Questo significa che possiamo catturare e ricostruire la frequenza della sinusoide originale con una frequenza di campionamento almeno doppia della sua frequenza, una frequenza chiamata frequenza di Nyquist. Al contrario, un sistema può catturare e ricreare frequenze fino alla metà della frequenza di campionamento, un limite chiamato frequenza di Nyquist.
Il segnale al di sopra della frequenza di Nyquist non viene registrato correttamente dai convertitori audio-digitali (ADC), rispecchiandosi attraverso la frequenza di Nyquist e introducendo frequenze artificiali in un processo chiamato aliasing.
Per prevenire l’aliasing, i convertitori audio-digitali sono spesso preceduti da filtri passa basso che eliminano le frequenze al di sopra della frequenza di Nyquist prima che l’audio arrivi al convertitore. Questo eviterà che le frequenze super alte indesiderate nell’audio originale causino l’aliasing. I primi filtri potevano contaminare l’audio, ma questo problema è stato minimizzato con l’introduzione di tecnologie migliori.
Tasso di campionamento standard: 44.1 kHz
La frequenza di campionamento più comune che vedrai è 44.1 kHz, o 44.100 campioni al secondo. Questo è lo standard per la maggior parte dell’audio di consumo, usato per formati come i CD.
Questo non è un numero arbitrario. Gli esseri umani possono sentire frequenze tra 20 Hz e 20 kHz. La maggior parte delle persone perde la capacità di sentire le frequenze superiori nel corso della vita e può sentire solo le frequenze fino a 15 kHz-18 kHz. Tuttavia, questa regola del “20 a 20” è ancora accettata come la gamma standard per tutto ciò che potremmo sentire.
Il computer dovrebbe essere in grado di ricreare onde con frequenze fino a 20 kHz per conservare tutto ciò che possiamo sentire. Quindi, una frequenza di campionamento di 40 kHz dovrebbe tecnicamente fare il trucco, giusto?
Questo è vero, ma è necessario un filtro passa-basso piuttosto potente – e un tempo costoso – per prevenire l’aliasing udibile. La frequenza di campionamento di 44,1 kHz permette tecnicamente di registrare audio a frequenze fino a 22,05 kHz. Posizionando la frequenza di Nyquist al di fuori del nostro campo uditivo, possiamo usare filtri più moderati per eliminare l’aliasing senza molti effetti udibili.
Altre frequenze di campionamento: 48 kHz, 88.2 kHz, 96 kHz, ecc.
Mentre 44.1 kHz è una frequenza di campionamento accettabile per l’audio di consumo, ci sono casi in cui vengono usate frequenze di campionamento più alte. Alcuni sono stati introdotti durante i primi giorni dell’audio digitale quando potenti filtri anti-aliasing erano costosi. Spostare la frequenza di Nyquist ancora più in alto ci permette di posizionare il filtro sempre più lontano dall’udito umano, e quindi impattare l’audio ancora meno.
48 kHz è un’altra frequenza di campionamento comune. La frequenza di campionamento più alta tecnicamente porta a più misurazioni al secondo e a una ricreazione più vicina dell’audio originale, quindi 48 kHz è spesso usato in contesti di “audio professionale” più che in contesti musicali. Per esempio, è la frequenza di campionamento standard nell’audio per il video. Questa frequenza di campionamento sposta la frequenza di Nyquist a circa 24 kHz, dando ulteriore spazio al buffer prima che il filtraggio sia necessario.
Alcuni ingegneri scelgono di lavorare con frequenze di campionamento ancora più alte, che tendono ad essere multipli di 44,1 kHz o 48 kHz. Le frequenze di campionamento di 88,2 kHz, 96 kHz, 176,4 kHz e 192 kHz portano a frequenze di Nyquist più alte, il che significa che le frequenze supersoniche possono essere registrate e ricreate. I filtri passa basso hanno meno impatto sul suono e più campioni al secondo, il che si traduce in una ricreazione più ad alta definizione dell’audio originale.
Può davvero sentire questo, però?
Alcuni tecnici esperti possono essere in grado di sentire le differenze tra le frequenze di campionamento. Tuttavia, man mano che il filtraggio e le tecnologie di conversione analogico/digitale migliorano, diventa più difficile sentire queste differenze.
In teoria, non è una cattiva idea lavorare con una frequenza di campionamento più alta, come 176,4 kHz o 192 kHz. I file saranno più grandi, ma può essere bello massimizzare la qualità del suono fino al rimbalzo finale. Alla fine, comunque, l’audio sarà probabilmente convertito a 44,1 kHz o 48 kHz. È matematicamente molto più facile convertire 88.2 in 44.1 e 96 in 48, quindi è meglio rimanere in un formato per tutto il progetto. Tuttavia, una pratica comune è quella di lavorare in 44,1 kHz o 48 kHz.
Se il sistema era impostato su una frequenza di campionamento di 48 kHz e abbiamo usato un file audio a 44,1 kHz, il sistema leggerebbe i campioni più velocemente di quanto dovrebbe. Come risultato, l’audio suonerebbe accelerato e leggermente più acuto. L’inverso accade se la frequenza di campionamento del sistema è sulla scala di 44,1 kHz e i file audio sono sulla scala di 48 kHz; l’audio suona rallentato e leggermente più basso.
Le frequenze di campionamento super alte hanno anche un interessante uso creativo. Se avete mai abbassato il pitch di un file audio standard a 44,1 kHz, avrete probabilmente notato che gli alti diventano un po’ vuoti. Le frequenze sopra i 22,05 kHz sono state filtrate prima della conversione, quindi non c’è alcun contenuto di frequenza da abbassare, con un conseguente buco negli alti.
Tuttavia, se questo audio fosse stato registrato a 192 kHz, per esempio, sarebbero state registrate frequenze fino a 96 kHz nell’audio originale. Questo è ovviamente molto al di fuori di ciò che l’uomo può sentire, ma l’abbassamento dell’audio fa sì che queste frequenze inudibili diventino udibili. Di conseguenza, è possibile abbassare notevolmente il pitch di una registrazione preservando il contenuto ad alta frequenza. Per ulteriori informazioni sulla frequenza di campionamento, assicurati di controllare questo video.
Profondità di bit
L’audio analogico è un’onda continua, con un numero effettivamente infinito di possibili valori di ampiezza. Tuttavia, per misurare quest’onda nell’audio digitale, dobbiamo definire l’ampiezza dell’onda come un valore finito ogni volta che la campioniamo.
La profondità di bit determina il numero di possibili valori di ampiezza che possiamo registrare per ogni campione. Le profondità di bit più comuni sono 16-bit, 24-bit e 32-bit. Ognuno è un termine binario, che rappresenta un numero di valori possibili. I sistemi con profondità di bit più elevate sono in grado di esprimere più valori possibili:
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