Вокруг Света 2006 № 05 (2788) - [39]

Егор Быковский

Правильная цифра

Музыка, которую мы слушаем дома, в метро, машине или на лекциях, записана на разнообразные носители и проигрывается, соответственно, с самым разным качеством. Между тем человеческое ухо способно чрезвычайно тонко различать малейшие нюансы качества записи. Так что звук, который нас сопровождает теперь повсюду, иногда в буквальном смысле слова отравляет нам жизнь.

До 1982 года, когда на заводе в Лангенхагене, под Ганновером, началось массовое производство компакт-дисков (CD), мир потреблял «музыкальные консервы» только с аналоговых носителей: виниловых грампластинок и магнитных лент. Хорошие виниловые пластинки, проигрываемые на хорошей аппаратуре, давали превосходное качество звука, однако, увы, с каждым прослушиванием немного портились как от механического износа при движении иглы по звуковой бороздке, так и от всепроникающей пыли. То есть «винил», как бы это странно ни звучало, был… одноразовым. Конечно, производители аппаратуры пытались бороться с такими недостатками: создавали бесконтактные считыватели информации с бороздок, помещали пластинки в жидкую среду и так далее, но все эти агрегаты являлись очень дорогостоящими и редкими. Приемлемого решения для массовых изделий так и не нашли. Что касается магнитофонов, то им для безупречного воспроизведения требовались прецизионные считывающие головки и относительно большая скорость протяжки ленты. Кроме того, со временем лента размагничивалась, магнитный слой осыпался. Но главный недостаток магнитной записи, как, впрочем, и любого аналогового тиражирования, — неизбежные потери качества при копировании.

В 1979 году, за три года до начала массового производства компакт-дисков, компании Sony и Philips предложили стандарт Red Book («Красная Книга») на цифровую запись звука. Аналоговый звук по новому стандарту оцифровывается и записывается в виде спиральной дорожки из чередующихся нулей и единиц (микронных лунок-питов и гладкой поверхности) на 12-сантиметровый, чуть толще миллиметра, диск из поликарбоната, покрытый поначалу тончайшим слоем золота, позже — алюминия. Лазер проигрывающего устройства освещает такой диск и детектирует двоичные «нули» и «единички», которые после соответствующей обработки превращаются обратно в звук. Понятно, что если в случае аналоговой записи и воспроизведения ошибиться на малую долю вольта довольно просто, то в случае цифровой — перепутать нуль с единицей, при должном отношении сигнал—шум, практически невозможно. Более того, возможные проблемы, связанные с ошибками при считывании и царапинами на поверхности диска, в большинстве случаев компенсировались специально разработанным цифровым методом коррекции ошибок. В результате уменьшились не только физические размеры диска-носителя по сравнению с виниловой пластинкой, но и заметно увеличилась музыкальная емкость: до 74 (позже — 80) минут. Интересно, что цифра 74 возникла из-за музыкальных предпочтений тогдашнего владельца фирмы Sony: он пожелал, чтобы на один диск уместилась целиком его любимая Девятая симфония Бетховена.

Едва компакт-диски стали завоевывать мир, разгорелись долго не стихавшие споры-войны между консервативными любителями «винила» и «CD-прогрессистами». Первые обвиняли цифровые записи в «пластмассовости» и «деревянности» звука, наличии специфических шумов и цифровых искажений. Однако число преимуществ цифровых музыкальных дисков, понятных массовому потребителю, оказалось так велико, что их победа была неминуема, но и в словах консерваторов было немало правды. И если так называемый «джиттер» (паразитные искажения формы сигнала) успешно преодолевался по мере совершенствования аппаратуры, с «деревянностью» никто ничего поделать не мог. Она даже стала эдаким общим местом в разговорах интеллектуалов, что весьма едко высмеял Вуди Аллен в реплике героя фильма «Всякое бывает»: «Но компакт-диск слушать нельзя: он же стерилизует звук!»

Чтобы понять причину этой «стерилизации», надо коснуться собственно принципа оцифровки звука: мгновенного измерения амплитуды звуковой волны и записи результатов через очень короткие промежутки времени. Принцип основан на теореме Котельникова, которая гласит, что если фиксировать значения некоего переменного сигнала, имеющего ограниченный спектр с частотой сэмплирования, вдвое превышающей присутствующие в нем частоты, то первоначальный сигнал из такой цифровой записи может быть восстановлен полностью и без искажений. То есть, сэмплируя аудиосигнал с частотой 44,1 кГц (44 100 колебаний в секунду), а именно эта частота принята в CD-стандарте, мы должны восстановить при воспроизведении неискаженный звук в диапазоне до 22,05 кГц. Поскольку человеческое ухо, даже самое чуткое и молодое (с возрастом чувствительность слуха к высоким частотам заметно падает), не способно услышать звук выше 20 кГц (что доказали исследования), то частоты сэмплирования (нарезки, если угодно) 44,1 кГц должно с избытком хватить любому, самому придирчивому уху.

Однако в этих грубых выкладках не учитываются некоторые тонкости. Например, что оцифровываемый сигнал не должен иметь внутри себя составляющих с частотой выше половины частоты сэмплирования (в конкретном случае с CD — выше 22,05 кГц), а таких составляющих в музыке сколько угодно, и их не так просто полностью удалить перед оцифровкой. При этом они попадают в фонограмму в качестве специфического вполне слышимого шума. К тому же на CD точность квантования (измерения амплитуды) определяется 16-битным двоичным словом, то есть имеется всего 216 = 65 536 градаций громкости. И если, к примеру, взять «Болеро» Равеля, то звукорежиссеру придется уложить в эти 65 с небольшим тысяч делений всю силу звука от почти нулевой в начале до «тутти оркестра» в конце. Так называемый динамический диапазон CD-дисков обычно оценивают величиной, близкой к 100 дБ, а наше ухо в состоянии переварить 120 дБ. Поэтому в принципе человек вполне может услышать возможные огрехи цифровой аудиозаписи. Виниловые пластинки редко позволяют воспроизвести сигнал с динамическим диапазоном более 80 дБ, однако присущие им шумы и искажения имеют другую природу и многими воспринимаются как более естественные.