От проволоки к ленте:

5.1 От проволоки к ленте

В 1925 году Курт Штилле (Curt Stille) представил электромагнитное устройство, записывающее речь на магнитную проволоку. Впоследствии аппараты его конструкции, использовавшие тонкую стальную ленту в качестве носителя, производились под маркой «Маркони-Штилле», и применялись на Би-би-си с 1935 до 1950 года. В 1925 г. в СССР запатентована «гибкая лента из целлулоида, покрытая стальными опилками (например, посредством столярного клея)», однако развития изобретение не получило. В 1927 г. Фриц Пфлеймер (Dr. Fritz Pfleumer) запатентовал магнитную ленту (сначала на бумажной основе, затем — на полимерной). Сам этот принцип начали разрабатывать параллельно со Смитом, в лаборатории BASF.

Магнитная лента на магнитофоне

5.2 Рождение первого магнитофона =):

5.2 Рождение первого магнитофона =):

В 1934—1935 фирма BASF начала серийный выпуск магнитной ленты на основе карбонильного железа либо магнетита на диацетатной основе. В 1935 фирма AEG выпустила первый коммерческий плёночный магнитофон под названием Magnetophon K1. Само слово Magnetophon долгое время было торговой маркой AEG-Telefunken, но дальше оно закрепилось за названием этого класса устройств для проигрывания магнитофонных записей.

Magnetophon K1

5.3 Первый качественный шаг::

5.3 Первый качественный шаг:

Принцип высокочастотного подмагничивания (подмешивания в записываемый сигнал высокочастотной составляющей) был предложен в начале 30-х гг. Браунмюлем и Вебером, усовершенствован в конце 30-х гг. Нагаи, Карпентером и др. До изобретения высокочастотного подмагничивания магнитофонные записи были ужасного качества. Дело в том что намагничивание магнитной пленки никогда не происходит по линейному закону, который необходим для качественной записи и воспроизведения звука. Это изобретение решило проблему.

5.4 Катушечные (или бобинные) магнитофоны:

5.4 Катушечные (или бобинные) магнитофоны

В качестве носителя используется магнитная лента, намотанная на пластмассовые или металлические катушки (в быту употреблялось также название «бобина». До появления кассетных магнитофонов катушки называли кассетами.

Катушечные (или бобинные) магнитофоны

5.5 Магнитофоны HI-FI:

5.5 Магнитофоны HI-FI

Катушечные магнитофоны выпускались самых разных классов — от громоздких стационарных студийных аппаратов, предназначенных для получения бескомпромиссного качества звука, до карманных «записных книжек» самой примитивной конструкции. Именно студийные и самые дорогие из бытовых можно считать аппаратурой HI-FI. Качество записи воспроизведения вплотную приблизилось к возможностям восприятия человеческого уха (за исключением динамического диапазона и наличия, хоть и не большого, в качественных записях, но шума).

Частотный диапазон достигал 20 — 20 000 Гц (± 0,75 дБ) и 20 — 25 000 Гц (± 3 дБ) на лентах любых типов. Отношение сигнал-шум с использованием шумоподавителя системы Dolby C −72 дБ (относительно номинального «нулевого» уровня, или −85 дБ с учётом штатного превышения уровня записи над номинальным). Максимальный коэффициент детонации (джиттер) 0,08 %, среднеквадратичный 0,04 %. Разделение каналов 37 дБ.

Многодорожечные (с 8 и более дорожками) многоканальные катушечные магнитофоны в 60-х — 90-х годах из-за высокого качества звучания активно использовались как студийные.

5.6 Приход кассетников:

5.6 Приход «кассетников»

Недостатком катушечных магнитофонов было относительное неудобство обращения с лентой: поменять на магнитофоне катушку можно только двумя руками, предварительно ленту нужно смотать до конца и т. д. Именно поэтому с появлением кассетных систем почти исчезли портативные катушечные магнитофоны.

В бытовом секторе катушечники были практически вытеснены кассетными моделями к середине 80-х годов — для среднего потребителя компактность и простота использования оказались важнее качества звучания.

Midget RecorderПо крайней мере с начала 1950-х годов конструкторы предпринимали усилия, чтобы упростить обращение с магнитной лентой. Предлагавшиеся решения в целом сводились к двум вариантам: либо две катушки с лентой объединялись в одном корпусе-кассете, либо в кассету помещался один сердечник с рулоном ленты, склеенной в кольцо. В 1950 г. нью-йоркская компания Mohawk Business Machines Company выпустила свой Midget Recorder, представив его как «первый в мире карманный ленточный магнитофон». Кольцевая лента для него размещалась в металлической кассете. На потребительском рынке появлялись кассеты Dictet (США, 1957, для портативного диктофона), Saba (Германия, 1958, для магнитофона Sabamobil), RCA Sound Tape Cartridge (США, 1958), Fidelipac (с кольцевой лентой, США, 1959). Из этих ранних систем широкого распространения не получила ни одна.

5.7 Philips и компакт-кассета:

5.7 Philips и компакт-кассета

По-настоящему массовые кассетные магнитофоны появились в начале 1960-х. В 1963 г. компания Philips выпустила компакт-кассету. Она на несколько десятилетий стала основным форматом магнитофонных кассет во всем мире.

Philips и компакт-кассета

5.8 Бум кассетной индустрии:

5.8 Бум кассетной индустрии

Массовый рост кассетной индустрии пришёлся на короткий период между 1980 и 1985 годами, когда появились одновременно три локомотива технологии: качественные стационарные магнитофоны («деки»), переносные «бумбоксы» и компактные «персональные» магнитофоны-проигрыватели (плееры).

5.9 Компактность против качества...:

5.9 Компактность против качества…

  • Недостатками магнитофонов были меньшие физические размеры магнитной пленки и скорость ее протяжки, что приводило к малому уровню сигнала (около 0,15…0,25 мВ), генерируемого магнитным полем в воспроизводящей головке магнитофона. Сигналы такого уровня оказываются сопоставимы с собственными шумами транзистора во входной цепи усилителя (решение этой проблемы пошло двумя путями: создание специализированных воспроизводящих головок с высокой индуктивностью и, как следствие, с повышенным уровнем выходного сигнала (до 0,45 мВ) и разработка сверхмалошумящих усилителей с параллельным включением транзисторов на входе. В результате лучшие модели кассетных магнитофонов имеют собственные шумы на уровне −62…-65 дБ).
  • Во-вторых, неоднородная структура магнитного слоя и шероховатости его поверхности приводит к повышенному уровню шумов самой ленты -52…-54 дБ. Опять же, из-за относительно низкой скорости движения ленты, спектр этих шумов попадает в рабочий диапазон частот магнитофона и становится очень заметным.Для подавления шумов в кассетных магнитофонах стали применять различные системы шумоподавления.
Катушечный Hi-Fi магнитофон

Катушечный Hi-Fi магнитофон

Все эти ноу-хау применительно к катушечным, более совершенным в плане звучания аппаратам, позволили добиться на технике высокого класса поистине HI-FI звучания. Кассетные же магнитофоны, за редкими исключениями, качества HI-FI не давали.


Миф №3. В аналоговых магнитофонах чисто аналоговый звук

Правда про аналоговый звук в магнитофонах окажется еще более страшная чем 2й миф, т.к. касается не только любителей магнитофонов, но и, как мы выяснили, любителей винила.

В аналоговых магнитофонах чисто аналоговый звукВ любых магнитофонах, и в аналоговых и в цифровых, применяют подмагничивание. Что же это такое? До изобретения подмагничивания звук в магнитофонах был чисто аналоговый и запись получалась ужасно плохого качества 😥

  1. Причина простая – у всех ферромагнетиков (материалов способных к намагничиванию), включая металлы, существует порог намагничивания. Причем это не только верхний порог «насыщения», но и минимально возможная величина магнитной индукции ниже которой намагничивания не происходит.
  2. Это означает следующее – на магнитофонном носителе нет участков намагниченных с нулевым уровнем или с очень малым уровнем, а только на определенную величину. То есть прямая запись без искажений на магнитофоне не возможна.

 

В 30-х годах прошлого века изобрели и усовершенствовали подмагничивание. Работает оно просто – в аудиосигнал добавляется ультразвуковая частота в диапазоне 40-60 КГц с определенной амплитудой — так преодолевается магнитный порог. В итоге мы имеем не запись где расположен спектр частот с амплитудами от нуля, а спектр частот с амплитудами всегда выше нуля. Еще точнее это набор импульсов с частотой от 40 до 60 КГц… Ничего не напоминает? Все верно — мы имеем дело еще не с цифровой, но уже с импульсной техникой. На всех магнитофонах и винилах, запись – импульсно-квантованная во времени. Мне могут возразить, что такая высокая частота не способна записаться на магнитную пленку, но я возражу тем, что подмагничивание то происходит  🙂 . И даже фильтры стоящие на пути высоких частот в усилителе конечно же фильтруют высокие частоты, но то же самое происходит и во время воспроизведения цифрового звука. Увы…

Не хотелось огорчать любителей чисто аналогового звука, мне самому очень нравится звук винила и магнитофоны, я испытываю массу эмоций когда удается послушать настоящий магнитофон или винил. Но реальность такова и ее надо просто принять. В конце концов так было всегда 😉 .


Аналоговый звук и HI-FI. Итог…

Подведем итоги. И виниловая пластинка и даже катушечный магнитофон (за исключением самых совершенных и самых дорогих студийных моделей), не дают нам полного диапазона на который способен человеческий слух. Вердикт прост — аналоговый звук это прошлое. Аналоговый звук и HI-FI не совместимы…


6. Цифровая эпоха, электромеханический период — аналоговый носитель, цифровой формат

Естественным развитием технологии звукозаписи на магнитную ленту явилось применение цифрового метода записи. Магнитофоны, работающие с цифровыми записями, обозначаются аббревиатурой DAT (Digital Audio Tape) или DASH (Digital Audio Stationary Head). На стадии лабораторных прототипов существовало две разновидности DAT-магнитофонов:

  1. S-DAT – с параллельной многодорожечной записью (неподвижной головкой);
  2. R-DAT – имеющий систему записи, аналогичную используемой в видеотехнике — запись блоком головок, размещённых на вращающемся барабане (БВГ).

Ввиду явных преимуществ по скорости доступа, ёмкости и пропускной способности, основной стала технология R-DAT.


DAT-магнитофон

DAT-магнитофонами ведётся запись на ленту оцифрованного аудиосигнала (стандартом предусмотрена запись двух каналов звука) с различной частотой дискретизации (стандартом в настоящее время считается наличие частот 32, 44,1 и 48 кГц). На частоте дискретизации 44,1 кГц с разрядностью 16 бит делаются студийные мастер-записи для подготовки Audio CD.


7. Легендарный Audio CD — первый цифровой носитель

Одним из существенных недостатков всех магнитофонов, включая цифровые, был последовательный доступ, когда для перемещения между записями было необходимо перематывать пленку. Носитель предыдущего поколения — граммпластинка или винил был лишен этого недостатка. Преимущество винила было реализованно в цифровом качестве.

В 1980 году фирмами Philips и Sony выпустили стандарт Red Book, ставший затем стандартом компакт-дисков. В дальнейшем компании раздельно работали над устройствами для воспроизведения CD.

В 1980 году фирмами Philips и Sony выпустили стандарт Red Book

В апреле 1982 года Philips представил свой первый проигрыватель компакт-дисков с потрясающими характеристиками — частотный диапазон 20-20000 Гц, динамический диапазон 96Дб. Цифровой поток — 705 600 бит/с на канал. Время звучания до 80 мин. До сих пор стандарт качества предложенный для компакт-диска является основным и самым популярным среди всех форматов цифрового звука. В современном мире эти характеристики можно считать начальным уровнем HI-FI звучания.

В апреле 1982 года Philips представил свой первый проигрыватель компакт-дисков

В апреле 1982 года Philips представил свой первый проигрыватель компакт-дисков

В 2000 году мировые продажи альбомов на CD достигли своего пика на отметке 2,455 млрд.


7.1 SACD и DVD-Audio

Следующим эволюционным шагом было развитие технологий, базирующихся в компакт диске. Дальнейшее совершенствование пошло двумя путями. Формат Super Audio CD (SACD) был представлен в 1999 году. В мае 2002 года Philips и Crest Digital начали разработку и установку первой производственной линии по производству гибридных дисков SACD в США с производительностью 3 миллиона дисков в год. SACD не достигла такого же уровня роста, как компакт-диски в 1980-х годах, и не была принята основным рынком.

При записи SACD-дисков используется однобитный цифровой формат записи Direct Stream Digital (DSD), обеспечивающий более высокое качество звучания, по сравнению с обычным CD, благодаря более высокой частоте семплирования (до 2,8224 МГц). Частотный диапазон 20-50000 Гц. Динамический диапазон 120 Дб. Время звучания >180 мин. Стереофония 2 канала или 5.1. Цифровой поток — 2 822 400 бит/с на канал.

 SACD диск

Когда в 1996 году был представлен стандарт DVD, аудиоформата DVD-Audio ещё не существовало. DVD Forum искал дополнительную поддержку у звукозаписывающей индустрии для финального определения формата. Выпуск, запланированный на октябрь 1999 года, задерживался до середины 2000 года из-за ряда проблем, вызванных взломом системы защиты цифрового медиаконтента CSS, а также из-за неполной готовности аппаратной части, производственных мощностей и слабой поддержки у звукозаписывающих компаний. К концу 2000 года на рынке было доступно около 50 наименований DVD-Audio, в 2001 году — более 200.

Частотный диапазон 20-96000 Гц. Динамический диапазон 144 Дб (теоретически). Стереофония 2 канала или 5.1 (кроме 192 кГц). Максимальный цифровой поток — 4 608 000 бит/с на канал (24 бит 192 кГц). К сожалению рынок еще не принял это качество как массовое. Эти стандарты можно считать HI-FI будущего.


8. Цифровая эпоха, цифровые носители, цифровые форматы…

До появления цифровых носителей информации, цифровые магнитофоны были единственной возможностью работы с цифровым звуком. Но развитие цифровых, в первую очередь компьютерных систем и появление сначала компактных жестких дисков большой емкости, а затем и флеш-накопителей большой емкости в начале XXI века поставили крест на аналоговых носителях. Началась чисто цифровая эпоха.

В 2006 году продажи компакт дисков сократились почти в два раза. Это было вызвано распространением чисто цифровых форматов которые использовали для своего хранения флеш-накопители и интернет. Именно с этого момента можно переходить к рассмотрению форматов, т. к. носители теряют свою актуальность.

Смерть компакт дисков


9. Интернет, mp3 и деградация звука

Все началось с интернета. С появлением интернета появилась необходимость скачивать музыкальные файлы и вести потоковое вещание. Для этого обычные форматы аудио совершенно не подходили. Просто не хватало скорости передачи информации в сети. В 90-ых годах прошлого века активно велись разработки форматов кодирования звука с потерями качества, т.к. сжатие данных без потерь не давало большого эффекта. Максимальный коэффициент сжатия аудио без потерь 4:1 или даже всего 2:1.

Интернет, mp3 и деградация звука

В 1993 году был достигнут большой успех с разработкой нового формата сжатия аудио с потерями Mpeg 1 Layer 3 или проще «Эмпэ Три».

MP3 использует спектральные отсечения, согласно психоакустической модели. Звуковой сигнал разбивается на равные по продолжительности отрезки, каждый из которых после обработки упаковывается в свой фрейм (кадр). Разложение в спектр требует непрерывности входного сигнала, в связи с этим для расчётов используется также предыдущий и следующий фрейм. В звуковом сигнале есть гармоники с меньшей амплитудой и гармоники, лежащие вблизи более интенсивных — такие гармоники отсекаются, так как среднестатистическое человеческое ухо не всегда сможет определить присутствие либо отсутствие таких гармоник. Такая особенность слуха называется эффектом маскировки.

 

Величина сжатия и качество зависят от так называемого битрэйта, т. е. от количества бит на секунду звука — чем выше битрейт тем выше качество и ниже коэффициент сжатия. Для MP3 стандартными являются битрейты от 8 до 320 kbps. Начиная с битрейта 128 Kbps качество звучание стереотреков можно считать приемлемым для прослушивания на дешевой аппаратуре.


Восприятие звукаВ прошлом было распространено мнение, что запись с битрейтом 128 кбит/c подходит для музыкальных произведений, предназначенных для прослушивания большинством людей, обеспечивая качество звучания Audio-CD. В действительности это не так. На хорошей аппаратуре при использовании качественной акустической системы (колонок или наушников) меломан способен услышать разницу в звучании между mp3 c битрейтами 128kbps и 320kbps, а так же между треками с битрейтом 320 (высшее качество mp3) и звучанием несжатого или сжатого без потерь формата. При сжатиии в mp3 страдают и частотный диапазон и, частично (из-за потерь частотного и грубого квантования) динамический диапазон. Так же пропадает детальность звука во всем диапазоне.

Для меломана, в крайнем случае, допустим формат mp3 с качеством не ниже 320 kbps, но предпочтительными являются форматы без потерь. Конечно тут все индивидуально=)


9.1 Другие форматы с потерями

Существует множество альтернативных форматов. AAC, WMA, Ogg и другие. Все они (последние версии) превосходят по качеству звучания при том же битрейте формат mp3, но я считаю mp3 более предпочтительным так как он стал фактически стандартом.

9.2 Истинный HI-FI или форматы без потерь

Самый распространенный из форматов без потерь (и без сжатия), – компакт диск с характеристиками 44100 Гц 16 бит.

  • Для форматов сжатия без потерь безусловным лидером является свободный и бесплатный формат FLAC.
  • Ну а для аудиофилов лучше всего подойдут форматы DSD (применяется в SuperAudioCD) и DXD (применяется для профессиональной записи и производства SACD).

FLAC

 


Эволюция аудиоэлектроники

Вначале было все просто — никакой электроники=). Потом в начале XX века появились электронные лампы. У них было много недостатков. Для производства качественных ламп требовалась высокая механическая точность оборудования, но даже с этим характеристики выпускавшихся электронных ламп имели большой разброс. Второй недостаток ламп — они требовали мощного источника энергии и грелись, а так же требовали для своей работы предварительного прогрева. Третий недостаток — компактность. Компактность появившихся позднее транзисторов, а затем и микросхем была на порядок выше. Этот и другие недостатки привели к постепенной замене электронных ламп на транзисторы и микросхемы.


Миф №4 — теплый ламповый звук и «холодный» транзисторный

Теплый ламповый звукНемного теории. Что такое теплый звук? Который мы ощущаем как теплый? Дело в акустике, точнее в психоакустике.

Дело в том что мы ассоциируем теплое звучание с мажорными аккордами музыки, а холодное звучание с минорными аккордами и диссонансом. Теперь немного математики и физики. В мажорном гармоническом аккорде преобладают резонансы гармоник над диссонансами. В минорном наоборот. И соответственно в диссонансе гармоники находятся в шумоподобной зависимости. При чем тут лампы и транзисторы? Дело в том, что когда появились первые транзисторы и компактные транзисторные приемники и проигрыватели электронные схемы были зачастую примитивнее ламповых. Добавьте туда не лучшие качественные характеристики первых транзисторов и ответ на поверхности. В некачественных транзисторных электронных схемах высокий процент нелинейных искажений усилителей. А нелинейность есть суть отклонение передаточной функции от линейного гармонического закона.

Все эти негармонические искажения и являются большим набором гармоник-диссонансов, что и дает, в итоге, холодное звучание. На самом деле холодное транзисторное звучание давно в прошлом. Но среди некоторых меломанов существует миф о теплом ламповом звуке. Он из той же оперы что и «HI-FI винилы».


Миф №5. Качество CD – это качество HI-FI

Неужели все так плохо и тут нас ждет очередной подвох? И да, и нет =) Динамический диапазон компакт диска в 96dB действительно достоин хай-фай. Дело в частотном диапозоне.

Напоминаю, что в музыке принят диапазон от 20 до 20000 кГц. Человек слышит звуки и намного ниже, примерно начиная с 14-16 Гц и выше до 17000-2.. тут индивидуально.

Качество CD – это качество HI-FIЧасто ограничителем диапозона звука является акустический тракт и акустическая система (наушники). Например в моих наушниках Sony MDR-XB950AP при проигрывании тестовых треков, на компьютере, со встроенным аудиокодеком 2015 года, слышен диапазон от 15Гц до 15500 Гц. В более дешевых Sony MDR-570LP слышен диапазон от 22 до 16500 Гц. Конечно на лучшей звуковоспроизводящей аппаратуре (например на HI-FI плейере) диапазон будет шире.

Вернемся к компакт диску. В чем же загвоздка? Причина в высоких частотах.

По теореме Котельникова-Шеннона частота дискредитации цифрового сигнала должна, минимум, в 2 раза превосходить максимальную записываемую частоту.

Вот тут то и ответ — минимум. В компакт диске мы имеем частоту квантования 44100 Гц это равно удвоенной частоте 22050 Гц. Казалось бы тут есть даже небольшой запас. Но в реальности все хуже. Дело в том что один период самой высокой частоты (порядка 20000 Гц) записывается всего двумя цифрами, а это значит что частота будет записана с максимальной амплитудой и без искажений только в случае идеального совпадения фаз записываемой частоты и частоты квантования. На практике в эти условия попадают только около 20% всех верхних частот — остальные искажены и записаны с очень низким уровнем громкости. Для частоты порядка 16000 Гц ситуация лучше — на запись одного периода приходится уже 3 цифры квантования, что позволяет записать до 65% частот.

Лучше же всего запишутся верхние частоты от 10000 до приблизительно 14000 Гц. Вот это и есть реальный верхний частотный диапазон CD 🙂 .

Однажды у меня была возможность прослушать эталонную запись (композиция с программного синтезатора) с частотой сэмплирования 44100 и 48000 Гц и я услышал разницу — во втором случае верха звучали «прозрачней». Еще больше разница на записях между 44100 и 96000 Гц (или 192000 Гц). Разрушающее редактирование… Вторая неприятная особенность в компакт диске и форматах 44100 Гц 16 бит в том, что 16 бит достаточно лишь в самых лучших условиях. Даже на студиях звукозаписи раннего периода при производстве компакт дисков использовали аппаратуру с меньшей разрядностью. В цифровых технологиях при обработке сигнала (звука) необходимо иметь запас разрядности так как любая операция по редактированию приводит к потере нескольких бит. В итоге от первоначальных 16 бит при самом простом редактировании может остаться всего 10-12 бит.

Я не занимаюсь редактированием цифрового звука, я его слушаю! (возразит читатель). И тут он будет не прав. Дело в том что любой современный эквалайзер в цифровом (или програмном) плейере, как раз таки осуществляет то самое редактирование. При прослушивании звука в форматах 24 бит и 32 бит таких неприятностей не происходит  😉 .


10. Космический звук — приход истинного HI-FI

Космический звук - приход истинного HI-FIПриход цифрового звука, истинного в современном понимании для HI-FI, многие связывают с появлением компьютеров. Но первые компьютеры были даже не электронными, а электромеханическими. Работали они на основе множества реле. Только позднее в них применили электронные лампы, конечно же для быстродействия.

Настоящее же рождение цифрового звука связано с космосом. Именно для космических аппаратов впервые понадобилась качественная помехоустойчивая связь. Точнее без такой связи этих космических аппаратов бы не было. Сначала связь использовалась для передачи телеметрии, затем для передачи изображений с поверхности Луны и, затем, других планет.

Первые эксперименты с цифровым звуком начались в 60-ых годах XX века. Сначала это были короткие записи отдельных звуков и ее применили музыканты для производства спецэффектов с задержкой. Чуть позднее появились появились первые сэмплеры — музыкальные инструменты способные синтезировать «настоящий» натурально звучащий звук. Постепенно цифровые технологии развивались и дешевели. В первую очередь это связанно с технологиями хранения информации. К 90-ым годам прошлого века начался бум цифрового звука. В настоящее время цифра за редкими исключениями является единственным форматом музыки.

 

Автор статьи: Тепляков Андрей Юрьевич

Музыкант, фотограф, ex-аудиофил, послушал в своё время много дорогой и разной аудиотехники.