Revista >> Iunie 2021 [Nr. 235] >> Tehnologie

Sunetul digital

Mircea Badut

18 Iunie 2021

Despre dificilul urcuș al sunetului digital pe culmile High-Fidelity-ului. Sau de ce audiofilii încă preferă discurile vinil

Pionierat digital dinspre analogic
În curând se vor împlini patru decenii de la ivirea pe piață a CD-ului. Și iată un aspect interesant în acele origini: deși PC-urile apăruseră de câţiva anișori, în multe case digitalul nu a intrat prin vreun calculator personal, ci prin Compact-Disk-ul audio. La început CD-ul a fost proiectat (prin colaborarea dintre firmele Philips și Sony) ca suport fizic pentru stocarea muzicii, adică a sunetelor, pe care omul le percepe în format analogic. Față de mijloacele de stocare ale acelor ani (banda magnetică și discul de vinil), suportul digital aducea două avantaje semnificative: (1) putea fi recitit de foarte multe ori, la calitate constantă (un argument convingător, ştiind că suporturile analogice se degradează cu fiecare redare), şi (2) nu adăuga un zgomot de fond propriu (aşa cum făceau suporturile analogice). Însă, pe linie de marketing, conceptul CD-DA promitea și o calitate foarte bună a înregistrării muzicale, ceea ce s-a dovedit a nu fi chiar adevărat. Derivat din acest Compact Disc Digital Audio, în anii 1988-1989 se ivea CD-ROM-ul, suportul de informaţie eminamente digital (destinat stocării de fișiere), care ulterior avea să dea naştere celuilalt concept esenţial al liniei, DVD-ul (1995).

Aceste discuri se numesc generic‚ discuri optice’ deoarece stocarea şi redarea informaţiei se fac printr-un mecanism/principiu optic: o rază de laser, urmărind un traseu de tip spiră pe suprafaţa discului, este modulată în amplitudine corespunzător cu informaţia de înregistrat/citit. Și da, modulațiile razei laser sunt traduceri în lumină ale unor șiruri de biți de informaţie (0, 1), astfel că – în cazul sunetului – au loc două conversii: una dinspre analogic înspre digital (la înregistrare) și una dintre digital înspre analogic (la redare/ascultare).

Un standard prea puțin ambițios
Pentru câțiva ani și eu (ca simplu iubitor de muzică) am fost nedumerit de un aspect ce apărea evident la anumite audiții de muzică de pe CD. Problema se poate defini astfel: un același album de muzică se aude mai bine de pe disc vinil (redat pe pickup cu doză electromagnetică) decât de pe CD. Chestiune pe care oricine o poate proba astăzi fără prea mari eforturi. Când m-am dumirit care este cauza acestui paradox (fiind ciudat ca un suport de stocare modern să se dovedească inferior unuia care avea un secol de vechime), am formulat-o succint printr-o glumă pe care doar audiofilii de factură tehnico-științifică ar înţelege-o, pe filieră scandinavă: „Nyquist n-a lucrat la Bruel & Kjær!”

Bruel & Kjær este o firmă celebră în domeniul cercetărilor din domeniul acusticii, iar Harry Nyquist este cel care a formulat teorema eşantionării semnalelor, teoremă pe care s-au bazat și cei care au definit standardul CD-DA. Ei bine, teorema Nyquist-Shannon spune că pentru a reconstitui un semnal analogic (adică pentru a putea înţelege ulterior semnalul inițial) este suficientă o rată de eșantionare având frecvenţa dublă faţă de frecvența maximă a semnalului originar. Şi cum spectrul domeniului audio (conform cerinţei Hi-Fi primare) este de 20-20000 Hz, specialiștii implicați în definirea standardului CD-DA au considerat că o frecvenţă de eșantionare de 44,1 kHz este suficientă pentru convertirea semnalului sonor analogic în informaţie digitală. Ceea ce, cum spuneam, s-a dovedit destul de limitativ. Și asta dintr-un motiv simplu: Nyquist se referea la un semnal analogic singular, ci nu la efluviile sonore polifonice pe care le emit instrumentele acustice, care instrumente rareori sunt singure în compoziția muzicală. Iar semnalul trebuia doar înţeles, și nimic mai mult.

Oricum, cele două avantaje amintite inițial de partea CD-DA – plus grija crescândă pentru calitatea înregistrărilor în studiouri – au fost suficiente pentru a asigura pentru câteva decenii succesul de piaţă al muzicii diseminate astfel.

Pierderi la conversia analog-digital
Convertirea unui semnal analogic în informație digitală (A/D) presupune aplicarea continuă a două procese – (1) eșantionarea și (2) cuantificarea –, procese cumva ortogonale dacă le raportăm la cele două axe ale graficului închipuind semnalul originar: timpul și amplitudinea.

Sunetul este un semnal analogic, continuu, și tot continuu este înregistrat pe discul de vinil sau pe banda magnetică. (Oricât de mult am dilata scala timpului – microsecunde, nanosecunde, picosecunde – acolo tot vom găsi o prezență a semnalului.) Acest lucru nu este posibil în mediul digital, așa încât, pentru a fi totuși salvat pe compact-disk, în fiecare secundă a existenței sunetului sunt prelevate 44100 de eșantioane din acest semnal, iar fiecare dintre aceste eșantioane este convertit (prin cuantificare) într-un cod digital (respectiv într-un grup de 16 biți). Acest număr, 44100 (adică 44,1 kHz), doar la prima vedere pare a fi mare, și vom vedea de ce nu e suficient de mare. (Pe de altă parte, dacă în 1982 s-ar fi ridicat prea mult ștacheta teoretică, probabil că pătrunderea CD-reader-elor pe piață ar fi fost mult mai lentă.)

Revenim la sunet, și în special la muzică, care este făcută cu instrumente muzicale. Pentru noi, oamenii, sunt două proprietăţi ale sunetului prin care putem recunoaște un instrument muzical:
• Timbrul instrumentului, definit de sunetele care însoțesc sunetul principal al notelor muzicale (armonicele concomitente cu frecvența fundamentală). Deși ele sunt, într-un fel, „imperfecțiuni” ale instrumentului (fiind date de formele componentelor și de materialele constituente), armonicele sunt cele care definesc timbrul inconfundabil al instrumentului.
• Faza de atac: momentul de început al unui sunet; intervalul de timp scurs din momentul inițierii fenomenelor acustice (fizico-mecanice) și până la stabilizarea notei muzicale emise (figura 1).
(Ambele proprietăţi pot fi reprezentate grafic într-un sistem de axe ortogonale timp - amplitudine, sau timp - frecvență.)