¿Qué es la frecuencia de muestreo y la profundidad de bits? ¿Importan?

Con servicios HiFi como Tidal, Qobuz e incluso Apple Music que ofrecen audio de 24 bits de profundidad con frecuencias de muestreo de hasta 192 kHz, el oyente promedio podría preguntarse: ¿qué significa todo esto? ¿Realmente importa? Dejando a un lado las disputas incesantes de los nerds del audio, analicemos cuáles son estos conceptos y qué nos dicen los números. Si eres nuevo en todo esto, haré todo lo posible para poner todo esto en un lenguaje y ejemplos fácilmente comprensibles.

TASA DE MUESTRA

¿Qué es? No quiero ser sarcástico, pero es literalmente la velocidad a la que se muestrea el audio. Una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz significa que por cada segundo de música, hay 44.100 puntos individuales en los que se cartografió la información de frecuencia. Estos puntos se reproducen en rápida sucesión en el transcurso de un segundo.

Usemos un ejemplo relacionado para aclarar eso: la frecuencia de muestreo es para el audio lo que la velocidad de fotogramas es para el video. Por ejemplo, la mayoría de los programas de televisión tienen de 24 a 30 cuadros (imágenes fijas individuales) que componen 1 segundo de video. Para transmisiones deportivas, 60 cuadros por segundo es común. Debido a que estos cuadros se reproducen rápidamente, nuestros cerebros interpretan el fenómeno como un movimiento continuo en lugar de instancias individuales.

Sigamos con el ejemplo de la imagen un poco más para ilustrar el siguiente punto sobre la frecuencia de muestreo. ¿Cuántos fotogramas por segundo (FPS) ve el ojo humano? Parece que hay dos respuestas a esta pregunta: A) 60 FPS es nuestro límite superior, o B) algunas personas podrían procesar más de 60 FPS. Entonces, para simplificar, digamos que el ojo humano no puede distinguir 60 FPS de 300 FPS como puede distinguir 60 FPS de 10 FPS, y la mayoría de la comunidad científica probablemente estaría de acuerdo.

Si 60 fotogramas por segundo es el umbral superior de nuestra visión, ¿cuántas muestras por segundo sirven como umbral superior para nuestros oídos? La respuesta a eso sería 40.000 muestras por segundo (40 kHz) o, para mantener las cosas en términos de formatos de archivo existentes, 44,1 kHz. Recuerde esto, volveré a ello en un momento, pero primero, repasemos brevemente el Teorema de Nyquist.

Teorema de Nyquist

Aquí tenemos uno de los mandamientos fundamentales del audio: las ondas de sonido se pueden representar de manera precisa y realista siempre que las muestras se puedan tomar al doble de la velocidad de la onda de sonido de frecuencia más alta.

Una vez más, simplifiquemos ese concepto, o al menos describamos su aplicación en el mundo real: el umbral superior de la audición humana es de 20 kHz, es decir, ondas que se repiten 20 000 veces por segundo. Por lo tanto:

20 kHz (longitud de onda más corta/más alta dentro del rango del oído humano)

X

2 ( muestras por longitud de onda necesarias para una reproducción precisa del sonido)

=

40.000 muestras por segundo (40 kHz) para reproducir con precisión toda la gama de la audición humana.

Esto, por alguna razón, se ha convertido en un punto controvertido en algunas comunidades de audio. Las frecuencias de muestreo más altas, como 96 kHz y 192 kHz, se utilizan para grabar música, debido a un efecto acústico conocido como aliasing que ocurre como resultado del fenómeno en frecuencias ultra altas, que termina afectando el audio en un rango audible. Esa es una lata de gusanos que no abriré aquí; mi punto es que cuando se trata de simplemente sentarse a escuchar música, una frecuencia de muestreo estándar de 44,1 kHz puede, en teoría, entregar con precisión cada frecuencia única a su cerebro y los oídos posiblemente pueden procesar.

PROFUNDIDAD DE BITS

La frecuencia de muestreo es responsable de la reproducción precisa de la frecuencia. La profundidad de bits, por otro lado, es responsable de la reproducción precisa del volumen. En términos un poco más técnicos, nos referiremos a esta precisión de volumen como rango dinámico. El rango dinámico es la cantidad de espacio entre el sonido más alto y el más bajo en una grabación. Por ejemplo, el audio de 16 bits tiene un rango dinámico de 96 dB, o podemos decir: el sonido más alto absoluto en un archivo será proporcionalmente 96 dB más alto que el sonido más bajo en el mismo archivo. Toda la dinámica de volumen se puede imaginar en una escala de 0 a 96dB en una grabación de 16 bits.

Como era de esperar, el audio de 24 bits tiene un mayor rango dinámico: el volumen se escala de 0 a 144 dB.

Volvamos a un paralelo visual para entender mejor esto. Si la frecuencia de muestreo es como fotogramas por segundo, ¿cuál es la profundidad de bits? Quizás podamos pensar en ello como una resolución: 720p, 1080p, 4k, etc. En videos y fotos, 1080p denota que 1080 píxeles componen la dimensión vertical de una foto. La resolución de 1080p se verá más nítida y realista que una resolución de 720p, ya que se utilizan más píxeles para representar un objeto, lo que da como resultado una representación más fina de los gradientes de color y cosas de esa naturaleza.

Ahora, en lugar de gradientes de color, piense en gradientes de volumen para imaginar la profundidad de bits. El audio con una profundidad de 16 bits contiene 65 536 pasos, mientras que el audio con una profundidad de 24 bits tiene 16 777 215 pasos (no se preocupe por qué son exactamente los pasos, solo piense en ellos como una subunidad de un bit). Esto le da al audio de 24 bits una precisión mucho más fina cuando se trata de representar con precisión relaciones de volumen delicadas (rango dinámico) entre, por ejemplo, el sonido de una púa golpeando una cuerda de guitarra y la nota C resultante que suena, o el rango dinámico entre esa misma nota C fundamental y sus armónicos superiores.

Señalé anteriormente que las limitaciones psicoacústicas humanas nos impiden escuchar realmente una diferencia entre una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz y una frecuencia de muestreo de 96 kHz. Puede que no haya algo tan conciso como el Teorema de Nyquist cuando se trata de cuán perceptibles son las diferencias en la resolución de profundidad de bits, pero es un dilema que ciertamente vale la pena considerar.

General

Entonces, ¿puede disfrutar de música de alta calidad con una profundidad estándar de 16 bits y una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz? La respuesta es decididamente sí. La respuesta a si el audio de 24 bits mejora la calidad o no, o en qué medida, está un poco más en el aire que si las frecuencias de muestreo más altas mejoran o no la calidad del audio para escuchar (lo más probable es que no lo hagan). No se deje engañar por presiones fabricadas para asegurarse de que sus pistas favoritas tengan una frecuencia de muestreo de 192 kHz y una profundidad de 32 bits. Tanto si cree que puede oír la diferencia como si piensa que todo suena exactamente igual, confíe en sus oídos y vuelva a disfrutar de su música.

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