Почему при оцифровке звука редко используют частоты выше 44 кГц?​

При оцифровке звука частота дискретизации — одна из ключевых характеристик, определяющих качество записанного сигнала. Однако частоты выше 44 кГц используются довольно редко. Это связано с несколькими техническими и практическими причинами, которые стоит разобрать подробнее.

1. Теорема Котельникова-Шеннона

Согласно этой теореме, для точного восстановления аналогового сигнала после дискретизации частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частоты звука, который нужно записать. Человеческий слух способен воспринимать звуковые частоты в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 кГц. Исходя из этого, минимально необходимая частота дискретизации составляет около 40 кГц. Стандарт 44,1 кГц, принятый для CD, был выбран с некоторым запасом, чтобы учесть возможные ошибки фильтрации.

2. Человеческий слух и практическая достаточность

Человеческое ухо не воспринимает звуки выше 20 кГц. Даже у людей с очень острым слухом верхний предел редко превышает 22–23 кГц. Использование частот дискретизации, таких как 44,1 кГц или 48 кГц, уже охватывает весь слышимый диапазон. Частоты выше этого уровня не дают ощутимого улучшения качества звука, поскольку они включают информацию, которую человек не способен воспринять.

3. Эффективность хранения и обработки

Чем выше частота дискретизации, тем больше объем данных, которые нужно хранить и обрабатывать. Например:

• При частоте дискретизации 44,1 кГц и 16-битной глубине звука одна минута стереофонической записи занимает около 10 МБ.
• При 96 кГц тот же файл займет примерно в два раза больше места.

Для большинства случаев, таких как музыкальные записи, подкасты или звук в фильмах, повышение частоты дискретизации не оправдывает увеличения требований к памяти и вычислительным ресурсам.

4. Проблемы совместимости

Большинство аудиоустройств и программного обеспечения оптимизированы для работы с частотами 44,1 кГц или 48 кГц. Использование более высоких частот может вызвать проблемы с воспроизведением или потребовать дополнительной обработки, например, пересемплирования, что может вносить артефакты в звук.

5. Аудиофильские заблуждения

Существуют дебаты среди аудиофилов о якобы "слышимой разнице" между 44,1 кГц и более высокими частотами, такими как 96 кГц или 192 кГц. Однако научные исследования показывают, что подавляющее большинство людей не способны различить эти разницы в слепых тестах. Это делает использование частот выше 44 кГц избыточным для подавляющего большинства аудиоприложений.

6. Специфические применения высоких частот

Частоты дискретизации выше 44 кГц (например, 96 кГц или 192 кГц) используются в специализированных областях, таких как:

• Профессиональная звукозапись, где требуется высокий запас для последующей обработки (например, при микшировании или применении эффектов).
• Научные исследования и биоакустика, где нужно записывать звуки, выходящие за пределы человеческого слуха.
• Создание высококачественных архивов звука для будущих технологий.

Вывод

Частоты выше 44 кГц редко используют, потому что они избыточны для большинства повседневных задач. Стандарт 44,1 кГц уже обеспечивает высокое качество звука, которое соответствует возможностям человеческого слуха. Увеличение частоты дискретизации увеличивает объем данных и ресурсы для обработки без ощутимых улучшений звука в реальных условиях.