Ghi âm kỹ thuật số

Ghi âm kỹ thuật số là việc lưu trữ tín hiệu âm thanh hoặc hình ảnh dưới dạng một chuỗi các chữ số nhị phân có thể được lưu trữ trên băng từ, đĩa quang hoặc phương tiện khác. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp âm nhạc và nhiều lĩnh vực khác.

Để ghi lại âm thanh, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số sẽ chuyển đổi sóng âm thanh điện từ micrô hoặc hình ảnh trực quan tương tự thành thông tin. Kể từ khi xuất hiện, công nghệ kỹ thuật số đã dần thay thế các thiết bị analog vì tính rẻ và dễ sử dụng của nó. Ngày nay, âm thanh kỹ thuật số là tiêu chuẩn cho hầu hết các studio, cả studio chuyên nghiệp và nghiệp dư. Tuy nhiên, đáng ngạc nhiên là rất ít người thực sự hiểu nó hoạt động như thế nào. Vì vậy, hôm nay chúng ta sẽ nói về những điều cơ bản về âm thanh kỹ thuật số để ghi âm nhạc.

Lịch sử sáng tạo

Một trăm năm đã trôi qua kể từ khi phát hiện ra thiết bị ghi âm đầu tiên cho đến khi máy ghi âm kỹ thuật số ra đời. Trong thời gian đó, những tiến bộ công nghệ không ngừng và sự đổi mới không ngừng của các nhà khoa học và kỹ thuật viên đã tạo ra nhiều làn sóng thu, xử lý và tái tạo âm thanh cơ học khác nhau. Ngành công nghiệp ghi âm đã có một bước tiến khổng lồ với việc phát minh ra máy tính và âm thanh kỹ thuật số. Nó bắt đầu từ những lá thiếc đơn giản và những ống trụ sáp, trên đó thông tin âm thanh được thu thập bởi màng ghi âm của máy hát và được khắc cẩn thận. Sau đó, sự phát triển tiếp tục diễn ra ở băng cassette cho phép người nghe thưởng thức âm thanh đa kênh.

Người Nhật là những người tiên phong trong việc ghi âm kỹ thuật số, những người vào cuối những năm 60 đã có thể bảo quản bản ghi âm đó bằng băng từ và trình diễn nó cho công chúng. Mười năm sau, máy ghi âm của Sony đã ra đời. Nó có thể tạo ra âm thanh kỹ thuật số từ analog, lưu trữ nó trên VHS. Tuy nhiên, âm nhạc vẫn được bán trên đĩa vinyl.

Mọi thứ bắt đầu thay đổi vào cuối những năm 1970 khi Sony và Panasonic bắt đầu giới thiệu đĩa CD, một phương tiện kỹ thuật số thực sự có khả năng lưu trữ tới 150 phút âm thanh chất lượng cao. Đĩa CD lưu trữ thông tin bằng cách sử dụng một lớp lá nhôm mỏng, trên đó hàng triệu bit dữ liệu được in theo mẫu có thể được đọc bằng tia laser và chuyển đổi điện tử thành tín hiệu tương tự.

Sự ra đời của đĩa CD cuối cùng đã cho phép các kỹ sư loại bỏ tiếng ồn do ma sát giữa kim và vật liệu lưu trữ. Điều này và nhiều ưu điểm khác đã giúp đĩa CD trở thành một trong những phương tiện truyền tải âm thanh phổ biến nhất vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21. Tuy nhiên, ngành công nghiệp âm nhạc tỏ ra hoài nghi về đĩa CD vì chúng cho chất lượng âm thanh gần như hoàn hảo và dễ bị người dùng vi phạm bản quyền. Để giải quyết những vấn đề này, vào năm 1987 họ đã tạo ra một phương tiện kỹ thuật số khác gọi là băng cassette âm thanh kỹ thuật số (DAT). Định dạng mới này đạt được thành công vừa phải ở Bắc Mỹ và tồn tại cho đến ngày nay như một trong những cách ưa thích để xử lý các bản ghi âm chuyên nghiệp.

Những năm đầu của thế kỷ 21 chứng kiến ​​sự phát triển của âm thanh kỹ thuật số không còn gắn liền với phương tiện truyền thông vật lý. Những tiến bộ về codec nén (chủ yếu là MP3), cơ sở hạ tầng Internet và việc thu nhỏ các máy nghe nhạc kỹ thuật số cá nhân cho phép người dùng mang theo các bản ghi âm kỹ thuật số bên mình mọi lúc mọi nơi. Mặc dù có một số máy nghe nhạc MP3 có ảnh hưởng vào cuối những năm 1990 nhưng ngành công nghiệp âm nhạc đã thay đổi đáng kể với sự ra đời của Apple iPod. Đó là máy nghe nhạc cực kỳ phổ biến, đặt nền móng cho các kho nhạc số và cơ sở hạ tầng phân phối Internet cho khách hàng ngày nay.

So sánh với ghi âm analog

Ghi âm analog là loại duy nhất được sử dụng rộng rãi trước cuộc cách mạng kỹ thuật số những năm 1970. Họ đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau mà hiện đã lỗi thời, chẳng hạn như bản ghi phát dài (LP), băng tám rãnh (trên băng kim loại hoặc từ tính) và băng cassette. Từ đầu thế kỷ 20 cho đến những năm 1970, hệ thống analog dường như rất lý tưởng để ghi âm, nhưng với cuộc cách mạng máy tính vào cuối thế kỷ này, tốc độ cao và các đặc điểm khác của xử lý kỹ thuật số khiến cho việc ghi âm kỹ thuật số không chỉ khả thi mà còn ngày càng phù hợp với nhiều người. các ứng dụng.

Chi phí giảm dần do sản xuất hàng loạt máy tính, đĩa quang, đầu phát laser và các thiết bị khác cũng đóng một vai trò quan trọng. Ghi âm kỹ thuật số dễ dàng đạt được khả năng phát lại có độ trung thực cao hơn vì nó cung cấp dải động rộng, độ nhiễu và độ méo thấp nếu thực hiện đúng cách.

Định dạng ghi kỹ thuật số

Các tập tin âm thanh kỹ thuật số có thể được tạo ở nhiều định dạng khác nhau. Nói chung, chúng được chia thành hai loại – nén và không nén.

Các định dạng nén (chẳng hạn như MP3) có kích thước tệp nhỏ hơn nhiều so với các định dạng không nén nhưng lại làm giảm chất lượng âm thanh. Các thiết bị di động (chẳng hạn như máy nghe nhạc MP3) phải cân nhắc giữa chất lượng thấp hơn và khả năng lưu trữ hàng nghìn tệp. Chất lượng của các dịch vụ phát trực tuyến (chẳng hạn như Spotify) có thể được cải thiện nếu bạn sử dụng Wi-Fi hoặc có kết nối dữ liệu tốt.

Các tập tin âm thanh có thể được tạo bằng cách sử dụng trình sắp xếp thứ tự. Có cả dịch vụ trả phí và miễn phí, chẳng hạn như Amped Studio, cho phép bạn tạo và chỉnh sửa nhạc, tạo các bản phối phức tạp, ghi âm giọng nói và nhiều hơn thế nữa trực tuyến. Các bản nhạc được tạo trong chương trình này có thể được lưu ở các định dạng kỹ thuật số khác nhau, điều này sẽ được thảo luận bên dưới. Bạn cũng có thể chia sẻ bản ghi âm của mình với bạn bè và cùng nhau chỉnh sửa chúng.

Định dạng không nén

Các định dạng như vậy được coi là cách tốt nhất để lưu trữ dữ liệu để phát lại chất lượng cao vì cần rất ít quá trình xử lý để tạo ra dữ liệu âm thanh. Nhiều định dạng nén hơn có thể gây ra sự cố âm thanh trên một số hệ thống.

AIFF – Tiêu chuẩn của Apple

WAVE (hoặc WAV) – tiêu chuẩn cho âm thanh chất lượng CD không nén trên hệ thống Windows sử dụng tính năng ghi định dạng PCM. Ghi chất lượng CD có tốc độ lấy mẫu là 44,1 kHz với độ phân giải 16 bit.

Kích thước tệp: khoảng 10,1 MB mỗi phút. Con số này giống nhau đối với tất cả các tệp WAV chất lượng CD, vì kích thước tệp chỉ phụ thuộc vào độ dài tệp chứ không phụ thuộc vào nội dung âm thanh của nó.

BWF (Định dạng sóng phát sóng) - được sử dụng trong máy ghi âm di động và máy trạm âm thanh kỹ thuật số để phát sóng.

Nén không mất dữ liệu

Các định dạng trong danh mục này chứa thông tin âm thanh đầy đủ. Tuy nhiên, với việc giảm kích thước tệp thì việc lưu trữ dữ liệu sẽ hiệu quả hơn.

Lossless WMA (Windows Media Audio) – được thiết kế với khả năng quản lý quyền kỹ thuật số (DRM) để bảo vệ chống sao chép.

ALAC (Apple Lossless Audio Codec) – mã nguồn mở và miễn phí sử dụng từ năm 2011 (mặc dù ban đầu nó thuộc sở hữu của Apple).

FLAC (Bộ giải mã âm thanh không mất dữ liệu miễn phí) – mã nguồn mở, cấp phép định dạng miễn phí.

Nén tổn thất

MP3 – định dạng tệp âm thanh nén được phát triển bởi Nhóm chuyên gia hình ảnh chuyển động (MPEG) như một phần của tiêu chuẩn video MPEG1 của họ và sau này được mở rộng sang tiêu chuẩn MPEG2 Lớp 3.

Bằng cách loại bỏ các phần của tệp âm thanh mà thực tế không thể nghe được, tệp mp3 được nén xuống khoảng 1/10 kích thước của tệp PCM tương đương, trong khi vẫn duy trì chất lượng âm thanh tốt.

Có 2 thông số mà bạn có thể điều chỉnh để thay đổi chất lượng và kích thước của file MP3:

• Tốc độ bit;
• Tần số lấy mẫu.

MP4 hoặc M4A – sự kế thừa của MP3 dựa trên nén AAC.

M4P – Phiên bản độc quyền của AAC ở định dạng MP4 với quản lý quyền kỹ thuật số, được Apple phát triển để sử dụng cho nhạc được tải xuống từ iTunes Music Store của họ.

OGG Ogg Vorbis – Định dạng âm thanh nén mã nguồn mở, không có bằng sáng chế.

Ưu điểm và nhược điểm của ghi âm kỹ thuật số

Công nghệ số đã mang đến cho người dùng nhiều cơ hội. Ví dụ, ngày xưa để thu âm, bạn phải sử dụng phòng thu, chiếm nhiều không gian và tốn rất nhiều tiền. Bây giờ tất cả những gì bạn cần là một chiếc máy tính mạnh mẽ gấp nhiều lần so với một studio và chi phí thấp hơn nhiều.

Khả năng tiếp cận như vậy cho phép không chỉ các chuyên gia mà cả những người nghiệp dư tạo ra các bản ghi âm. Các chương trình được sử dụng ngày nay cung cấp cho bạn khả năng xử lý âm thanh gần như không giới hạn, trong khi trước đây, các công cụ thực sự đã được sử dụng cho mục đích này. Giờ đây, bạn có thể tạo hiệu ứng độc đáo chỉ bằng vài cú nhấp chuột trong Amped Studio.

Đối với người dùng thông thường, ghi âm kỹ thuật số cũng có một số ưu điểm:

• nhiều phương tiện lưu trữ rất nhỏ gọn và có thể lưu trữ các bản ghi kỹ thuật số trong nhiều năm trên ổ đĩa flash, CD, v.v;
• phần mềm đặc biệt cho phép bạn dọn dẹp các bản ghi cũ cũng như loại bỏ tiếng ồn;
• hơn nữa, tất cả âm thanh đều có thể được chỉnh sửa để thêm hiệu ứng, âm lượng, tần số, v.v.

Nhờ có Internet, người dùng có thể gửi những bản nhạc yêu thích của mình cho nhau, nghe hàng chục nghìn bản nhạc khác nhau và xuất bản các tác phẩm âm nhạc của riêng họ.

Ngoài ra, hệ thống analog có nhược điểm là độ méo tăng lên khi bạn phát và ghi lại. Mỗi bản sao tiếp theo sẽ được nghe tệ hơn. Trong hệ thống ghi kỹ thuật số, sự biến dạng này không xảy ra. Bản ghi chính có thể có lỗi lượng tử hóa tối thiểu nhưng chúng không trở nên tồi tệ hơn khi sao chép. Một bậc thầy kỹ thuật số có thể tạo ra hàng nghìn bản sao mà không bị biến dạng. Tương tự, phương tiện kỹ thuật số trên đĩa CD có thể được phát hàng nghìn lần mà không bị biến dạng.

Chắc chắn, công nghệ kỹ thuật số có những nhược điểm của nó. Với sự phát triển của họ, nhiều người bắt đầu nhận thấy rằng các bản ghi analog có “âm thanh sống động” hơn. Nhưng đây không chỉ là nỗi nhớ về ngày xưa. Tất cả đều là về số hóa, đôi khi gây thêm lỗi cho âm thanh. Ngoài ra, “tiếng ồn bóng bán dẫn” có thể tự điều chỉnh. Không có cách giải thích duy nhất về khái niệm này, nhưng ý nghĩa của nó là sự rung động hỗn loạn ở mức tần số cao. Mặc dù tai con người được thiết kế để nhận biết các tần số không cao hơn 20 kHz nhưng não của chúng ta dường như cũng có thể cảm nhận được các tần số cao hơn. Đặc điểm này khiến chúng ta nghĩ rằng âm thanh analog sạch hơn âm thanh kỹ thuật số.

Hơn nữa, tất cả các vật chứa ghi đều không hoàn hảo do bụi hoặc các chất nhiễm bẩn khác ngăn cản thiết bị thu thập dữ liệu trên phương tiện. Trong ghi âm tương tự, các khiếm khuyết xuất hiện dưới dạng tiếng ồn có thể nghe được, trong khi ở ghi âm kỹ thuật số, chúng gây ra lỗi trong luồng bit có thể dẫn đến nhiễu hoặc lỗi phát lại. Để giải quyết vấn đề này, mã sửa lỗi được nhúng vào luồng dữ liệu. Một số mã này có thể rất phức tạp và chúng cũng khiến dữ liệu chiếm nhiều dung lượng lưu trữ hơn. Tuy nhiên, kết quả là khả năng phát lại đĩa có độ tin cậy cao với mức độ bụi và trầy xước hợp lý.

Các thuật ngữ chính trong ghi âm kỹ thuật số

Bit và byte

Bit là phần tử nhỏ nhất chứa dữ liệu trong bộ nhớ máy tính. Tám bit tạo thành một byte, được máy tính xử lý như một mục hoàn chỉnh.

Mật độ cao

Điều đó có nghĩa là khả năng lưu trữ các tệp âm thanh, video hoặc dữ liệu lớn trong một không gian nhỏ.

Thông số ghi kỹ thuật số

Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng của bản ghi kỹ thuật số bao gồm:

• Độ phân giải của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC);
• Tốc độ lấy mẫu của ADC và DAC;
• Jitter (méo tín hiệu) của ADC và DAC;
• Lấy mẫu quá mức.

Hơn nữa, các cài đặt như sau đóng vai trò quan trọng:

• Có bao nhiêu tiếng ồn liên quan đến tín hiệu;
• Mức độ biến dạng của loại phi tuyến;
• Nhiễu xuyên điều chế;
• Biên độ và tần số không đều;
• Quá trình thâm nhập kênh lẫn nhau;
• Động lực học phạm vi.

Mô tả quy trình ghi kỹ thuật số

Việc ghi âm được thực hiện như sau:

1. Tín hiệu tương tự được truyền đến ADC;
2. Việc chuyển đổi tín hiệu này, trong đó sóng analog được đo nhiều lần. Sau đó, giá trị nhị phân cùng với số bit (độ dài từ) được gán cho nó;
3. Sau đó là lấy mẫu, là tần số mà ADC đo mức sóng tương tự;
4. Độ dài từ đặt trước, là mẫu âm thanh kỹ thuật số, biểu thị mức âm thanh một giây;
5. Kích thước của độ dài từ xác định độ chính xác của hiển thị mức dạng sóng âm thanh;
6. Tần số của tín hiệu số phụ thuộc vào cao độ của tốc độ lấy mẫu;
7. Các mẫu âm thanh kỹ thuật số thu được, là một chuỗi số không đổi, được xuất ra ADC;
8. Các số nhị phân thu được sau đó có thể được lưu trữ trên nhiều phương tiện truyền thông khác nhau.

Cách phát lại diễn ra:

1. Các số được gửi từ sóng mang trung bình đến DAC, biến chúng trở lại thành tín hiệu tương tự bằng cách hợp nhất dữ liệu cấp độ. Điều này khôi phục dạng sóng tương tự về dạng trước đó;
2. Tín hiệu được khuếch đại và bắt đầu truyền tới loa hoặc màn hình.

Phần kết luận

Ghi âm kỹ thuật số đã cách mạng hóa ngành công nghiệp âm nhạc và hơn thế nữa, đưa tiền thân tương tự của nó vào lịch sử. Nhờ những ưu điểm và giá cả phải chăng, công nghệ này đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và thật khó tưởng tượng thế giới ngày nay không có nó.