Wstęp

Wejście w świat profesjonalnego audio i produkcji muzycznej jest w dzisiejszych czasach stosunkowo łatwe. Wystarczy pobrać cyfrową stację roboczą audio (DAW) i rozpocząć pracę nad nowym projektem. Często te DAW-y wykonują większość pracy same, tworząc idealne środowisko twórcze dla Twojego projektu audio.

Jednak gdy zaczniesz zagłębiać się w możliwości swojego oprogramowania, zdasz sobie sprawę, że istnieją ustawienia audio, które możesz dostosować, aby poprawić jakość swoich treści. Jednym z tych ustawień jest bez wątpienia częstotliwość próbkowania.

Wiedza o tym, czym są częstotliwości próbkowania i która z nich jest najlepsza dla Twojego projektu, jest fundamentalnym aspektem produkcji audio, który może diametralnie zmienić jakość Twoich kreacji. Nie ma jednej uniwersalnej odpowiedzi, jeśli chodzi o częstotliwość próbkowania. W zależności od treści, którą ożywiasz, będziesz musiał wybrać odpowiednie ustawienia, aby zagwarantować optymalne rezultaty.

W tym artykule wyjaśnię, co to jest częstotliwość próbkowania, dlaczego jest ona niezbędna, a także omówię, jakiej częstotliwości próbkowania powinieneś używać w zależności od tego, czy jesteś producentem muzycznym, inżynierem dźwięku pracującym przy nagraniach wideo, czy aktorem podkładającym głos.

Nie sposób wyjaśnić znaczenia częstotliwości próbkowania bez przedstawienia ogólnego zarysu ludzkiego słuchu i tego, jak dźwięk jest konwertowany z postaci analogowej na cyfrową. Zacznę więc ten artykuł od krótkiego wprowadzenia do tych tematów.

Jest to złożony temat i dość ciężki technicznie. Postaram się, aby był jak najbardziej prosty. Jednak podstawowe zrozumienie częstotliwości audio i tego, jak dźwięk przemieszcza się w przestrzeni byłoby pomocne. Ten artykuł może również pomóc nowicjuszowi w wyborze optymalnej konfiguracji dla jego sesji nagraniowych.

Zanurzmy się!

Kilka rzeczy o ludzkim słuchu

Zanim zagłębimy się w zawiłości związane z częstotliwością próbkowania, chciałbym wyjaśnić kilka rzeczy na temat tego, jak słyszymy i interpretujemy dźwięki. Pomaga nam to zrozumieć, w jaki sposób dźwięki są rejestrowane i odtwarzane. Dzięki temu otrzymujemy informacje potrzebne do podkreślenia znaczenia częstotliwości próbkowania.

Dźwięk przemieszcza się w powietrzu w postaci fal. Kiedy fala dźwiękowa wchodzi do kanału słuchowego i dociera do błony bębenkowej, ta wibruje i przesyła te wibracje do trzech małych kości zwanych młoteczkiem, siekaczem i strzemiączkiem.

Ucho wewnętrzne przekształca wibracje w energię elektryczną. Mózg następnie interpretuje sygnał. Każdy dźwięk wibruje z określoną częstotliwością sinusoidalną, dzięki czemu jest unikalny, jak soniczny odcisk palca. Częstotliwość fali dźwiękowej określa jej wysokość.

Ludzie postrzegają częstotliwość fal dźwiękowych jako wysokość dźwięku. Słyszymy dźwięki o częstotliwości od 20 do 20 000 Hz i jesteśmy najbardziej wrażliwi na częstotliwości od 2 000 do 5 000 Hz. Z wiekiem tracimy zdolność do słuchania wyższych częstotliwości. Niektóre zwierzęta, jak delfiny, słyszą częstotliwości do 100 000 Hz; inne, jak wieloryby, słyszą dźwięki infradźwiękowe o częstotliwości do 7 Hz.

Im większa długość fali słyszalnego dźwięku, tym niższa częstotliwość. Na przykład fala o niskiej częstotliwości, której długość fali wynosi do 17 metrów, może odpowiadać 20 Hz. I odwrotnie, fale o najwyższej częstotliwości, do 20 000 Hz, mogą mieć wielkość zaledwie 1,7 centymetra.

Zakres częstotliwości słyszalnych przez ludzi jest ograniczony i jasno określony. Dlatego urządzenia do nagrywania i odtwarzania dźwięku koncentrują się na uchwyceniu dźwięków słyszalnych przez ludzkie uszy. Wszystkie nagrane dźwięki, które słyszysz, od ulubionych płyt CD po nagrania terenowe w filmach dokumentalnych, zostały wykonane przy użyciu urządzeń, które precyzyjnie przechwytują i odtwarzają dźwięki słyszalne przez ludzi.

Technologia ewoluowała w oparciu o nasze możliwości i potrzeby słuchowe. Istnieje szeroki zakres częstotliwości, których nasze uszy i mózgi nie zarejestrują, ponieważ ewolucja zadecydowała, że nie są one niezbędne do naszego przetrwania. Niemniej jednak, dzisiaj mamy do dyspozycji narzędzia do nagrywania dźwięku, które pozwalają uchwycić dźwięki, których nawet najbardziej wyszkolone ludzkie ucho nie byłoby w stanie rozpoznać.

Jak zobaczymy poniżej, okazuje się, że częstotliwości, których nie słyszymy, mogą nadal wpływać na te w naszym słyszalnym zakresie. W pewnym sensie jest więc konieczne, aby wziąć je pod uwagę podczas nagrywania dźwięku. Z drugiej strony, czy nagrywanie częstotliwości poza naszym słyszalnym spektrum ma wpływ na jakość dźwięku, jest nadal kwestią dyskusyjną.

Częstotliwość próbkowania wchodzi w grę, gdy konwertujemy sygnał analogowy (naturalny) audio na dane cyfrowe, aby nasze urządzenia elektroniczne mogły go przetworzyć i odtworzyć.

Konwersja dźwięku analogowego na cyfrowy

Konwersja fali dźwiękowej z analogowej na cyfrową wymaga rejestratora, który może przetłumaczyć naturalne dźwięki na dane. Dlatego przejście między analogowymi przebiegami a informacjami cyfrowymi jest niezbędnym krokiem podczas nagrywania dźwięku na komputerze za pośrednictwem cyfrowej stacji roboczej audio.

Podczas nagrywania, specyficzne cechy fali dźwiękowej, takie jak jej zakres dynamiczny i częstotliwość, są przekładane na cyfrowe informacje: coś, co nasz komputer może zrozumieć i zinterpretować. Aby przekształcić oryginalny kształt fali w sygnał cyfrowy, musimy opisać go matematycznie, przechwytując dużą ilość "migawek" tego kształtu fali, aż będziemy mogli w pełni opisać jego amplitudę.

Te migawki nazywane są częstotliwością próbkowania. Pomagają nam one zidentyfikować cechy definiujące przebieg fali, dzięki czemu komputer może odtworzyć cyfrową wersję fali dźwiękowej, która brzmi dokładnie (lub prawie) jak oryginał.

Ten proces konwersji sygnału audio z analogowego na cyfrowy może być wykonany przez interfejs audio. Podłączają one instrumenty muzyczne do komputera i DAW, odtwarzając analogowy dźwięk jako cyfrowy przebieg.

Podobnie jak w przypadku liczby klatek na sekundę dla filmów, im więcej informacji, tym lepiej. W tym przypadku, im wyższa częstotliwość próbkowania, tym więcej mamy informacji o konkretnej treści częstotliwości, którą następnie można doskonale przetworzyć na bity informacji.

Teraz, gdy wiemy już jak używać naszych cyfrowych stacji roboczych audio do nagrywania i edycji dźwięków, nadszedł czas, aby przyjrzeć się znaczeniu częstotliwości próbkowania i zobaczyć jak wpływa ona na jakość dźwięku.

Częstotliwość próbkowania: Definicja

Mówiąc najprościej, częstotliwość próbkowania to ilość razy na sekundę, z jaką próbkowany jest dźwięk. Na przykład przy częstotliwości próbkowania 44,1 kHz, kształt fali jest przechwytywany 44100 razy na sekundę.

Zgodnie z twierdzeniem Nyquista-Shannona, częstotliwość próbkowania powinna być co najmniej dwa razy większa niż najwyższa częstotliwość, którą zamierzamy uchwycić, aby dokładnie odwzorować sygnał audio. Zaraz, co?

W skrócie, jeśli chcesz zmierzyć częstotliwość fali dźwiękowej, musisz najpierw zidentyfikować jej pełny cykl. Składa się on z etapu dodatniego i ujemnego. Oba etapy muszą być wykryte i próbkowane, jeśli chcesz precyzyjnie uchwycić i odtworzyć częstotliwość.

Używając standardowej częstotliwości próbkowania 44,1 kHz, doskonale nagrywa się częstotliwości nieco wyższe niż 20 000 Hz, co jest najwyższym poziomem częstotliwości słyszalnym dla człowieka. To również dlatego 44,1 kHz jest nadal uważane za standardową jakość dla płyt CD. Cała muzyka, której słuchasz na płytach CD, ma tę standardową częstotliwość próbkowania.

Dlaczego więc 44,1 kHz, a nie 40 kHz? Ponieważ, gdy sygnał jest konwertowany do postaci cyfrowej, częstotliwości powyżej tych słyszalnych przez człowieka są filtrowane przez filtr dolnoprzepustowy. Dodatkowe 4,1 kHz daje filtrowi dolnoprzepustowemu wystarczająco dużo miejsca, więc nie wpłynie na zawartość wysokich częstotliwości.

Użycie wyższej częstotliwości próbkowania 96 000 Hz zapewni Ci zakres częstotliwości do 48 000 Hz, czyli znacznie powyżej ludzkiego spektrum słuchu. Obecnie dobrej jakości sprzęt do nagrywania muzyki pozwala na nagrywanie z jeszcze wyższą częstotliwością próbkowania 192 000 Hz, co pozwala na uchwycenie częstotliwości audio do 96 000 Hz.

Dlaczego mamy możliwość nagrywania tak wysokich częstotliwości, jeśli nie możemy ich usłyszeć w pierwszej kolejności? Wielu specjalistów i inżynierów audio zgadza się, że częstotliwości powyżej słyszalnego spektrum mogą nadal mieć wpływ na ogólną jakość dźwięku nagrania. Subtelne zakłócenia tych ultradźwięków, jeśli nie są prawidłowo uchwycone, mogą tworzyć zniekształcenia, które zakłócają częstotliwościw zakresie 20 Hz - 20 000 Hz.

Moim zdaniem negatywny wpływ tych częstotliwości ultradźwiękowych na ogólną jakość dźwięku jest znikomy. Niemniej jednak warto przeanalizować najczęstszy problem, na jaki można się natknąć podczas nagrywania dźwięków. Pomoże Ci to zdecydować, czy zwiększenie częstotliwości próbkowania poprawiłoby jakość Twoich nagrań.

Aliasing

Aliasing jest zjawiskiem, które pojawia się, gdy dźwięk nie jest poprawnie interpretowany przez częstotliwość próbkowania, której używasz. Jest to poważny problem dla projektantów dźwięku i inżynierów dźwięku, dlatego wielu z nich decyduje się na wyższą częstotliwość próbkowania, aby uniknąć tego problemu.

Gdy wyższe częstotliwości są zbyt wysokie, aby mogły być uchwycone przez częstotliwość próbkowania, mogą być odtwarzane jako niższe częstotliwości. Dzieje się tak dlatego, że każda częstotliwość powyżej granicy częstotliwości Nyquista (która, jeśli nagrywasz z częstotliwością 44,1 kHz, wynosi 2,050 Hz), dźwięk będzie odbijał się do tyłu, stając się "aliasem" niższych częstotliwości.

Przykład powinien pomóc w wyjaśnieniu tego zjawiska. Jeśli nagrywasz dźwięk z częstotliwością próbkowania 44,100 Hz i podczas fazy miksowania dodajesz pewne efekty, które przesuwają wyższe częstotliwości do 26,000 Hz. Z tego powodu dodatkowe 3,950 Hz odbije się i stworzy sygnał audio o częstotliwości 18,100 Hz, który zakłóci naturalne częstotliwości.

Najlepszym sposobem na uniknięcie tego problemu jest zastosowanie wyższej częstotliwości próbkowania w cyfrowej stacji roboczej audio. W ten sposób upewnisz się, że częstotliwości powyżej 20,000 Hz są prawidłowo przechwytywane. Następnie będziesz mógł je wykorzystać, jeśli będzie to konieczne.

Istnieją również filtry dolnoprzepustowe, które odrzucają częstotliwości powyżej granicy częstotliwości Nyquista i w ten sposób zapobiegają występowaniu aliasingu. Wreszcie, upsampling poprzez dedykowane wtyczki jest również ważną opcją. Zużycie procesora będzie znacznie wyższe niż wcześniej, ale prawdopodobieństwo wystąpienia aliasingu będzie mniejsze.

Najczęściej spotykane szybkości próbkowania

Im wyższa częstotliwość próbkowania, tym dokładniejsza będzie reprezentacja fali dźwiękowej. Niższa częstotliwość próbkowania oznacza mniejszą ilość próbek na sekundę. Przy mniejszej ilości danych audio, reprezentacja dźwięku będzie w pewnym stopniu przybliżona.

Najpopularniejsze wartości częstotliwości próbkowania to 44,1 kHz i 48 kHz. 44,1 kHz to standardowa częstotliwość dla płyt CD audio. Generalnie w filmach używa się dźwięku 48 kHz. Mimo że obie częstotliwości próbkowania mogą dokładnie uchwycić całe spektrum częstotliwości ludzkiego słuchu, producenci muzyczni i inżynierowie często wybierają wyższe częstotliwości próbkowania, aby stworzyć nagrania hi-res.

Na przykład, jeśli chodzi o miksowanie i mastering muzyki, ważne jest, aby mieć jak najwięcej danych i uchwycić każdą częstotliwość, którą inżynierowie mogą wykorzystać do dostarczenia idealnego dźwięku. Nawet jeśli te częstotliwości ultradźwiękowe nie są słyszalne, nadal oddziałują na siebie i tworzą zniekształcenia intermodulacyjne, które są wyraźnie słyszalne.

Oto opcje, jeśli chcesz zbadać wysokie częstotliwości próbkowania:

• 88,2 kHz

  Jak wspomniałem wcześniej, częstotliwości, których człowiek nie słyszy, nadal manipulują i wpływają na te słyszalne. Ta częstotliwość próbkowania jest doskonałą opcją dla miksowania i masteringu muzyki. Produkuje mniej aliasingu (dźwięki, które nie mogą być reprezentowane poprawnie w ramach użytej częstotliwości próbkowania) podczas konwersji z cyfrowego na analogowy.

• 96 kHz

  Podobnie jak w przypadku 88,2 kHz, nagrywanie muzyki w 96 kHz jest idealne do miksowania i masteringu. Upewnij się jednak, że twój komputer może to obsłużyć, ponieważ każde nagranie będzie wymagało większej mocy obliczeniowej i przestrzeni dyskowej.

• 192 kHz

  Nowoczesne interfejsy audio o jakości studyjnej obsługują częstotliwość próbkowania do 192KHz. Jest to czterokrotność standardowej jakości CD, co może wydawać się lekką przesadą. Jednak użycie tej częstotliwości próbkowania może być pomocne, jeśli planujesz znacznie spowolnić swoje nagrania, ponieważ zachowają one jakość dźwięku hi-res nawet przy połowie prędkości.

Różnica pomiędzy tymi częstotliwościami próbkowania może być bardzo subtelna, jednak wielu inżynierów dźwięku uważa, że fundamentalne znaczenie ma uzyskanie jak największej ilości informacji z oryginalnego nagrania, aby odtworzyć dźwięk, który jest naprawdę autentyczny.

Takie podejście jest możliwe również dzięki ogromnemu postępowi technologicznemu, jakiego doświadczyliśmy w ciągu ostatniej dekady. Przestrzeń dyskowa komputerów domowych i możliwości przetwarzania danych radykalnie zwiększyły potencjał tego, co możemy z nimi zrobić. Dlaczego więc nie wykorzystać w pełni tego, co mamy do dyspozycji?

Istnieje ryzyko przeciążenia komputera i zwiększenia obciążenia procesora. Dlatego też, o ile nie usłyszysz wyraźnej różnicy w jakości swoich nagrań, zalecam wybór standardowych częstotliwości próbkowania, które są używane od lat i zapewniają nieskazitelne rezultaty.

Jakiej częstotliwości próbkowania należy używać podczas nagrywania?

Na to pytanie są dwie odpowiedzi, prosta i bardziej skomplikowana, zacznijmy od tej pierwszej.

Ogólnie rzecz biorąc, nagrywanie z częstotliwością 44.1kHz jest bezpieczną opcją, która zapewni Ci wysokiej jakości nagrania, niezależnie od rodzaju projektu audio, nad którym pracujesz. 44.1kHz jest najczęściej stosowaną częstotliwością próbkowania dla płyt CD z muzyką. Dokładnie oddaje całe słyszalne spektrum częstotliwości.

Taka częstotliwość próbkowania jest idealna, ponieważ nie zajmuje dużo miejsca na dysku ani nie zwiększa mocy procesora, a mimo to zapewnia autentyczny dźwięk, którego potrzebujesz do swoich profesjonalnych nagrań.

Jeśli pracujesz w przemyśle filmowym, to najlepszą częstotliwością próbkowania jest 48 kHz, ponieważ jest to standard branżowy. Pod względem jakości dźwięku nie ma różnicy między tymi dwoma częstotliwościami próbkowania.

Teraz przychodzi bardziej skomplikowana odpowiedź. Przechwytując każdy szczegół nagrania, zapewnisz, że dźwięk jest identyczny z oryginalnym dźwiękiem. Jeśli nagrywasz album, częstotliwości audio mogą być modulowane i dostosowane do punktu, w którym częstotliwości ultradźwiękowe mogą subtelnie wpływać na słyszalne.

Jeśli masz wystarczające doświadczenie i twój sprzęt pozwala na nagrywanie z wysoką częstotliwością próbkowania bez problemów, powinieneś spróbować. Kwestia tego, czy jakość dźwięku poprawia się przy wyższych częstotliwościach próbkowania jest nadal dyskusyjna. Możesz nie usłyszeć żadnej różnicy, lub możesz zdać sobie sprawę, że twoja muzyka jest teraz głębsza i bogatsza. Sugeruję, abyś wypróbował wszystkie częstotliwości próbkowania i usłyszał sam, czy coś się zmieniło.

Jeśli planujesz znacznie spowolnić swoje nagrania, powinieneś zdecydowanie wypróbować wyższą częstotliwość próbkowania. Niektórzy inżynierowie twierdzą, że słyszą różnicę między standardową a wyższą częstotliwością próbkowania. Jednak nawet jeśli tak jest, różnica w jakości jest tak znikoma, że 99,9% słuchaczy jej nie zauważy.

Jak dostosować częstotliwość próbkowania w programie DAW

Każdy DAW jest inny, ale te, które oferują możliwość zmiany częstotliwości próbkowania, robią to w nieco podobny sposób. Z tego co wiem, można zmienić częstotliwość próbkowania we wszystkich najpopularniejszych cyfrowych stacjach roboczych audio, takich jak Ableton, FL Studio, Studio One, Cubase, Pro Tools i Reaper. Nawet darmowy program Audacity umożliwia zmianę częstotliwości próbkowania.

W większości przypadków będziesz mógł dostosować częstotliwość próbkowania w swoim DAW w preferencjach audio. Stamtąd możesz ręcznie zmienić częstotliwość próbkowania i zapisać zaktualizowane ustawienia. Niektóre DAW automatycznie wykrywają optymalną częstotliwość próbkowania, zwykle 44.1kHz lub 96 kHz.

Zalecam wykonanie kilku testów przed rozpoczęciem nagrywania. Zwiększenie częstotliwości próbkowania bez wątpienia zmniejszy latencję i szanse na wystąpienie aliasingu. Jednak spowoduje to również dodatkowe obciążenie procesora. Skończy się to również znacznie większymi rozmiarami plików. W dłuższej perspektywie może to wpłynąć na wydajność komputera poprzez zmniejszenie przestrzeni dyskowej.

Jeśli chcesz zmniejszyć częstotliwość próbkowania, upewnij się, że nie schodzisz poniżej 44,1 kHz, zgodnie z omówionym powyżej twierdzeniem o częstotliwości Nyquista.

Cokolwiek robisz, musisz mieć pewność, że wszystkie słyszalne częstotliwości są dokładnie uchwycone. Wszystko inne ma minimalny wpływ na dźwięk lub może być naprawione podczas postprodukcji.

Możesz też polubić: Najlepszy DAW dla iPada

Myśli końcowe

Jeśli masz domowe studio nagrań, wybór częstotliwości próbkowania jest jedną z pierwszych decyzji, które będziesz musiał podjąć przed nagraniem dźwięków.

Jako muzyk sugeruję zacząć od najprostszej, najczęściej stosowanej częstotliwości: 44.1kHz. Ta częstotliwość próbkowania oddaje całe spektrum ludzkiego słuchu, nie zajmuje dużo miejsca na dysku i nie obciąża zbytnio mocy procesora. Ale z drugiej strony, nagrywanie z częstotliwością 192KHz i zamarzanie laptopa co dwie minuty nie ma sensu, prawda?

Profesjonalne studia nagrań mogą nagrywać z częstotliwością 96kHz lub nawet 192kHz. Później resamplować do 44.1kHz, aby spełnić standardy branżowe. Nawet interfejsy audio używane do nagrywania w domu pozwalają na częstotliwość próbkowania do 192kHz. Ponadto większość DAW oferuje możliwość odpowiedniego dostosowania częstotliwości próbkowania przed rozpoczęciem nagrywania.

W miarę postępu technologicznego, wyższa rozdzielczość częstotliwości próbkowania może stać się bardziej popularna. Jednakże, ogólna poprawa w zakresie jakości dźwięku pozostaje dyskusyjna. Zasadniczo, tak długo jak nie schodzisz poniżej 44.1kHz, będziesz absolutnie w porządku.

Jeśli dopiero zaczynasz pracę z dźwiękiem, zalecałbym trzymanie się najbardziej popularnych częstotliwości próbkowania. Następnie, w miarę postępów i nabierania pewności siebie, wypróbuj wyższe częstotliwości próbkowania. Zobacz, czy używanie ich ma rzeczywisty, wymierny wpływ na jakość dźwięku.

Jeśli nie, oszczędź sobie kłopotu i wybierz 44.1kHz. Jeśli standardy jakości dźwięku ulegną zmianie, zawsze możesz w przyszłości dokonać upsamplingu materiału audio. Upsampling jest w większości zautomatyzowanym procesem, który nie ma negatywnego wpływu na ogólną jakość dźwięku.

Powodzenia!