Úvod

Vstup do sveta profesionálnej zvukovej a hudobnej produkcie je v súčasnosti pomerne jednoduchý. Stačí si stiahnuť digitálnu zvukovú pracovnú stanicu (DAW) a začať pracovať na novom projekte. Tieto DAW často robia väčšinu práce samy a vytvárajú dokonalé tvorivé prostredie pre váš zvukový projekt.

Keď však začnete hlbšie skúmať možnosti svojho softvéru, zistíte, že existujú nastavenia zvuku, ktoré môžete upraviť, aby ste zlepšili kvalitu svojho obsahu. Jedným z týchto nastavení je nepochybne vzorkovacia frekvencia.

Vedieť, aké sú vzorkovacie frekvencie a ktorá frekvencia je pre váš projekt najlepšia, je základným aspektom produkcie zvuku. Takým, ktorý môže výrazne zmeniť kvalitu vašich výtvorov. Pokiaľ ide o vzorkovaciu frekvenciu, neexistuje univerzálna odpoveď. V závislosti od obsahu, ktorý uvádzate do života, musíte zvoliť vhodné nastavenia, aby ste zaručili optimálne výsledky.

V tomto článku vysvetlím, čo je to vzorkovacia frekvencia, prečo je nevyhnutná. Tiež sa budem venovať tomu, akú vzorkovaciu frekvenciu by ste mali používať podľa toho, či ste hudobný producent, zvukový inžinier pracujúci vo videu alebo herec hovoriaci hlasom.

Bolo by nemožné vysvetliť význam vzorkovacej frekvencie bez toho, aby sme poskytli prehľad o ľudskom sluchu a o tom, ako sa zvuk prevádza z analógového na digitálny. Preto začnem článok krátkym úvodom do týchto tém.

Toto je zložitá téma a pomerne technicky náročná. Pokúsim sa ju čo najviac zjednodušiť. Pomôže však základné pochopenie zvukových frekvencií a toho, ako sa zvuk šíri priestorom. Tento článok môže začiatočníkom pomôcť aj pri výbere optimálneho nastavenia pre ich nahrávanie.

Poďme sa ponoriť!

Niekoľko vecí o ľudskom sluchu

Skôr ako sa pustíme do zložitostí vzorkovacích frekvencií, chcem objasniť niekoľko vecí o tom, ako počujeme a interpretujeme zvuky. To nám pomôže pochopiť, ako sa zvuky zaznamenávajú a reprodukujú. Získate tak informácie, ktoré potrebujete na zdôraznenie dôležitosti vzorkovacej frekvencie.

Keď zvuková vlna vstúpi do zvukovodu a dostane sa k ušnému bubienku, ten sa rozkmitá a pošle tieto vibrácie do troch drobných kostí nazývaných kladivko, záušnica a strmienok.

Vnútorné ucho transformuje vibrácie na elektrickú energiu. Mozog potom signál interpretuje. Každý zvuk vibruje na špecifickej sínusoidnej frekvencii, vďaka čomu je jedinečný, akoby to bol zvukový odtlačok prsta. Frekvencia zvukovej vlny určuje jej výšku.

Ľudia vnímajú frekvenciu zvukových vĺn ako výšku tónu. Môžeme počuť zvuky s frekvenciou od 20 do 20 000 Hz a najcitlivejší sme na frekvencie od 2 000 do 5 000 Hz. S pribúdajúcim vekom strácame schopnosť počúvať vyššie frekvencie. Niektoré zvieratá, ako napríklad delfíny, počujú frekvencie až do 100 000 Hz; iné, ako napríklad veľryby, počujú infrazvuky s frekvenciou do 7 Hz.

Čím dlhšia je vlnová dĺžka počuteľného zvuku, tým nižšia je jeho frekvencia. Napríklad vlna s nízkou frekvenciou s vlnovou dĺžkou až 17 metrov môže zodpovedať 20 Hz. Naopak, vlny s najvyššou frekvenciou, až do 20 000 Hz, môžu mať len 1,7 cm.

Frekvenčný rozsah počuteľný pre ľudí je obmedzený a jasne definovaný. Preto sa zariadenia na nahrávanie a prehrávanie zvuku zameriavajú na zachytávanie zvukov, ktoré ľudské uši počujú. Všetky nahrané zvuky, ktoré počujete, od vašich obľúbených CD až po terénne nahrávky v dokumentárnych filmoch, sa vytvárajú pomocou zariadení, ktoré presne zachytávajú a reprodukujú zvuky, ktoré ľudia počujú.

Technológia sa vyvinula na základe našich sluchových schopností a potrieb. Existuje široký rozsah frekvencií, ktoré naše uši a mozog nezaregistrujú, pretože evolúcia rozhodla, že nie sú potrebné na naše prežitie. Napriek tomu máme dnes k dispozícii nástroje na nahrávanie zvuku, ktoré umožňujú zachytiť zvuky, ktoré by ani najcvičenejšie ľudské ucho nebolo schopné rozpoznať.

Ako uvidíme ďalej, ukázalo sa, že frekvencie, ktoré nepočujeme, môžu ovplyvniť aj tie, ktoré sú v našom počuteľnom rozsahu. V istom zmysle je teda nevyhnutné brať ich do úvahy pri nahrávaní zvuku. Na druhej strane, či má nahrávanie frekvencií mimo nášho počuteľného spektra vplyv na kvalitu zvuku, je stále predmetom diskusií.

Vzorkovacia frekvencia vstupuje do hry, keď konvertujeme analógový signál (prirodzený) zvuk na digitálne dáta, aby ho naše elektronické zariadenia mohli spracovať a reprodukovať.

Konverzia analógového zvuku na digitálny zvuk

Prevod zvukovej vlny z analógovej na digitálnu si vyžaduje rekordér, ktorý dokáže prevádzať prirodzené zvuky na dáta. Preto je prechod medzi analógovými priebehmi na digitálne informácie nevyhnutným krokom pri nahrávaní zvuku v počítači prostredníctvom digitálnej zvukovej pracovnej stanice.

Pri nahrávaní sa špecifické vlastnosti zvukovej vlny, ako napríklad jej dynamický rozsah a frekvencia, prevedú na digitálne informácie: niečo, čo náš počítač dokáže pochopiť a interpretovať. Na transformáciu pôvodného tvaru vlny na digitálny signál musíme tvar vlny matematicky opísať tak, že zachytíme veľké množstvo "snímok" tohto tvaru vlny, kým nedokážeme úplne opísať jeho amplitúdu.

Tieto snímky sa nazývajú vzorkovacie frekvencie. Pomáhajú nám identifikovať vlastnosti, ktoré definujú tvar vlny, aby počítač mohol znovu vytvoriť digitálnu verziu zvukovej vlny, ktorá znie presne (alebo takmer) ako originál.

Tento proces konverzie zvukového signálu z analógového na digitálny sa môže uskutočniť pomocou zvukového rozhrania. Pripájajú hudobné nástroje k počítaču a DAW, čím sa analógový zvuk obnoví ako digitálny priebeh.

Podobne ako pri snímkovej frekvencii videa platí, že čím viac informácií máme, tým lepšie. V tomto prípade platí, že čím vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým viac informácií máme o konkrétnom frekvenčnom obsahu, ktorý sa potom dá dokonale previesť na bity informácie.

Teraz, keď už vieme, ako používať naše digitálne zvukové pracovné stanice na nahrávanie a úpravu zvukov, je čas pozrieť sa na dôležitosť vzorkovacej frekvencie a zistiť, ako ovplyvňuje kvalitu zvuku.

Vzorkovacia frekvencia: definícia

Jednoducho povedané, vzorkovacia frekvencia je počet vzoriek zvuku za sekundu. Napríklad pri vzorkovacej frekvencii 44,1 kHz sa tvar vlny zachytí 44100-krát za sekundu.

Podľa Nyquist-Shannonovej vety by mala byť vzorkovacia frekvencia aspoň dvojnásobkom najvyššej frekvencie, ktorú chcete zachytiť, aby ste presne reprezentovali zvukový signál. Počkať, čože?

Stručne povedané, ak chcete merať frekvenciu zvukovej vlny, musíte najprv identifikovať jej kompletný cyklus. Ten pozostáva z pozitívnej a negatívnej fázy. Ak chcete presne zachytiť a znovu vytvoriť frekvenciu, je potrebné detekovať a vzorkovať obe fázy.

Použitím štandardnej vzorkovacej frekvencie 44,1 kHz dokonale zaznamenáte frekvencie o niečo vyššie ako 20 000 Hz, čo je najvyššia frekvenčná úroveň, ktorú ľudia môžu počuť. To je tiež dôvod, prečo sa 44,1 kHz stále považuje za štandardnú kvalitu pre disky CD. Všetka hudba, ktorú počúvate na diskoch CD, má túto štandardnú vzorkovaciu frekvenciu.

Prečo teda 44,1 kHz a nie 40 kHz? Pretože pri konverzii signálu na digitálny sa frekvencie nad frekvenciami počuteľnými pre ľudí odfiltrujú cez dolnopriepustný filter. 4,1 kHz navyše dáva dolnopriepustnému filtru dostatok priestoru, takže neovplyvní vysokofrekvenčný obsah.

Použitie vyššej vzorkovacej frekvencie 96 000 Hz vám poskytne rozsah frekvencií až do 48 000 Hz, čo je oveľa vyššie ako spektrum ľudského sluchu. V súčasnosti kvalitné zariadenia na nahrávanie hudby umožňujú nahrávanie s ešte vyššou vzorkovacou frekvenciou 192 000 Hz, a teda zachytenie zvukových frekvencií až do 96 000 Hz.

Prečo máme možnosť nahrávať také vysoké frekvencie, keď ich v prvom rade nepočujeme? Mnohí zvukoví profesionáli a inžinieri sa zhodujú, že frekvencie nad počuteľným spektrom môžu mať stále vplyv na celkovú kvalitu zvuku nahrávky. Jemné rušenie týchto ultrazvukov, ak nie sú správne zachytené, môže spôsobiť skreslenie, ktoré ruší frekvenciev spektre 20 Hz - 20 000 Hz.

Podľa môjho názoru je negatívny vplyv týchto ultrazvukových frekvencií na celkovú kvalitu zvuku zanedbateľný. Napriek tomu stojí za to analyzovať najčastejší problém, s ktorým sa môžete stretnúť pri nahrávaní zvukov. Pomôže vám to rozhodnúť, či by zvýšenie vzorkovacej frekvencie zlepšilo kvalitu vašich nahrávok.

Aliasing

Aliasing je jav, ktorý nastáva vždy, keď zvuk nie je správne reinterpretovaný vzorkovacou frekvenciou, ktorú používate. Je to významný problém pre zvukových dizajnérov a zvukových inžinierov. Je to dôvod, prečo mnohí z nich volia vyššiu vzorkovaciu frekvenciu, aby sa tomuto problému vyhli.

Ak sú vyššie frekvencie príliš vysoké na to, aby ich zachytila vzorkovacia frekvencia, môžu sa reprodukovať ako nižšie frekvencie. Je to preto, že každá frekvencia nad Nyquistovým frekvenčným limitom (čo by v prípade nahrávania pri frekvencii 44,1 kHz bolo 2 050 Hz) sa zvuk odrazí dozadu a stane sa "aliasom" nižších frekvencií.

Príklad by mal pomôcť objasniť tento jav. Ak nahráte zvuk s použitím vzorkovacej frekvencie 44 100 Hz a počas fázy mixovania pridáte nejaké efekty, ktoré posunú vyššie frekvencie až na 26 000 Hz. Z tohto dôvodu by sa ďalších 3 950 Hz odrazilo a vytvorilo zvukový signál s frekvenciou 18 100 Hz, ktorý by rušil prirodzené frekvencie.

Najlepší spôsob, ako sa vyhnúť tomuto problému, je používať vyššie vzorkovacie frekvencie na digitálnej zvukovej pracovnej stanici. Takto sa uistíte, že frekvencie nad 20 000 Hz sú zachytené správne. Potom ich budete môcť použiť, ak to bude potrebné.

Existujú aj dolnopriepustné filtre, ktoré vyradia frekvencie nad Nyquistovým frekvenčným limitom, a tým zabránia vzniku aliasingu. Nakoniec je vhodnou možnosťou aj zvýšenie vzorkovania prostredníctvom špecializovaných zásuvných modulov. Spotreba procesora bude oveľa vyššia ako predtým, ale aliasing bude menej pravdepodobný.

Najbežnejšie hodnoty vzorkovania

Čím vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým presnejšia je reprezentácia zvukových vĺn. Nižšia vzorkovacia frekvencia znamená menej vzoriek za sekundu. S menším počtom zvukových údajov bude reprezentácia zvuku do určitej miery približná.

Najbežnejšie hodnoty vzorkovacej frekvencie sú 44,1 kHz a 48 kHz. 44,1 kHz je štandardná frekvencia pre zvukové disky CD. Vo filmoch sa vo všeobecnosti používa zvuk s frekvenciou 48 kHz. Hoci obe vzorkovacie frekvencie dokážu presne zachytiť celé frekvenčné spektrum ľudského sluchu, hudobní producenti a inžinieri sa často rozhodnú používať vyššie vzorkovacie frekvencie na vytvorenie nahrávok s vysokým rozlíšením.

Napríklad pri mixovaní a masteringu hudby je nevyhnutné mať čo najviac údajov a zachytiť každú frekvenciu, ktorú môžu inžinieri použiť na dosiahnutie dokonalého zvuku. Aj keď tieto ultrazvukové frekvencie nie je počuť, stále na seba vzájomne pôsobia a vytvárajú intermodulačné skreslenie, ktoré je jasne počuteľné.

Tu sú možnosti, ak chcete preskúmať vysoké vzorkovacie frekvencie:

• 88,2 kHz

  Ako som už spomenul, frekvencie, ktoré ľudia nepočujú, stále manipulujú a ovplyvňujú tie počuteľné. Táto vzorkovacia frekvencia je vynikajúcou voľbou na mixovanie a mastering hudby. Pri prevode z digitálnej na analógovú vzorkovaciu frekvenciu vytvára menej aliasingu (zvuky, ktoré nie je možné správne reprezentovať v rámci použitej vzorkovacej frekvencie).

• 96 kHz

  Podobne ako pri frekvencii 88,2 kHz je nahrávanie hudby pri frekvencii 96 kHz ideálne na mixovanie a mastering. Uistite sa však, že to váš počítač zvládne, pretože každá nahrávka si bude vyžadovať viac výpočtového výkonu a úložného priestoru.

• 192 kHz

  Moderné zvukové rozhrania štúdiovej kvality podporujú vzorkovaciu frekvenciu až 192 kHz. To je štvornásobok štandardnej kvality CD, čo sa môže zdať trochu prehnané. Použitie tejto vzorkovacej frekvencie však môže byť užitočné, ak plánujete výrazne spomaliť svoje nahrávky, pretože zachová kvalitu zvuku s vysokým rozlíšením aj pri polovičnej rýchlosti.

Rozdiel medzi týmito vzorkovacími frekvenciami môže byť opäť veľmi jemný. Hoci mnohí zvukoví inžinieri veria, že je nevyhnutné získať čo najviac informácií z pôvodnej nahrávky, aby sa obnovil skutočne autentický zvuk.

Tento prístup je možný aj vďaka obrovskému zdokonaleniu technológií, ktoré sme zažili v poslednom desaťročí. Úložný priestor a možnosti spracovania dát v domácich počítačoch dramaticky zvýšili potenciál toho, čo s nimi môžeme robiť. Prečo teda nevyužiť to, čo máme k dispozícii?

Tu je háčik, hrozí riziko preťaženia počítača a zbytočného zaťaženia procesora. Preto, ak jasne nepočujete rozdiel v kvalite nahrávok, odporúčam zvoliť štandardné vzorkovacie frekvencie, ktoré sa používajú už roky a poskytujú bezchybné výsledky.

Akú vzorkovaciu frekvenciu by ste mali používať pri nahrávaní?

Na túto otázku existujú dve odpovede, jednoduchá a zložitejšia. Začnime tou prvou.

Celkovo je nahrávanie pri frekvencii 44,1 kHz bezpečnou voľbou, ktorá vám poskytne vysokokvalitné nahrávky bez ohľadu na typ zvukového projektu, na ktorom pracujete. 44,1 kHz je najbežnejšia vzorkovacia frekvencia pre hudobné CD. Presne zachytáva celé počuteľné frekvenčné spektrum.

Táto vzorkovacia frekvencia je ideálna, pretože nevyužíva veľa miesta na disku ani väčší výkon procesora. Napriek tomu poskytne autentický zvuk, ktorý potrebujete pre svoje profesionálne nahrávky.

Ak pracujete vo filmovom priemysle, najlepšia vzorkovacia frekvencia je 48 kHz, pretože je to priemyselný štandard. Z hľadiska kvality zvuku nie je medzi týmito dvoma vzorkovacími frekvenciami žiadny rozdiel.

Teraz prichádza zložitejšia odpoveď. Zachytením každého detailu nahrávky zabezpečíte, aby bol zvuk identický s pôvodným zvukom. Ak nahrávate album, zvukové frekvencie môžu byť modulované a upravené do takej miery, že ultrazvukové frekvencie môžu jemne ovplyvniť tie počuteľné.

Ak máte dostatok skúseností a vaše zariadenie vám umožňuje nahrávať s vysokou vzorkovacou frekvenciou bez problémov, mali by ste to skúsiť. Otázka, či sa kvalita zvuku zlepší s vyššou vzorkovacou frekvenciou, je stále diskutabilná. Možno nebudete počuť žiadny rozdiel, alebo si uvedomíte, že vaša hudba je teraz hlbšia a bohatšia. Odporúčam vám vyskúšať všetky vzorkovacie frekvencie a počuť na vlastné uši, či sa niečo zmení.

Ak plánujete výrazne spomaliť svoje nahrávky, určite by ste mali vyskúšať vyššie vzorkovacie frekvencie. Niektorí inžinieri tvrdia, že počujú rozdiel medzi štandardnými a vyššími vzorkovacími frekvenciami. Aj keby však počuli, rozdiel v kvalite je taký zanedbateľný, že 99,9 % poslucháčov si ho nevšimne.

Ako upraviť vzorkovaciu frekvenciu v DAW

Každý DAW je iný, ale tie, ktoré ponúkajú možnosť zmeny vzorkovacej frekvencie, to robia trochu podobným spôsobom. Pokiaľ viem, vzorkovaciu frekvenciu môžete zmeniť vo všetkých najpopulárnejších digitálnych zvukových pracovných staniciach, ako sú Ableton, FL Studio, Studio One, Cubase, Pro Tools a Reaper. Dokonca aj bezplatný softvér Audacity umožňuje zmenu vzorkovacej frekvencie.

Vo väčšine prípadov budete môcť nastaviť vzorkovaciu frekvenciu svojho DAW v nastaveniach zvuku. Odtiaľ môžete manuálne zmeniť vzorkovaciu frekvenciu a uložiť aktualizované nastavenia. Niektoré DAW automaticky zistia optimálnu vzorkovaciu frekvenciu, zvyčajne 44,1 kHz alebo 96 kHz.

Pred začatím nahrávania odporúčam vykonať niekoľko testov. Zvýšenie vzorkovacej frekvencie nepochybne zníži latenciu a pravdepodobnosť vzniku aliasingu. Zároveň však zaťaží váš procesor. V konečnom dôsledku budete mať aj oveľa väčšie veľkosti súborov. Z dlhodobého hľadiska to môže ovplyvniť výkon počítača znížením miesta na disku.

Ak chcete znížiť vzorkovaciu frekvenciu, uistite sa, že nepôjdete pod 44,1 kHz, ako je uvedené v Nyquistovej vete o frekvencii.

Nech už robíte čokoľvek, musíte zabezpečiť, aby boli všetky počuteľné frekvencie zachytené presne. Všetko ostatné má na zvuk minimálny vplyv alebo sa dá opraviť počas postprodukcie.

Môže sa vám tiež páčiť: Najlepší DAW pre iPad

Záverečné myšlienky

Ak máte domáce nahrávacie štúdio, výber vzorkovacej frekvencie je jedným z prvých rozhodnutí, ktoré musíte urobiť pred nahrávaním zvukov.

Sám ako hudobník odporúčam začať s najjednoduchšou a najbežnejšou frekvenciou: 44,1 kHz. Táto vzorkovacia frekvencia zachytáva celé spektrum ľudského sluchu, nezaberá veľa miesta na disku a nezaťažuje výkon vášho procesora. Ale na druhej strane, nahrávať pri 192 kHz a mať každé dve minúty zamrznutý notebook nemá zmysel, však?

Profesionálne nahrávacie štúdiá môžu nahrávať s frekvenciou 96 kHz alebo dokonca 192 kHz. Neskôr môžu vzorkovať na 44,1 kHz, aby sa dodržali priemyselné normy. Dokonca aj zvukové rozhrania používané na domáce nahrávanie umožňujú vzorkovacie frekvencie až do 192 kHz. Okrem toho väčšina DAW ponúka možnosť príslušne upraviť vzorkovaciu frekvenciu pred začatím nahrávania.

S rozvojom technológií sa môže stať, že vzorkovacia frekvencia s vyšším rozlíšením bude populárnejšia. Celkové zlepšenie z hľadiska kvality zvuku však zostáva diskutabilné. V zásade platí, že pokiaľ nepôjdete nižšie ako 44,1 kHz, budete úplne v poriadku.

Ak ste práve začali pracovať so zvukom, odporúčam vám, aby ste sa držali najbežnejších vzorkovacích frekvencií. Potom, keď pokročíte a získate väčšiu istotu so svojím zariadením, vyskúšajte vyššie vzorkovacie frekvencie. Uvidíte, či ich používanie má skutočný, merateľný vplyv na kvalitu zvuku.

Ak nie, ušetrite si problémy a vyberte si frekvenciu 44,1 kHz. Ak sa zmenia normy kvality zvuku, vždy môžete v budúcnosti zvýšiť vzorkovanie zvukového materiálu. Zvýšenie vzorkovania je väčšinou automatizovaný proces, ktorý nemá negatívny vplyv na celkovú kvalitu zvuku.

Veľa šťastia!