Цифровой звук: частота, разрядность, битрейт и форматы

Отсчёты и частота дискретизации

Оцифровка — это измерение напряжения много раз в секунду. Сколько раз в секунду — это частота дискретизации. Сколько градаций у каждого измерения — разрядность. Всё остальное в цифровом звуке выводится из этих двух чисел.

Теорема Найквиста — Шеннона говорит: чтобы точно восстановить сигнал, частота дискретизации должна быть больше удвоенной максимальной частоты в нём. Слух заканчивается около 20 кГц, поэтому CD взял 44,1 кГц: верхняя граница получается 22,05 кГц, с небольшим запасом на фильтр. Сама цифра 44 100 вышла из видеомагнитофонов, на которые писали первые цифровые мастера: три отсчёта на строку × 245 рабочих строк × 60 полей в NTSC дают те же 44 100; для PAL — 3 × 294 × 50.

48 кГц стал стандартом для видео и студийной работы. 96 и 192 кГц нужны не для того, чтобы «слышать выше»: при обработке (особенно нелинейной — перегруз, насыщение) выше частота даёт больше места для побочных продуктов до их срезания. Для воспроизведения готовой музыки выигрыш спорный, об этом ниже.

Алиасинг и антиалиасинговый фильтр

Если в сигнале есть частота выше половины частоты дискретизации, она не пропадает — она отражается вниз. Тон 30 кГц при 44,1 кГц превратится в слышимый тон 14,1 кГц: 44,1 − 30. Это и есть алиасинг. Поэтому перед АЦП стоит антиалиасинговый фильтр, а современные конвертеры сначала передискретизируют сигнал в сотни килогерц и фильтруют цифровым способом.

В домашней студии алиасинг встречается в основном внутри плагинов: сильный дисторшн, синтезатор с острыми волнами, питч-шифтер вверх. Если после плагина пошёл «стеклянный», неродственный верх, включите в нём oversampling. Чтобы посмотреть, что реально лежит в сигнале, подойдёт прибор частотных полос.

Разрядность, динамический диапазон и 32-bit float

Один бит — около 6 дБ динамического диапазона. 16 бит — около 96 дБ теоретически, 24 бита — около 144 дБ. Практический предел 24-битных конвертеров ниже, потому что в них шумит аналоговая часть, но и этого хватает с большим запасом.

Из этого вытекает рабочая схема. Записывать — в 24 бита: можно оставить пик на −12…−6 дБFS и не бояться тишины и шума квантования. При записи 16 бит приходится выставлять уровень почти впритык, и перегруз дороже. Отдавать — в 16 бит, если нужен CD, и в 24 или 16 для стриминга: платформы всё равно пересчитывают.

32-bit float — формат внутри DAW и некоторых полевых рекордеров. Его мантисса — 24 бита, а показатель степени даёт огромный запас по уровню: сигнал выше 0 дБFS внутри плагинов и микшера не обрезается. Клиппинг случится только на выходе в целочисленный формат. Для вас практически это значит: внутри проекта «горячие» треки не ломают звук, пока вы вовремя опустите мастер-фейдер.

Дизеринг

Когда 24 бита сводят к 16, тихие детали «округляются», и ошибка квантования превращается в неприятную зернистость, особенно на затухающих хвостах. Дизеринг добавляет перед округлением крошечный шум, и ошибка превращается в ровный едва слышный шипящий фон, зато хвосты остаются плавными. Правила: один раз и в самом конце, на последнем шаге перед 16-битным файлом. Ставить его на каждом этапе не нужно, а при выдаче в 24 бита — не нужно совсем.

Битрейт: что это и как посчитать

Битрейт — сколько данных уходит на секунду звука. Для несжатого PCM он считается в одну строку: частота × разрядность × каналы. Для CD: 44 100 × 16 × 2 = 1 411 200 бит/с, то есть 1411 кбит/с. Для 24 бит/96 кГц стерео — 4608 кбит/с.

Сжатие делится на два типа. Без потерь (lossless): FLAC, ALAC — после распаковки получается тот же самый файл, бит в бит; размер обычно вдвое меньше WAV. С потерями (lossy): MP3, AAC, Opus, Vorbis — кодек выбрасывает то, что, по расчёту психоакустической модели, должно быть незаметно, а остальное упаковывает. У lossy битрейт задаёт компромисс: чем он выше, тем меньше отброшено.

Форматы: что есть и для чего

MP3 стандартизирован в 1993 году (MPEG-1 Layer III), лицензионные платежи по основным патентам закончились в 2017-м. AAC появился позже и при тех же битрейтах обычно звучит чище. Opus принят IETF в 2012 году как RFC 6716, он открытый и свободный от лицензионных платежей. FLAC — формат сообщества Xiph с 2001 года, ALAC Apple открыла в 2011-м.

MQA — отдельная история. Это был «сворачивающий» формат компании Meridian (представлен в 2014 году): высокие частоты кодировались внутри нижних. Он оставался lossy, хотя продавался как «мастер-качество». В 2023 году MQA Ltd обанкротилась (администрирование с 3 апреля, активы купила Lenbrook в сентябре). Tidal отказался от MQA в пользу FLAC в июле 2024-го. Если в коллекции остались старые MQA-файлы, они играют как обычные, просто с урезанным разрешением; новые релизы выходят во FLAC.

Что выбрать и как проверить на своих ушах

• Запись и проект: 24 бита, 44,1 или 48 кГц. Если будет видео — 48. Выше — только если вы знаете зачем (тяжёлая обработка, тест плагинов).
• Хранение: FLAC. Конвертация WAV ⇄ FLAC обратима. MP3 из WAV — нет.
• Для плеера в кармане: AAC 256 или MP3 192–320 кбит/с. Bluetooth-наушники всё равно пересжимают звук своим кодеком.
• Из lossy в lossless не получится: MP3, конвертированный во FLAC, остаётся MP3, только весит больше. И перекодирование lossy→lossy каждый раз портит заново.

Спор «слышно ли разницу» решает только слепой тест. ABX: вы слышите A и B, затем X (это одно из двух), и угадываете какое. Одной попытки мало: при 16 попытках результат 12 верных ответов уже статистически не случаен (вероятность угадать столько наугад — около 4%). Программы вроде foobar2000 умеют ABX из коробки с плагином. Соберите ту же песню в WAV, FLAC и MP3 320 и честно проверьте себя. Для подготовки файлов подойдёт конвертер аудио — он конвертирует в MP3, WAV и FLAC прямо в браузере и умеет менять частоту дискретизации.

Стриминг, hi-res и «лишние» килогерцы

Apple Music отдаёт стандартный поток в AAC 256 кбит/с и lossless в ALAC, в том числе hi-res до 24 бит/192 кГц. Spotify годами отдавал только сжатый звук; с 10 сентября 2025 в Premium постепенно включает lossless — FLAC до 24 бит/44,1 кГц. Если слушаете по Bluetooth, lossless всё равно не дойдёт: пропускной способности беспроводного канала не хватает, нужен провод или другая схема передачи.

Нужны ли 96 и 192 кГц для прослушивания? Содержимое выше 20 кГц для слуха бесполезно, а на практике ультразвук в плохой цепи даёт интермодуляцию. Заметные различия hi-res файлов чаще объясняются другим мастерингом, чем форматом. Лучшая проверка — взять то же издание в 44,1/16 и в hi-res и пройти слепой тест. Громкость при этом нужно выровнять: всегда побеждает то, что громче. Посмотреть и выровнять можно в измерителе громкости и нормализаторе.

Частые вопросы

Аккуратно записанный и сведённый трек переживёт любой формат. Плохо сведённый не спасёт и самый дорогой. Формат стоит в конце списка причин, почему музыка звучит так, как звучит.

Механик

• Звукорежиссёр, музыкант, электронщик из Петербурга.
• Более 20 лет в музыке: дрим-поп, эмбиент, электроника.
• Рассказываю о фишках и техниках при создании музыки.
• Помогаю подобрать музыкальный сетап без переплат.
• Собираю аналоговые гитарные педали.

Вопросы — в Telegram.