デジタルオーディオの世界におけるサンプルレートとビット深度

デジタル音楽制作の世界では、当たり前と思われがちでありながら、最終製品に決定的な影響を与える技術的側面が数多く存在します。その中でも、見落とされがちでありながら重要な要素が、サンプルレートとビット深度です。これらは、音楽のクオリティを大きく左右する、目に見えない建築物なのです。
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音楽制作を始めると、まずDAWを覚え、イコライザーやコンプレッサーなどのさまざまなエフェクト、録音、MIDI作成に取り組みますが、サンプルレートやビット深度という言葉を扱う人はほんのわずかです。

しかし、この2つはデジタルオーディオの世界ではとても重要なことで、理解するのはそれほど難しいことではありません。また、サンプルをプロジェクトにインポートする際も同様です。

その責任の一端は、Ableton Live のような最新の DAW にあります。Ableton Live はサンプルレート(試聴率)とビット深度の概念を非常に単純化しており、プロデューサーはそれを扱う必要さえありません - なぜなら Live はオーディオファイルをプロジェクトのサンプルレートに指摘せずに自動的に変換してくれるからです。例えばPro Toolsでは、サンプルをインポートする前に能動的に変換する必要があります。

この概念を理解するために、まずアナログのオーディオ信号からデジタルのオーディオ信号への変換過程を見る必要があります。

デジタルオーディオとは?

デジタルオーディオは、デジタル形式で記録された音です。つまり、オーディオ信号は、コンピュータ、デジタルオーディオプレーヤー、デジタルオーディオワークステーションなどのデジタル機器で保存・処理できる数字の列で表現されています。

デジタルオーディオでは、音声信号の音波を一定間隔でサンプリング(記録)し、それぞれのサンプルにデジタル値を割り当てています。この処理をADC(Analogue-to-Digital Conversion)と呼びます。

音波がアナログからデジタルに変換される仕組み
音波がアナログからデジタルに変換される仕組み

デジタルオーディオ信号の品質は、サンプルレート(1秒間に何個のサンプルを記録するか)とビット深度(各サンプルにどれだけの情報を格納するか)の2つの要素によって決定されます。

マッチングを行う。 ADAT - デジタルオーディオ機器におけるインターフェースのすべて

サンプリングレートとは一体何なのでしょうか?

デジタルサンプリングレート(サンプルレート)とは、アナログ信号を1秒間に何回記録してデジタル信号を生成するかを示す。サンプルレートが高いほど、信号はより「正確」に(つまり、より頻繁に)記録されます。しかし、より多くの情報を保存するため、より多くの記憶容量も必要となります。

スケッチでは、高いサンプルレートの違いを明確に示しています
スケッチでは、高いサンプルレートの違いを明確に示しています

サンプルレートはkHzで指定され、DAWで設定することができます。複数のインターフェースやその他のデジタル・オーディオ・デバイスを一緒に接続する場合は、すべてのデバイスを同じサンプル・レートに設定する必要があります。しかし、ほとんどの USB および Thunderbolt オーディオインターフェースは、DAW のサンプル・レートに合わせて自動的に調整します。

原則として、以下のサンプルレートが使用可能です:44.1 kHz、48 kHz、96 kHz、192 kHzです。これらの数字は適当に選んだわけではなく、理由があります。

44.1kHz

このサンプルレートは、1970年代後半にコンパクトディスク(CD)フォーマットで採用された。この選択の理由はやや複雑である。それは、正確に再生できる最高周波数(サンプルレートの半分であるNyquist frequency)と関係がある。

多くの人が聞き取れる最高周波数は20kHz程度なので、理論的には40kHzのサンプルレートで十分である。しかし、エイリアシングを防ぐためにフィルターを使用しますが、このフィルターは完璧ではなく、移行帯域幅が必要です。そのため、フィルターに余裕を持たせるために、40kHzではなく44.1kHzが選ばれています。

当時の映像技術(CDのマスタリングに使われる)の規格が13.5MHzで、44.1kHzはその1/294なので、技術的な要件を満たす実用的な選択だったのです。

48kHz

このサンプルレートは、デジタルテレビ、デジタルビデオ、DVD、デジタルフィルムサウンドなど、プロの映像制作におけるオーディオの標準となっている。48kHzを選んだ正確な理由は完全には不明ですが、44.1kHzよりも高い周波数でありながら、データの保存や処理能力をそれなりに確保でき、アンチエイリアスフィルターに若干の余裕を持たせることができるためと思われます。

96 kHzおよび192 kHz

これは48kHzの単純な倍数で、高解像度のオーディオフォーマットで使用されます。高いサンプリングレートは高い周波数を再現でき、元のアナログ信号をより正確に表現できるという考え方です。しかし、これらの高い周波数が実際に人間の耳に聞こえるかどうかは議論の余地がある。

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どのサンプルレートが自分に合っているのか?

正しいサンプリングレートの選択は、様々な要因によって決まります:

  1. 44.1kHzCD用の音楽を制作している場合や、録音したものを主にインターネット上でストリーミングする場合は、44.1kHzが適しています。これは、CDやほとんどのオンライン音楽配信プラットフォームの標準的なサンプリングレートです。
  2. 48kHzビデオ用のオーディオを制作する場合、48kHzがデフォルトのサンプリングレートとなります。これは、ポッドキャストやオーディオブックの一般的なサンプリングレートでもあります。
  3. 96 kHzまたは192 kHzブルーレイや特別なハイエンドオーディオのリリースなど、ハイレゾオーディオを制作する場合、これらの高いサンプリングレートのいずれかを検討することがあります。しかし、このようなフォーマットで録音するには、非常に多くのメモリと処理能力を必要とするため、ほとんどの用途ではその価値はありません。
44.1kHz48kHz96kHz192kHz
100 MB109 MB218 MB436 MB
500 MB545 MB1.09 GB2.18 GB
1 GB1.09 GB2.18GB4.36GB
同じオーディオファイルを異なるサンプルレートで再生した場合のサイズです。

私は、すべての音楽プロデューサーとサウンドエンジニアに、常に48kHzで作業することをお勧めします。なぜなら、これは品質とコンピューティングパワーの間の良い妥協点だからです。理論的には、CDもSpotifyも44.1kHzで動作するので、44.1kHzで十分ですが、48kHzから44.1kHzへのダウンサンプリングはいつでも可能なので、より柔軟です。

サンプリングレートが高くなると、その違いがわかるのでしょうか?

これはオーディオの世界では非常に議論の多いテーマです。事実、私たち人間の聴覚はとにかく20kHzまでしか聞こえず、44.1kHzはその点では完全に適切です。高いサンプルレートは、場合によってはオーディオ処理に有利に働くこともありますが、完成したミックスでは44.1kHzと聴き分けられるほどの差はありません。

より高いサンプルレートを使用する価値はあるのでしょうか?

しかし、192kHzで録音すると、ストレージの容量が膨大になるため、大きなプロジェクト全体を録音することはお勧めしません。しかし、実際に有利になるケースもあるのです。

通常、44.1kHzのサンプルをピッチダウンする場合、サンプルの高音域のほとんどが失われますが、22.1kHz以上では、高音域の新しいギャップを埋めるためにピッチダウンする情報が残らないからです。

しかし、サンプリングレートが96kHzの場合、48kHzまでの情報が含まれており、さらにサンプルのピッチを下げると、15~20kHzの範囲に「超高域」の周波数が満たされるため、より多くの高域が保存される。

ビット深度とは何ですか?

ビット深度は、各サンプルが記録できる可能なダイナミック値の数を示します。ビットレートが高いほど、曲のダイナミクスをより正確に記録することができます。元のアナログ音声信号をデジタル化する際の解像度や精度を表す指標です。

8ビットと16ビットの違い - より高い解像度を実現するために
8ビットと16ビットの違い - より高い解像度を実現するために

実際には、デジタルオーディオの録音で最も一般的なビット深度は16ビットと24ビットです。

  • 16ビット(65,536値)CDや多くのデジタルオーディオフォーマットで標準的に使用されているビット深度です。16ビットのビット深度は、理論上約96デシベル(dB)のダイナミックレンジを可能にします。これは、録音できる最も大きな信号が、最も小さな可聴信号よりも約96dB大きいことを意味します。
  • 24ビット(16,777,216値): これは、プロフェッショナルなオーディオレコーディングや一部のハイレゾリューションオーディオフォーマットの標準的なビット深度である。24ビットのビット深度では、理論上約144dBのダイナミックレンジを実現できますが、これは人間の耳が実際に知覚できるダイナミックレンジをはるかに上回るものです。つまり、直接聞こえないような録音の静かな部分でも、音量を上げたときにだけ、より詳細な情報を残すことができるのです。このため、録音の編集やミキシングに余裕が生まれます。ノイズが少ないので、以前のように「大音量で」録音する必要はありません。

しかし、問題は、デジタル波は、ビット深度にかかわらず、アナログ波の形状を100 %にすることはできないことです。実際の音をデジタルに変換するとき、私たちは個々の値が連なった滑らかで流れるような音波を捉えようとします。しかし、必要な正確な値が得られないこともあるので、最も近い値に切り捨てる必要があります。このような処理を「定量化」といいます。

アナログの音声信号をデジタルに変換すると、このような量子化が行われます。
アナログの音声信号をデジタルに変換すると、このような量子化が行われます。

この丸め込みによって、デジタルサウンドに少しばかりのランダム性が生まれます。このランダム性は、静かな部屋で聞こえるヒスノイズのような、非常に柔らかいバックグラウンドノイズとして聞こえます。これをバックグラウンドノイズと呼びます。

音をサンプリングする方法によって、そのノイズに繰り返しのパターンが生じ、特定の周波数でより顕著になることがあります。これを相関性ノイズと呼びます。

このようなパターンを避けるために、値を丸める際に追加のランダム変数を追加することができます。この処理を ディザリング と、ノイズをより均等に分散させ、目立たなくさせる効果があります。

この背景ノイズのレベルによって、録音できる音の大きさが決まります。なぜなら、信号をきれいに保つためには、常にこの背景ノイズよりも大きな音でなければならないからです。

一方、音が歪んでしまう前に録音できる大音量には限界があります。この一番小さい音から一番大きい音までの範囲が、先ほどのダイナミックレンジです。

どのような場合に、どのようなビット深度が必要になるのでしょうか?

24bitはレベルを気にする必要がないので、レコーディングにはとても実用的です。ダイナミックレンジが広く、ノイズフロアが低いので、-15dBで簡単に録音することができます。そして、信号が歪んでいないことを確認することができます。

かつての16ビット録音機では、背景のノイズが聞こえないように、できるだけ大きな音で録音する必要があり、さらにクリッピングの危険もありました。24ビットでは、このような問題はありません。

ですから、録音や作業は常に24ビットで行うべきですが、楽曲のマスタリングが終わったら、CDやストリーミングサービスの規格である16ビットで最終マスターを書き出すべきです。

16bitと24bitの違いを聞き分けられるか?

いや、マスタリングが終わった作品を聴いても、その差はわからない。96dBより大きなダイナミックレンジを持つ音楽作品はほとんどありませんから(クラシックはそうかもしれませんが)、とにかく大きなダイナミックレンジを提供することに意味はないのです。

既成のポップス、ロック、R&B、ヒップホップ、カントリーミュージックは、通常、比較的控えめなダイナミックレンジを持っています。 通常10dB程度 - ということで、理論的には8ビットでも十分なのです。これは、楽曲の制作時に(コンプレッサーやリミッターで)大きく圧縮されるため、ダイナミックレンジが狭くなってしまうことも理由の一つです。

そのため、すべてのストリーミングサービスはいまだに16ビットで動作しています(もちろん、スペースの関係もあります)。24ビットが16ビットより優れている点は、ダイナミックレンジが広いため、レコーディング時のノイズフロアが低くなることくらいです。

では、サンプルレートとビット深度の組み合わせはどれがベストなのでしょうか?

音楽制作では、品質とファイルサイズを両立させるために、サンプリングレート48kHz、ビット深度24bitを推奨しています。この場合、ダイナミックレンジが非常に広くなり、24kHzまでの周波数帯域がほぼ無制限となり、私たちが聞き取れる以上の音量を得ることができます。

そして、ストリーミング・プラットフォームに持ち込む最終的なオーディオファイルは、44.1kHz、16ビットであるべきなのです。これが、ストリーミングサービスやCDが期待するフォーマットです。

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