Introduzione

Entrare nel mondo dell'audio professionale e della produzione musicale è relativamente facile al giorno d'oggi: basta scaricare una workstation audio digitale (DAW) e iniziare a lavorare al proprio progetto. Spesso queste DAW fanno da sole la maggior parte del lavoro, creando l'ambiente creativo perfetto per il vostro progetto audio.

Tuttavia, quando si iniziano ad approfondire le potenzialità del software, ci si rende conto che ci sono impostazioni audio che si possono regolare per migliorare la qualità dei contenuti. Una di queste impostazioni è senza dubbio la frequenza di campionamento.

Sapere cosa sono le frequenze di campionamento e quale sia la migliore per il vostro progetto è un aspetto fondamentale della produzione audio, che può cambiare drasticamente la qualità delle vostre creazioni. Non esiste una risposta univoca quando si parla di frequenze di campionamento. A seconda del contenuto che state realizzando, dovrete scegliere le impostazioni adatte per garantire risultati ottimali.

In questo articolo spiegherò che cos'è la frequenza di campionamento e perché è essenziale, oltre a indicare quale frequenza di campionamento si dovrebbe utilizzare a seconda che si tratti di un produttore musicale, di un ingegnere audio che lavora nel settore video o di un doppiatore.

Sarebbe impossibile spiegare l'importanza della frequenza di campionamento senza fornire una panoramica dell'udito umano e del modo in cui l'audio viene convertito da analogico a digitale. Inizierò quindi l'articolo con una breve introduzione a questi argomenti.

Si tratta di un argomento complesso e piuttosto tecnico. Cercherò di mantenerlo il più semplice possibile. Tuttavia, una conoscenza di base delle frequenze audio e del modo in cui il suono viaggia nello spazio potrebbe essere utile. Questo articolo può anche aiutare un principiante a scegliere l'impostazione ottimale per le sue sessioni di registrazione.

Immergiamoci!

Alcune cose sull'udito umano

Prima di addentrarci nella complessità delle frequenze di campionamento, vorrei chiarire alcune cose sul modo in cui ascoltiamo e interpretiamo i suoni. Questo ci aiuta a capire come i suoni vengono registrati e riprodotti, fornendo le informazioni necessarie per evidenziare l'importanza della frequenza di campionamento.

Quando un'onda sonora entra nel condotto uditivo e raggiunge il timpano, quest'ultimo vibra e invia le vibrazioni a tre ossicini chiamati malleo, incuso e staffa.

L'orecchio interno trasforma le vibrazioni in energia elettrica e il cervello interpreta il segnale. Ogni suono vibra a una frequenza sinusoidale specifica, che lo rende unico come un'impronta digitale sonora. La frequenza di un'onda sonora ne determina l'altezza.

Gli esseri umani percepiscono la frequenza delle onde sonore come altezza. Siamo in grado di percepire suoni tra i 20 e i 20.000 Hz e siamo più sensibili alle frequenze tra i 2.000 e i 5.000 Hz. Con l'avanzare dell'età, perdiamo la capacità di ascoltare le frequenze più alte. Alcuni animali, come i delfini, sono in grado di percepire frequenze fino a 100.000 Hz; altri, come le balene, possono sentire suoni infrasonici fino a 7 Hz.

Più lunga è la lunghezza d'onda del suono udibile, più bassa è la frequenza. Per esempio, un'onda a bassa frequenza con una lunghezza d'onda fino a 17 metri può corrispondere a 20 Hz. Al contrario, le onde a più alta frequenza, fino a 20.000 Hz, possono essere piccole come 1,7 centimetri.

La gamma di frequenze udibili dall'uomo è limitata e chiaramente definita. Pertanto, i dispositivi di registrazione e riproduzione audio si concentrano sulla cattura dei suoni che l'orecchio umano è in grado di percepire. Tutti i suoni registrati che ascoltate, dai vostri CD preferiti alle registrazioni sul campo nei documentari, sono realizzati con dispositivi che catturano e riproducono con precisione i suoni che l'uomo è in grado di sentire.

La tecnologia si è evoluta in base alle nostre capacità ed esigenze uditive. Esiste un'ampia gamma di frequenze che le nostre orecchie e il nostro cervello non registrano, poiché l'evoluzione ha decretato che non erano necessarie per la nostra sopravvivenza. Tuttavia, oggi abbiamo a disposizione strumenti di registrazione audio che consentono di catturare suoni che anche l'orecchio umano più allenato non sarebbe in grado di riconoscere.

Come vedremo in seguito, è emerso che le frequenze che non riusciamo a sentire possono comunque influenzare quelle all'interno del nostro spettro udibile. Quindi, in un certo senso, è essenziale tenerle in considerazione quando si registra l'audio. D'altra parte, se la registrazione di frequenze al di fuori del nostro spettro udibile abbia un impatto sulla qualità dell'audio è ancora oggetto di dibattito.

La frequenza di campionamento entra in gioco quando si converte un segnale analogico (audio naturale) in dati digitali in modo che i nostri dispositivi elettronici possano elaborarlo e riprodurlo.

Conversione dell'audio analogico in audio digitale

La conversione di un'onda sonora da analogica a digitale richiede un registratore in grado di tradurre i suoni naturali in dati. Pertanto, la transizione tra forme d'onda analogiche e informazioni digitali è un passaggio necessario quando si registra l'audio sul PC attraverso una workstation audio digitale.

Durante la registrazione, le caratteristiche specifiche di un'onda sonora, come la gamma dinamica e la frequenza, vengono tradotte in informazioni digitali: qualcosa che il nostro computer può capire e interpretare. Per trasformare una forma d'onda originale in un segnale digitale, dobbiamo descrivere matematicamente la forma d'onda catturando una grande quantità di "istantanee" di questa forma d'onda fino a quando non riusciamo a descriverne completamente l'ampiezza.

Queste istantanee sono chiamate frequenze di campionamento e ci aiutano a identificare le caratteristiche che definiscono la forma d'onda, in modo che il computer possa ricreare una versione digitale dell'onda sonora che suoni esattamente (o quasi) come l'originale.

Questo processo di conversione del segnale audio da analogico a digitale può essere effettuato da un'interfaccia audio che collega gli strumenti musicali al PC e alla DAW, ricreando l'audio analogico come forma d'onda digitale.

Proprio come la frequenza dei fotogrammi per i video, più informazioni si hanno, meglio è. In questo caso, più alta è la frequenza di campionamento, più informazioni si hanno su uno specifico contenuto di frequenza, che può quindi essere convertito perfettamente in bit di informazione.

Ora che sappiamo come utilizzare le nostre workstation audio digitali per registrare e modificare i suoni, è il momento di esaminare l'importanza della frequenza di campionamento e vedere come influisce sulla qualità dell'audio.

Frequenza di campionamento: una definizione

In parole povere, la frequenza di campionamento è il numero di volte al secondo in cui l'audio viene campionato. Ad esempio, con una frequenza di campionamento di 44,1 kHz, la forma d'onda viene catturata 44100 volte al secondo.

Secondo il teorema di Nyquist-Shannon, la frequenza di campionamento dovrebbe essere almeno due volte la frequenza più alta che si intende catturare per rappresentare accuratamente un segnale audio. Aspetta, cosa?

In poche parole, se si vuole misurare la frequenza di un'onda sonora, è necessario innanzitutto identificare il suo ciclo completo, che comprende una fase positiva e una negativa. Entrambe le fasi devono essere rilevate e campionate se si vuole catturare e ricreare con precisione la frequenza.

Utilizzando la frequenza di campionamento standard di 44,1 kHz, si registrano perfettamente frequenze leggermente superiori a 20.000 Hz, che è il livello di frequenza più alto che l'uomo possa percepire. Questo è anche il motivo per cui 44,1 kHz è ancora considerata la qualità standard per i CD. Tutta la musica che si ascolta su CD ha questa frequenza di campionamento standard.

Perché 44,1 kHz e non 40 kHz? Perché, quando il segnale viene convertito in digitale, le frequenze superiori a quelle udibili dall'uomo vengono filtrate da un filtro passa-basso. L'aggiunta di 4,1 kHz dà al filtro passa-basso spazio sufficiente, in modo da non influenzare il contenuto ad alta frequenza.

L'utilizzo di una frequenza di campionamento più elevata, pari a 96.000 Hz, consente di ottenere una gamma di frequenze fino a 48.000 Hz, ben al di sopra dello spettro uditivo umano. Al giorno d'oggi, le apparecchiature di registrazione musicale di buona qualità consentono di registrare a una frequenza di campionamento ancora più elevata, pari a 192.000 Hz, catturando quindi frequenze audio fino a 96.000 Hz.

Perché abbiamo la possibilità di registrare frequenze così alte se non siamo in grado di sentirle? Molti professionisti e ingegneri audio concordano sul fatto che le frequenze al di sopra dello spettro udibile possono comunque avere un impatto sulla qualità sonora complessiva di una registrazione. La sottile interferenza di questi suoni ultrasonici, se non catturati correttamente, può creare una distorsione che interferisce con le frequenzenello spettro 20 Hz - 20.000 Hz.

A mio parere, l'impatto negativo di queste frequenze ultrasoniche sulla qualità complessiva del suono è trascurabile. Tuttavia, vale la pena di analizzare il problema più comune che si può incontrare durante la registrazione dei suoni. Vi aiuterà a decidere se aumentare la frequenza di campionamento possa migliorare la qualità delle vostre registrazioni.

Aliasing

L'aliasing è un fenomeno che si verifica quando l'audio non viene reinterpretato correttamente dalla frequenza di campionamento utilizzata. Si tratta di un problema importante per i progettisti e gli ingegneri del suono ed è il motivo per cui molti di loro optano per una frequenza di campionamento più elevata per evitare il problema.

Quando le frequenze più alte sono troppo elevate per essere catturate dalla frequenza di campionamento, possono essere riprodotte come frequenze più basse, perché ogni frequenza oltre il limite di Nyquist (che, se si registra a 44,1 kHz, è di 2.050 Hz), l'audio si riflette all'indietro, diventando un "alias" delle frequenze più basse.

Un esempio può aiutare a chiarire questo fenomeno: se si registra un audio con una frequenza di campionamento di 44.100 Hz e durante la fase di missaggio si aggiungono alcuni effetti che spingono le frequenze più alte fino a 26.000 Hz, i 3.950 Hz aggiuntivi rimbalzano e creano un segnale audio di 18.100 Hz che interferisce con le frequenze naturali.

Il modo migliore per evitare questo problema è quello di utilizzare frequenze di campionamento più elevate sulla vostra workstation audio digitale. In questo modo, vi assicurerete che le frequenze superiori a 20.000 Hz vengano catturate correttamente e sarete in grado di utilizzarle se necessario.

Esistono anche filtri passa-basso che scartano le frequenze superiori al limite della frequenza di Nyquist, impedendo così il verificarsi dell'aliasing. Infine, anche l'upsampling tramite plug-in dedicati è un'opzione valida. L'utilizzo della CPU sarà molto più elevato di prima, ma l'aliasing sarà meno probabile.

Le frequenze di campionamento più comuni

Più alta è la frequenza di campionamento, più accurata sarà la rappresentazione dell'onda sonora. Frequenze di campionamento più basse significano meno campioni al secondo. Con meno dati audio, la rappresentazione audio sarà approssimativa, in una certa misura.

I valori più comuni di frequenza di campionamento sono 44,1 kHz e 48 kHz. 44,1 kHz è la frequenza standard per i CD audio. Generalmente, i film utilizzano un audio a 48 kHz. Anche se entrambe le frequenze di campionamento sono in grado di catturare accuratamente l'intero spettro di frequenze dell'udito umano, i produttori musicali e gli ingegneri scelgono spesso di utilizzare frequenze di campionamento più elevate per creare registrazioni ad alta risoluzione.

Quando si tratta di mixare e masterizzare la musica, ad esempio, è essenziale avere il maggior numero di dati possibile e catturare ogni frequenza, che gli ingegneri possono utilizzare per ottenere il suono perfetto. Anche se queste frequenze ultrasoniche non possono essere udite, interagiscono comunque e creano una distorsione di intermodulazione chiaramente udibile.

Ecco le opzioni se volete esplorare alte frequenze di campionamento:

• 88,2 kHz

  Come ho già detto, le frequenze non udibili dall'uomo manipolano e influenzano quelle udibili. Questa frequenza di campionamento è un'opzione eccellente per il missaggio e la masterizzazione della musica: produce meno aliasing (suoni che non possono essere rappresentati correttamente all'interno della frequenza di campionamento utilizzata) durante la conversione da digitale ad analogico.

• 96 kHz

  Analogamente agli 88,2 kHz, la registrazione di musica a 96 kHz è ideale per il missaggio e il mastering. Tuttavia, assicuratevi che il vostro computer sia in grado di gestirla, poiché ogni registrazione richiederà maggiore potenza di elaborazione e spazio di archiviazione.

• 192 kHz

  Le moderne interfacce audio di qualità da studio supportano frequenze di campionamento fino a 192KHz, ovvero quattro volte la qualità standard dei CD, il che può sembrare un po' esagerato. Tuttavia, l'uso di questa frequenza di campionamento può essere utile se si prevede di rallentare notevolmente le registrazioni, in quanto manterrà una qualità audio ad alta risoluzione anche a metà velocità.

Ancora una volta, la differenza tra queste frequenze di campionamento può essere molto sottile, anche se molti tecnici audio ritengono che sia fondamentale ottenere quante più informazioni possibili dalla registrazione originale per ricreare un audio veramente autentico.

Questo approccio è possibile anche grazie ai grandi miglioramenti tecnologici dell'ultimo decennio: lo spazio di archiviazione e le capacità di elaborazione dei computer domestici hanno aumentato drasticamente il potenziale di ciò che possiamo fare con essi. Quindi, perché non sfruttare al meglio ciò che abbiamo a disposizione?

Il problema è che si rischia di sovraccaricare il PC e di aggiungere uno stress inutile all'utilizzo della CPU. Pertanto, a meno che non si percepisca chiaramente una differenza nella qualità delle registrazioni, consiglierei di optare per le frequenze di campionamento standard che sono state utilizzate per anni e che forniscono risultati incontaminati.

Quale frequenza di campionamento utilizzare durante la registrazione?

Ci sono due risposte a questa domanda, una semplice e una più complicata. Cominciamo con la prima.

In generale, la registrazione a 44,1 kHz è un'opzione sicura che consente di ottenere registrazioni di alta qualità, indipendentemente dal tipo di progetto audio a cui si sta lavorando. 44,1 kHz è la frequenza di campionamento più comune per i CD musicali e cattura con precisione l'intero spettro di frequenze udibili.

Questa frequenza di campionamento è ideale perché non consuma molto spazio su disco o potenza della CPU, ma garantisce comunque il suono autentico necessario per le registrazioni professionali.

Se lavorate nell'industria cinematografica, la frequenza di campionamento migliore è 48 kHz, in quanto è lo standard del settore. In termini di qualità audio, non c'è differenza tra queste due frequenze di campionamento.

Ora arriva la risposta più complicata: catturando ogni dettaglio di una registrazione, si garantisce che l'audio sia identico a quello originale. Se si sta registrando un album, le frequenze audio possono essere modulate e regolate al punto che le frequenze ultrasoniche possono influenzare sottilmente quelle udibili.

Se avete abbastanza esperienza e la vostra apparecchiatura vi permette di registrare a una frequenza di campionamento elevata senza problemi, dovreste provare. La questione se la qualità dell'audio migliora con frequenze di campionamento più elevate è ancora discutibile. Potreste non sentire alcuna differenza, oppure rendervi conto che la vostra musica è ora più profonda e ricca. Vi suggerisco di provare tutte le frequenze di campionamento e di sentire voi stessi se cambia qualcosa.

Se avete intenzione di rallentare in modo significativo le vostre registrazioni, dovreste assolutamente provare frequenze di campionamento più elevate. Alcuni tecnici affermano di sentire la differenza tra frequenze di campionamento standard e più elevate, ma anche se fosse così, la differenza di qualità è così trascurabile che il 99,9% degli ascoltatori non la noterà.

Come regolare la frequenza di campionamento sulla DAW

Ogni DAW è diversa, ma quelle che offrono la possibilità di modificare la frequenza di campionamento lo fanno in modo piuttosto simile. Per quanto ne so, è possibile modificare la frequenza di campionamento su tutte le workstation audio digitali più diffuse, come Ableton, FL Studio, Studio One, Cubase, Pro Tools e Reaper. Anche il software gratuito Audacity consente di modificare la frequenza di campionamento.

Nella maggior parte dei casi, è possibile regolare la frequenza di campionamento della DAW nelle preferenze audio. Da lì, è possibile modificare manualmente la frequenza di campionamento e salvare le impostazioni aggiornate. Alcune DAW rilevano automaticamente la frequenza di campionamento ottimale, di solito 44,1 kHz o 96 kHz.

Vi consiglio di fare alcune prove prima di iniziare a registrare. L'aumento della frequenza di campionamento ridurrà senza dubbio la latenza e le possibilità di aliasing, ma sottoporrà la CPU a uno stress aggiuntivo. Inoltre, le dimensioni dei file saranno molto più grandi e, a lungo andare, ciò potrebbe influire sulle prestazioni del computer riducendo lo spazio su disco.

Se volete abbassare la frequenza di campionamento, assicuratevi di non scendere al di sotto dei 44,1 kHz, come previsto dal teorema della frequenza di Nyquist discusso in precedenza.

Qualsiasi cosa facciate, dovete assicurarvi che tutte le frequenze udibili siano catturate con precisione. Tutto il resto ha un impatto minimo sull'audio o può essere risolto in fase di post-produzione.

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Pensieri finali

Se avete uno studio di registrazione domestico, la scelta della frequenza di campionamento è una delle prime decisioni da prendere prima di registrare i suoni.

Essendo io stesso un musicista, suggerisco di iniziare con la frequenza più semplice e comune: 44,1 kHz. Questa frequenza di campionamento cattura l'intero spettro uditivo umano, non occupa molto spazio su disco e non sovraccarica la potenza della CPU. Ma, d'altra parte, registrare a 192 kHz e avere il portatile che si blocca ogni due minuti non ha senso, non è vero?

Gli studi di registrazione professionali possono registrare a 96kHz o addirittura a 192kHz, per poi ricampionare a 44,1kHz in un secondo momento per conformarsi agli standard del settore. Anche le interfacce audio utilizzate per la registrazione domestica consentono frequenze di campionamento fino a 192kHz. Inoltre, la maggior parte delle DAW offre la possibilità di regolare la frequenza di campionamento di conseguenza prima di iniziare la registrazione.

Con il progredire della tecnologia, le frequenze di campionamento a più alta risoluzione potrebbero diventare più popolari. Tuttavia, il miglioramento complessivo in termini di qualità audio rimane discutibile. Fondamentalmente, finché non si scende al di sotto dei 44,1 kHz, non ci sono problemi.

Se avete appena iniziato a lavorare con l'audio, vi consiglio di attenervi alle frequenze di campionamento più comuni. Poi, man mano che progredite e prendete confidenza con le vostre apparecchiature, provate a utilizzare frequenze di campionamento più elevate per verificare se il loro utilizzo ha un impatto effettivo e quantificabile sulla qualità dell'audio.

In caso contrario, risparmiatevi la fatica e scegliete 44,1 kHz. Se gli standard di qualità audio cambiano, potete sempre effettuare il sovracampionamento del vostro materiale audio in futuro. Il sovracampionamento è un processo per lo più automatizzato che non ha un impatto negativo sulla qualità complessiva del suono.

Buona fortuna!