Звуковые форматы

Фонограф Эдисона
За первый звуковой носитель скажем честное и большое спасибо Томасу Эдисону. В 1877 году он зарегистрировал свое новое изобретение, фонограф, в Бюро изобретений в Лондоне. Ни одно изобретение Эдисона не произвело такого потрясающего впечатления в Европе и в Америке. По устройству фонограф чрезвычайно прост. В его основу положен принцип: колебания мембраны от звуковых волн передаются с помощью закрепленной к ней иглы на вращающийся валик. Игла формирует глубину бороздки в зависимости от амплитуды колебания мембраны. Это процесс записи. Соответственно при повторном прокручивании ролика игла двигаясь по канавке повторяет рельеф и передает колебания мембране превращаемые мембраной в звуковые. Это процесс воспроизведения звука. Этот же принцип воспроизведения положен и работу граммофона и его современного аналога проигрывателя виниловых дисков. Соответственно виниловая пластинка как «самый древний» носитель информации и будет первым предметом нашего исследования.

Современные виниловые диски. Альбомы последних лет
Граммофонную пластинку рассматривать нет смысла, так как массовому потребителю она теперь недоступна. Ее современный аналог — долгоиграющая виниловая пластинка появилась в СССР в 60-е годы прошлого века, тогда же появился материал — полихлорвинил из которого изготовлялись пластинки Он и дал общее название пластинкам — «винил». Современная виниловая пластинка имеет диаметр — 175, 250, 300 мм. Скорость вращения 33 1/3 об. и 45 в минуту. Информация на диск записывается в виде спиральной дорожки. Дорожки имеют ширину 55 мкм и записаны с обеих сторон диска и общее время воспроизведения около 46 минут. Диапазон воспроизводимых частот от 20 до 20000 гц. Динамический диапазон от 30 до 60 дб. Вес долгоиграющей пластинки от 60 до 260 гр. Разница в весе связана с факторами производства и качественными характеристиками. Так называемый «тяжелый винил» или «аудиофильский», весом от 180 гр. и выше имеет другие резонансные частоты и менее склонен к «винтовому» деформированию. Пластинки транспортируются и хранятся как правило в заводских бумажных конвертах в вертикальном состоянии, из-за факторов возможного возникновения деформаций. Относится к этому носителю приходится очень бережно, одна незначительная царапина приводит к появлению звуковых щелчков и петлевому повторения дорожки.

Прочистка канавок пластинки угольной щеткой
Перед прослушиванием поверхность дорожек пластинки рекомендуется протирать специальной угольной щеткой, для удаления пыли с бороздок. Пыль также вредоносно влияет на звук и способствует появлению микроцарапин. Сегодня основным источником покупки пластинок является интернет. Выпускаются пластинки новых групп, немного переиздаются старые. Очень большой рынок старого винила. Там же как правило можно приобрести недорогой или очень дорогой проигрыватель пластинок прошлых годов. Проигрыватели производятся и сегодня. Ценовой диапазон от 8000 рублей до (даже не могу сказать точно, сам видел в районе 20000$). Отдельное слово о звуке пластинок. Он по настоящему хорош!!! Теплота, мягкость, гармоничность, передача чувств исполнителя, много добрых слов заслуживает этот звук. Конечно, разные пластинки записаны не одинаково. Здорово писалась музыка с 50-х до середины 70-х годов прошлого века. Упрощения для музыкантов в студийной работе сильно повлияли на готовый материал. Но эта тема для другой статьи. Единственное слабое место — динамический диапазон. На таком диапазоне однозначно не возможно добиться полного восприятия живого исполнения. Кстати, даже на современном виниле можно напороться на неприятности. В моей коллекции есть несколько пластинок которые записаны наоборот с цифрового формата, аналогичного CD на пластинку. И это не оригинальные диски, а переиздания мировых шедевров. Современные диски зачастую записываются в цифровых студиях но разрешающие способности их аналогоцифровых преобразователей во много раз превосходят формат CD.

Японские виниловые диски
Хорошего качества диски на сегодняшний день с переизданием современной мировой музыки производят Японцы.

Магнитофонные катушки
В 30-х годах прошлого века начали повсеместно появляться новые носители звуковой информации — магнитофоны. Принцип магнитной записи был предложен Вальдемаром Поульсеном в 1896 г. — при записи на обмотку кольцевого магнитного сердечника подается ток записи, вызывающий выход магнитного поля в зазоре сердечника, который намагничивает ленту в такт изменению сигнала. При воспроизведении, наоборот — лента, замыкая магнитный поток через зазор на сердечник, наводит ЭДС в обмотке. Магнитная лента изготовлена из эластичного полимерного материала с нанесенным на него магнитным материалом. По типу накопителя магнитофоны подразделяются на ленточные, проволочные, бобинные, катушечные, кассетные.

Катушечный магнитофон
С 50-х годов в нашей стране на потребительском рынке стали появляться катушечные магнитофоны. Скорость записи и воспроизведения этих устройств была стандартизирована — 38 см/сек, 19,05 см/сек, 9,54 см/сек, 4,76 см/сек, 2,38 см/сек. Соответственно, чем выше скорость, тем выше качество, но и при этом и больше расход ленты. Самое главное преимущество перед виниловым проигрывателем, то что теперь потребитель самостоятельно мог записывать на носитель необходимую ему музыкальную информацию практически в качестве звучания не уступавшем виниловым дискам.

Катушка с пленкой 1000 метров
для записи на скорости 38 см в сек
Самыми популярными на Российском потребительском рынке были 500 метровые катушки. Они позволяли записать на скорости 19,05 см/сек на одну сторону около 45 минут записи, что практически соответствовало 1 долгоиграющей пластинке, при этом стандартные характеристики на данной скорости давали частотный диапазон воспроизведения 30-18000 гц. Но и здесь были свои огромные проблемы. Магнитный слой ленты при многократной эксплуатации осыпался из-за абразивности трущихся поверхностей лентопротяжного механизма. Соответственно забивался вышеописанный зазор головки. Пользователи подобных устройств помнят, как им постоянно приходилось протирать поверхность головок ватой, смоченной в спиртовом растворе. Сама лента была недолговечна и требовала довольно жестких условий ее хранения. Сейчас мы спокойно слушаем виниловые пластинки 50-60-х годов в том же качестве. Владельцы катушечных магнитофонов вряд ли смогут похвастаться тем же. Я покупал на аукционе eBay фирменные катушки с оригинальной записью. Ничего хорошего в звучании не осталось, плюс магнитный слой осыпается очень сильно, приходится протирать головку через каждый трек. Для российских лент была еще одна существенная проблема — шум самой ленты.

Магнитофонные кассеты
В 70-е годы прошлого века в СССР пришли кассетные магнитофоны. Принцип их работы тот-же самый, только больше пользовательских удобств. Вставил кассету в кассетоприемник, нажал клавишу воспроизведения и наслаждайся. Качество звучания этих устройств было хуже из-за более низкой скорости воспроизведения магнитофона — 4,76 см/сек, 2,38 см/сек, так как на саму кассету из-за ее габаритов помещался меньший метраж пленки. Некоторые топовые модели стационарных и репортерских устройств по характеристикам были сравнимы в катушечными магнитофонами, но это требовало определенных жертв покупки дорогих кассет на основе двуокиси хрома или кассет типа Metal.

В конце 70-х годов как бы переходными устройствами стали цифровые магнитофона — DAT.

Принцип записи тот же только устройство оснащено аналогоцифровым модулем для записи и цифроаналоговым модулем для воспроизведения. На ленту записывалась цифровая информация, позволяющая создать боле высокую плотность записи и менее требовательная к качеству магнитного слоя пленки. Эти устройства не попали на широкий потребительский рынок СССР, а использовались в основном в профессиональных звукозаписывающих студиях.

И вот мы подошли к началу 80-х годов — эра появления цифровых носителей звука. По моему глубокому убеждению для аудиофилов и меломанов начался самый большой «геморрой». Почему? Потому как виниловый диск и магнитофонная пленка не знают такой проблемы современных форматов — как (частота дискретизации). Пример: Фото с газеты. Какая-то не резкая картинка с блеклыми цветами и плохой контрастностью. Подносим к фото увеличительное стекло, опа квадратики — это растр. Вот это по аналогии MP3. Хороший журнал — квадратики более мелкие и практически мало смещены по цветам. Это типа CD. Фото профессионального художника сделанное пленочным фотоаппаратом — ровные переходы тонов. Вот это винил. Аналогия конечно не совсем точная, но для начального понимания проблемы достаточная.

Для неподготовленного слушателя понятие дискретизации — тема пустая, а удобства работы с носителями приоритетно, чем и воспользовались две известные компании — Sony и Philips.

CD диски
Звуковой формат — CD (компакт-диск). Его спецификация Red Book — "Красная книга" была выпущена объединенными усилиями вышеупомянутых компаний в 1980 г. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Благодаря коррекции ошибок с помощью кода Рида-Соломона, легкие радиальные царапины не влияют на читаемость диска. Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных в поликарбонатной основе. Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Промежутки между питами называются лендом. Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм. Производители компакт-дисков акцентировали основной удар на то, что новым дискам практически не страшны мелкие царапины, они не влияют на качество звука при аккуратной эксплуатации диск практически вечен. Меломаны намучавшиеся с прочисткой пластинок и протиркой магнитофонных головок с радостью восприняли известия о появлении нового формата. А тут еще появилось известие, что копирование цифрового формата дает абсолютно идентичный результат — «цифра и в Африке цифра». Дешевые пиратские диски не уступают фирме!!! Народ изголодавшийся по хорошему ассортименту в период «застоя» активно стал собирать коллекции любимых групп на CD. Потом вдруг выясняется — нет парни дешевый сыр только в мышеловке. А мышеловка для Вас уже захлопнулась. Помимо выше описанной дискретизации, делающей звук более жестким и практически уничтожающим гармонический окрас есть еще и такая беда как «джитер» (дрожание) связанный с неточностью считывания информации с дисков и неточностью записи самих дисков. Детально описывать причины джитера не наша задача. Джитер достаточно легко улавливается даже на неподготовленный слух — как более размазанное звучание инструментов и голоса. Борьба с ним — дело весьма серьезное, требует покупки более дорогих компонентов CD системы. Проигрыватель достойно воспроизводящий CD формат как правило позиционируется в ценовой категории от 2000$ и выше. А диски только фирменные! Или качественно переписанные на специальные CD-ROM болванки. На радиорынке сам был свидетелем разговора одного алкоголика и продавца пиратских CD. «Вот ничего не могу понять? Почему раньше на простом катушечном магнитофоне «Smoke On The Water» так убойно звучала а на компакт диске нет такой мощи?» — спрашивал продавца извергающий перегар гражданин. Это меня тогда сильно умилило. Даже простой русский потребитель крепких напитков, и тот заметил разницу. Кстати если обратить внимание на доминирование популярных стилей в период появления CD, то стали вдруг популярны электронные барабаны (драм машины), синтезаторы голосовые обработки, которые сами по себе были предметами цифрового мира и отчасти они позволили плавно завуалировать недостатки CD. Со временем роптание в массах начало расти а аппетиты корпораций тоже расти. Аудиофилам предложили два направления на выбор — вернуться к старому доброму винилу, но за другие бабки или осваивать новые форматы. А все это обозвали HI-END (высокий конец). Что они этим хотели сказать? Две любимые корпорации Sony и Panasonic решили поиграть за счет простых потребителей в войнушку и придумали два альтернативных формата SACD (Super Audio Compact Disk) и DVD-Audio.

Диски DVD-Audio
Причем Panasonic тот вообще не напрягался в разработках поднял частоту дискретизации до 48-96-192 кГц и оставил ту же самую PCM — импульсно-кодовую модуляцию. Дисков с разрешением 192 кГц в моей коллекции нет. Зато как я был неприятно удивлен, когда мой проигрыватель показывал на многих дисках частоту дискретизации 48 кГц. Покупать диск за 30$, чтобы получить звук практически как у CD. Еще Panasonic косячнули с форматом коробки для хранения диска. По высоте он был выше коробки CD и не входил в стандартные стеллажные стойки для хранения дисков. Зато Sony и Philips оказались просто красавцами разработали новую тему: DSD — Direct Steam Digital. Они расписали, что DSD отображает музыкальные сигналы в соответствии с концентрацией их импульсных колебаний. Несмотря на то, что записываемые данные являются цифровыми, они обладают свойствами весьма сходными со свойствами реальных звуковых волн. Все это они зашифровали от всех под предлогом борьбы с пиратством. Нам предъявили характеристики SACD: частотный диапазон 0-100 кГц, динамический — 120 дБ.

SACD диски
Диски SACD как правило двухслойные. На одном слое записан тот же материал в формате CD а на другом уже сам SACD. Такой подход преследует явно коммерческие цели. При покупке такого диска потребитель явно будет нацелен на приобретение в дальнейшем проигрывателя формата SACD в надежде на более качественный звук. Обе эти компании, являющиеся заодно производителями бытовой техники поддержали раскручиваемый киношниками 5-ти канальный звук, чтобы нажиться на бедных меломанах не в два, а в пять раз за счет акустических систем. На рынок вышли универсальные проигрыватели, поддерживающие DVD, СD, SACD и DVD-Audio. Жалко, что на верхней крышке они забыли прикрутить диск и тонарм виниловой вертушки. Такие вот комбайны для непаханных степей аудиофильского сознания. Причем в дорогих устройствах за 2000-3000$ присутствует и формат MP3, явно не являющийся «предметом роскоши». По началу SACD и DVD-Audio перенесли на свои носители старые квадро (четырех канальные) варианты нескольких легендарных альбомов прошлых лет, что показалось весьма любопытно. Но почему-то после нескольких дисков процесс замер. Не очень много и современных музыкантов рвутся записаться на эти форматы. Я внимательно попытался изучать звуковую картину, формируемую звукорежиссерами в 5-ти канальном варианте. Общей концепции нет. Одни звукорежиссеры садят слушателя прямо внутрь исполнительской группы, другие — как слушателя в зале, третьи добавляют к этому какие-то эффекты на заднем плане и по сторонам, прямо аттракцион какой-то. В конце концов я плюнул на все эти новшества и стал слушать диски в режиме стерео. Заметил странную вещь у SACD — в пятиканальном варианте не существует записей с динамичной, агрессивной музыкой. Все как-то спокойные произведения, что это сознательный выбор производителей или проблемы процессоров с обработкой звука? Да и вообще выбор дисков вышеуказанных форматов на сегодняшний день просто смешной. Зайдите на любой сайт продавцов SACD и DVD-Audio одна классика и немного джаза. Вся современная музыка 50-70 альбомов. При покупке обратите внимание, что звук формата SACD не передается по обычным цифровым каналам. Не по «оптике» ни по «коаксиалу» вы нечего не услышите. Не поддерживает его и HDMI. Причина, все та же пресловутая борьба с пиратством. Цифроаналоговый преобразователь для SACD специальный. Он встраивается далеко не во все многоканальные усилители или ресиверы. Иначе Вам придется покупать 3 комплекта аналоговых межблочных кабелей. Если вы захотите сделать хорошие копии своих виниловых пластинок. Для этой цели вам подойдет формат DVD-Audio. Этот формат поддерживается компьютерами на базе операционной системы Билла Гейтса. И существуют программы редакторы, позволяющие записать на внешний носитель с разрешением 192 кГц в стерео режиме. Главное, чтобы АЦП вашей звуковой карты поддерживал это разрешение. Я проводил подобные эксперименты. В режиме стерео виниловый диск занимает около 3 гигабайт. Если проигрыватель DVD-Audio имеет качественные характеристики то различие между оригиналом и записью будет незначительна.

XRCD диски
На сегодняшний день помимо вышеперечисленных цифровых форматов существуют еще несколько — это XRCD, HDCD. Останавливаться подробно на них не буду. Мое личное ощущение от прослушивания этих дисков таково. Звук при проигрывании немножко мягче и чище, как будто какой-то алгоритм позволяет обойти частично проблему джитера на дешевых ЦАП-ах. Когда я начинаю их слушать на моем ЦАП-е Benchmark DAC1 звук мне не нравится. HDCD требует к тому же отдельный декодер в проигрывателе.

CD диск фирмы Toshiba, оформлен
в стиле виниловой пластинки
Фирма Toshiba также производит CD диски с уникальным, более мягким звучанием, отличным от обычных CD. Но алгоритм формирования своей записи они не позиционируют как отдельный формат.

DVD диски
Еще отдельно затроним DVD диски с музыкальными программами. Наверно всем уже знакомы такие диски. Как правило звук на них в 5 и более канальном режиме записывается в форматах DTS или Dolby Digital. Стерео дорожка бывает и в традиционном формате PCM. DTS и Dolby Digital это форматы так называемого сжатия звука. Звук вроде как внешне похож. Но нет в нем плотности, энергичности, «мясистости». Когда идет поддержка видео изображением, вроде общая картина воспринимается неплохо, но если пробовать специально слушать звук без видеоряда через некоторое время подсознание начнет посылать раздражающие сигналы на неудовлетворенность восприятия. У телевизионщиков есть более хорошие потоковые форматы звука для видео типа NICAM, но в данной статье мы их рассматривать не будем, так как не используются на обычных носителях.

Остался у нас не рассмотренный формат — MP3. В продаже на сегодняшний день он самый популярный носитель. MP3 (MPEG layer 3) – цифровой способ сжатия аудиоданных с потерями, основанный на психофизических особенностях восприятия звука человеком. Такой файл сжатия в 5-12 раз меньше исходного, что позволяет производителю разместить на одном диске достаточно приличную коллекцию, зачастую включающую полную дискографию известных групп и исполнителей. Среднестатистический слушатель достаточно терпимо относится к звуку этого формата благодаря особенностями человеческого слуха, в том числе эффекта маскирования слабого сигнала одного диапазона частот более мощным сигналом соседнего диапазона, когда он имеет место, или мощным сигналом предыдущего фрейма, вызывающего временное понижение чувствительности уха к сигналу текущего фрейма. Также учитывается неспособность большинства людей различать сигналы, по мощности лежащие ниже определенного уровня, разного для разных частотных диапазонов. Подобные техники называются адаптивным кодированием и позволяют экономить на наименее значимых с точки зрения восприятия человеком деталях звучания. Эта официальная формулировка отчетливо показывает, что в звуке передаваемом этим форматом будет далеко не все составляющие. Степень сжатия, и, соответственно, объем дополнительного квантования, определяются не форматом, а самим пользователем в момент задания параметров кодирования. Ширина потока (bitrate) про кодировании сигнала, аналогичного CD Audio (44.1kHz 16Bit Stereo) варьируется от наибольшего, 320kbs (320 килобит в секунду, также пишут kbs, kbps или kb/s), до 96kbs и ниже. Термин битрейт в общем случае обозначает общую величину потока, количество передаваемой за единицу времени информации, и поэтому не связан с внутренними тонкостями строения потока, его смысл не зависит от того, содержит ли поток моно или стерео, или пятиканальное аудио с текстом на разных языках, или что-либо еще. При покупке диска рекомендую обратить внимание на характеристики записи. Как правило производители предлагают диски с битрейтом выше 128 kbs. Лучше чтобы битрейт был 320 kbs. По большому счету я не являюсь поклонником этого формата, поэтому ничего хорошего о нем не скажу.

Новые форматы аудиозаписи на основе проигрывателей высокого разрешения описывать пока рано. Многие предлагаемые корпоративные идеи не доходят даже до ограниченного числа пользователей и умирают, как это стало с форматом HDDVD. Перспективы на рынке как всегда обещают Sony с их Blu-ray Disc. Пока это носит характер экспериментов, релизов мало да и по слухам будет все тот же PCM, но уже 192 кГц на каждые 7 каналов. Единственное, что звук теперь можно будет слушать через HDMI правда новой версии v1.3.

Как-то в Москве зашел в одну из серьезных аудиофильских контор, чтобы приобрести головку для виниловой вертушки, да заодно послушать, какую-нибудь серьезную звуковую систему. Там добродушные дядьки показали мне всякие варианты, что у них было по факту, ну и пошел разговор о всяких технических нюансах и общей концепции. Любимая больная тема аудиофильства, что лучше — винил или Си Ди. Один собеседник грустно так и говорит: «Современные ребята на эту тему вообще не заморачиваются. Для них просто нет альтернативы MP3». Что тут сказать? Наверное это прогресс или регресс. Меня берут определенные сомнения по поводу перспектив аудиофильского движения. Музыка — «вещь» ностальгическая. В детстве слушал винил или магнитофонную катушку, в возрасте при наличии хороших свободных денег вряд ли захочется покупать систему на MP3. Что будет слушать современный молодой человек через 20 лет ностальгируя по прошлому сопоставимое с качеством MP3 проигранном на пищалке сотового телефона?