Применение устройств обработки звука

Вступление

Среди обывателей существует устойчивое мнение, что устройства обработки звука позволяют улучшить качество работы профессиональной системы звуковоспроизведения. Это правда… Однако, не стоит этот тезис экстраполировать на качество звука, который этой системой воспроизводится.

При применении любых устройств обработки звука, его качество, в принципе, может только ухудшаться. Дело в том, что они вовсе не решают проблему самого звука, а позволяют звукооператорам и звукорежиссерам нивелировать шероховатости исполнения вокалистов и музыкантов, устранить неточности в звучании музыкальных инструментов, скомпенсировать дефекты, вызванные неправильным выбором оборудования и мест его размещения, а также уменьшить влияние на воспроизведение акустических свойств помещений. Но если, например, вокалист хорошо владеет своим голосом и умеет пользоваться микрофоном, то компрессор ему ни к чему.

Изначально, процессы, связанные со специальным искажением воспроизводимого сигнала, использовались только в коммерческих звуковых системах, таких как системы телефонной, радио- или громкоговорящей связи. Сейчас они нашли широкое применение в музыке и используются для придания инструменту или голосу необычности либо ненатуральности звучания. Главным образом, это делается для того, чтобы удивить публику и усилить воздействие от прослушивания произведения.

С научной точки зрения, любое звукотехническое устройство – микрофон, усилитель мощности или акустические системы – это тоже устройства обработки звука. Во-первых, они не идеальны и изменяют амплитуду и фазу сигналов, во-вторых, эти изменения на разных частотах происходят по-разному, а в-третьих, нелинейные искажения в них приводят к появлению в них новых спектральных составляющих. Кстати, первым устройством обработки звука был динамик Leslie, который применялся вместе с электрическим органом Хаммонда в 30-40-е годы XX века и придавал ему «рычащее» звучание.

Параметры и классификация устройств обработки звука

Работа со звуком может осуществляться как в цифровом, так и в аналоговом виде, а то и вовсе без электроакустического преобразования. В связи с этим, необходимо определиться: а что подразумевается под устройством обработки звука?

Итак, мы будем рассматривать программно-аппаратные средства, работающие с электрическими сигналами звуковой частоты (как в аналоговой, так и в цифровой форме) в режиме реального времени. Прежде чем качественно оценить каждый из способов работы с ними, необходимо разобраться, как и с какой целью осуществляется обработка звуковых сигналов.

Все устройства обработки звука можно достаточно условно разделить на 3 группы:

• устройства, не вносящие в сигнал дополнительных составляющих (аудиопроцессорные блоки);
• устройства, вносящие в сигнал дополнительные составляющие (звуковые эффекты);
• устройства, синтезирующие новые сигналы на основе характеристик исходного сигнала (вокодеры).

Аудиопроцессорные блоки

К ним относятся блоки задержки, эквалайзеры, кроссоверы и компрессоры.

Необходимость в блоках задержки появилась в 40-х годах XX века, когда в кино стал использоваться стереозвук. Как известно, человек воспринимает звук как совокупность сигналов, поступающих к каждому из ушей. Анализируя задержку поступающей к каждому уху звуковой волны, наш мозг с легкостью определяет местоположение источника звука.

С помощью блока задержки, используемого, например, в одном из каналов, можно имитировать изменение местоположения источника звука относительно слушателя. Разумеется, что при формировании пространственных эффектов, слушатель охотно вовлекается в звуковую картину. Вообще, задержка звука – естественное природное явление, связанное с тем, что скорость распространения звуковой волны относительно невысокая. Наверняка всем знаком эффект эха, возникающий при отражении волны от препятствия и преодоления ею обратного пути. Отличие эффекта, реализованного с помощью блока задержки, заключается в том, что «отраженный» сигнал ничем не отличается от исходного. В реальных условиях спектр сигнала при отражении существенно изменяется, так как различные его составляющие по-разному отражаются от препятствий.

В настоящее время блоки задержки широко используются в составе аудиопроцессоров. Они служат для выравнивания звукового поля в больших и сложных помещениях, в конференц-залах, а также для создания звуковых эффектов, таких как Echo, Delay, Reverberation и др. Время задержки может регулироваться – от единиц микросекунд до десятков секунд. Аналоговые линии задержки довольно сложны и сейчас не используются. Принцип действия цифровых блоков заключается в записи двоичного представления сигнала в память и последующем воспроизведении этой информации, но с задержкой, которая программно регулируется и устанавливается.

Эквалайзеры (от англ. equalize - выравнивать) появились достаточно давно, и их история развития неразрывно связана с развитием электрических фильтров. Они предназначены для выравнивания амплитудно-частотных характеристик электрических сигналов. Фильтрующие свойства электрических цепей к 30-м годам XX века уже широко использовались для компенсации потерь в каналах передачи сигналов. Первым, кто внедрил эквалайзер в звукоусилительную систему, был Джон Волкман. Прибор EQ-251A использовался в кино для коррекции звука и имел всего два ползунка и переключатель выбора частоты для каждого из них. Уже тогда применение эквалайзеров было необходимо, учитывая низкое качество звукозаписывающей и звуковоспроизводящей техники. После Второй мировой войны были разработаны многополосные эквалайзеры, использующие фильтры с высокой добротностью. В настоящее время эти устройства широко используются как в бытовых, так и профессиональных системах. Простейший, всем известный эквалайзер – регулятор тембра, который включает 2 фильтра: НЧ и ВЧ.

Принцип действия эквалайзера заключается в раздельной регулировке уровней составляющих сигнала на различных частотах. Звуковой сигнал имеет богатый спектр, который с помощью полосовых фильтров разделяется на составляющие. Это дает возможность выделить определенные частоты, составляющие основу звучания музыкального инструмента, либо убрать высокочастотные составляющие, такие как звук касания пальцем струны, сделать тембровую окраску мягче или, наоборот, жестче.

Необходимо помнить, что эквалайзер никогда не добавит в звучание то, чего нет в исходном сигнале, а значит, он не решит проблемы самого сигнала. Поэтому профессионалы предпочитают такие устройства не использовать или используют их с очень большой осторожностью. Небрежное обращение с эквалайзером приводит к неестественности звучания. Например, удаление из сигнала, снимаемого с гитары, низких частот, может улучшить качество записи при сведении его с другими партиями (низкие частоты хоть и не присущи гитаре, но присутствуют в спектре ее сигнала и могут маскировать другие инструменты, влияя на их звучание). Однако, даже незначительное приглушение высокочастотных составляющих (от 1 до 5 кГц) в том же сигнале, приведет к потере четкости и яркости игры, исчезнут детали. Визуально это выражается в сглаживании сигнала, а на слух воспринимается как тусклость и излишняя тонкость звучания. Непрофессиональный подход к эквализации вокальной партии может вызвать не только потерю выразительности и энергичности голоса, но даже изменение букв и окончаний.

Различают графические и параметрические эквалайзеры. Графические отличаются большей наглядностью, пользователь с помощью многочисленных ползунков (регуляторов), каждый из которых соответствует фиксированной частоте полосового фильтра, определяет уровень усиления или ослабления сигнала в узкой полосе частот. Центральные частоты фильтров в графических эквалайзерах обычно устанавливаются по октавам. Для выбора центральных частот, кстати, имеется стандарт ISO. При достаточно большом количестве полос на панели управления эквалайзера вполне отчетливо вырисовывается график его амлитудно-частотной характеристики. Поэтому такие эквалайзеры и называются графическими. Их недостаток заключается в том, что пользователь не имеет возможности самостоятельно настраивать полосовые фильтры, т.е. устанавливать их центральные частоты и добротность.

Параметрический эквалайзер позволяет регулировать параметры полосовых фильтров: центральную частоту, добротность (полоса пропускания) и собственно усиление (ослабление). Они просто незаменимы, когда надо вырезать узкий участок спектра сигнала, на котором, например, из-за акустической обратной связи, система звуковоспроизведения начинает возбуждаться. Каждый из нас наверняка слышал характерный свист из акустических систем при поднесении к ним микрофона. Параметрические эквалайзеры сложнее в настройке и несколько дороже. Количество полос в них, как правило, намного меньше, чем в графических.

В настоящее время используются графические и параметрические эквалайзеры, причем как цифровые, так аналоговые и гибридные. Эти устройства могут выполняться как в виде отдельных блоков, так и быть встраиваемыми в микшеры, предварительные усилители, программное обеспечение для работы со звуком.

Например, компания Inter-M широко применяет графические эквалайзеры в трансляционном и профессиональном звуковом оборудовании (IMX-416, PP-9213, PP-9214, PAM-510, PCT-620 и многих других), а также производит эквалайзеры в виде отдельных блоков EQ-2215 (графический, 2 канала, 15 полос), EQ-2131 (графический, 1 канал, 31 полоса), EQ-2231 (графический, 2 канала, 31 полоса) и MEQ-2000 (цифровой смешанного типа, 31 полоса + 8 полосовых фильтров).

Кроссовер предназначен для разделения сигнала на несколько спектральных составляющих. Устройство применяется для построения систем звукоусиления, раздельного по полосам частот. При этом для воспроизведения каждого выделенного кроссовером частотного диапазона (”сверхнизкие частоты”, "низкие частоты", "средние частоты", "высокие частоты") применяется отдельный канал усиления. Для построения систем большой мощности, применение принципа раздельного усиления по частотам является практически единственным решением, обеспечивающим высокое качество звука. История кроссоверов неразрывно связана с историей развития акустических систем. Когда стало очевидно, что с помощью одного электродинамического излучателя невозможно воспроизвести весь спектр звукового сигнала, появилась необходимость в фильтрах, разделяющих энергию между НЧ, СЧ и ВЧ излучателями. Первым кроссовером можно считать обычный пассивный разделительный фильтр.

Различают активные и пассивные кроссоверы. Пассивные отличаются тем, что в них все параметры разделения фиксированы и не могут изменяться пользователем. Активные кроссоверы выполняются или в виде отдельных блоков, или являются частью аудиопроцессорного модуля.

В линейке профессионального оборудования Inter-M кроссоверы представлены 19” блоком DIV-9123, который может работать в режиме «стерео» (разделение на 2 полосы в каждом канале + бас) и в режиме «моно» (разделение на 3 полосы + бас). К основным параметрам, регулируемым с помощью активного кроссовера относятся:

• частота разделения (частота среза фильтра) для каждой полосы;
• крутизна среза фильтров.

Частота разделения для подключения сабвуфера обычно устанавливается в диапазоне от 60 до 250 Гц, а для разделения на средние и высокие – в диапазоне от 80 до 8000 Гц. Крутизна среза характеристик фильтров в зависимости от качества кроссовера составляет от 6 до 72 дБ на октаву. Типовое значение составляет 18-24 дБ на октаву, что соответствует третьему-четвертому порядку чувствительности. Например, DIV-9123 имеет крутизну среза не менее 24 дБ на октаву. Нередко кроссоверы оснащаются дополнительным отключаемым фильтром высоких частот с частотой среза 30 Гц, который позволяет защитить акустические системы от воздействия ультранизких частот.

Компрессор предназначен для сжатия (англ. compress) динамического диапазона сигнала. Иными словами, он уменьшает разницу между самыми громкими и самыми тихими звуками. В недавнем прошлом функции компрессора выполнял звукооператор, предугадывая изменения громкости, например, вокалиста и регулируя, соответствующим образом, громкость воспроизведения. История компрессоров началась во время Второй мировой войны. Тогда, из-за резких скачков уровня громкости в передаваемом сигнале, часто выходили из строя радиостанции. С тех пор компрессор используется практически во всех радиостанциях, в том числе и в широковещательных. Кроме того, устройство нашло применение в звуковых системах. Работа компрессоров помогает повысить разборчивость речи при работе с микрофонами, увеличить цифровое разрешение, а значит, и отношения сигнал/шум, придать «плотность» звучания голосу и инструментам. Результат обработки звука компрессором едва различим на слух. Но при правильной работе с ним тусклый звук можно сделать более острым и насыщенным, голос сделать более жестким, придать ему нехарактерные для исполнителя черты, а дешевые музыкальные инструменты выставить в более выгодном свете. Однако, из-за недостатка квалификации, звук можно непоправимо испортить.

Разновидностей компрессоров, как и других блоков обработки звука, великое множество – цифровые и аналоговые, аппаратные и программные, ручные и автоматические, оптико-электронные, ламповые, транзисторные и т.д.

Любой компрессор имеет 5 основных параметров:

• Проговый уровень (threshold). Выражается в децибелах. Это значение, при превышении которого компрессор начинает ослаблять сигнал.

  

  Рис. 12. Принцип действия звукового компрессора

  Правильный выбор порогового значения – наиболее сложная задача. При установке высокого уровня сигнал практически не подвергнется компрессии, а при малом пороговом уровне сигнал будет заглушен и потеряет свою информативность.

• Степень компрессии (ratio). Выражается в формате «х:1». Это значение определяет степень ослабления сигнала, уровень которого превысил пороговое значение. Например, если установлено соотношение 1:1, то сигнал не подвергается компрессии. Если установлено значение ∞:1, то происходит жесткое ограничение сигнала и компрессор выполняет функции другого устройства – лимитера (англ. Limit – ограничивать). Амплитуду выходного сигнала компрессора при превышении порогового значения можно определить по формуле:

  OUT = Threshold + (IN – Threshold) / Ratio

  Например, если входной сигнал IN = -4 дБ, пороговый уровень Threshold установлен -12 дБ, а степень компрессии 2:1, тогда выходной уровень OUT = -8 дБ.

• Время атаки (attack). Обычно выражается в миллисекундах. Это значение определяет интервал времени между превышением сигналом порогового значения и моментом срабатывания компрессора.

  

  Рис. 13. Пример применения акустического компрессора

• Время восстановления (release). Обычно выражается в миллисекундах. Это значение определяет интервал времени, в течение которого, при снижении уровня входного сигнала ниже порогового значения, продолжается его компрессия. Проще говоря, если время атаки определяет агрессивность и быстроту реакции компрессора, то время спада – инертность процесса компрессии.

  Комбинируя настройками времени атаки и восстановления, можно добиться самых различных результатов. Например, большое время атаки позволяет производить компрессию, не затрагивая быстрых, переходных сигналов. Чаще всего, для натуральности воспроизведения, время восстановления устанавливается соизмеримым с длительностью звучания музыкального инструмента. Некоторые компрессоры не позволяют вручную регулировать время атаки и восстановления, а устанавливают их автоматически, анализируя входной сигнал. Это значительно упрощает работу с устройством, но, в тоже время, несколько уменьшает его возможности, особенно в области художественной обработки звука.

• Усиление или восстановление сигнала (make-up gain). Выражается в децибелах. Это значение определяет амплитуду выходного сигнала компрессора. Процесс компрессии неизбежно приводит к уменьшению амплитуды. Поэтому многие из этих устройств имеют на выходе усилитель, с помощью которого осуществляется так называемая нормализация сигнала, то есть приведение его амплитуды к тому значению, которое имел входной сигнал. Кроме того, нормализация упрощает работу звукооператору, так как при прослушивании сигналы на входе и выходе компрессора имеют равную амплитуду.

В большинстве современных компрессоров предусмотрены дополнительные режимы, настройки и функции:

• Bypass (обход). При включении данной функции сигнал со входа поступает непосредственно на выход, не подвергаясь какой-либо обработке. Это позволяет эффективно сравнивать «чистый» и обработанный сигналы, вносить коррективы в установленные настройки компрессора.
• Регулировка чувствительности. Данная регулировка осуществляется, как правило, с помощью переключателя уровней и позволяет компрессору работать с сигналами амплитудой -10,0 или +4 дБ.
• Тип компрессии (knee). Различают мягкую (soft knee) и жесткую (hard knee) компрессию. Различия заключаются в том, насколько быстро и мягко компрессор будет переходить из состояния «бездействия» в режим компрессии после того как уровень сигнала превысит пороговое значение.
  

  Рис. 14. Примеры характеристик для мягкого и жесткого режимов компрессии

  Жесткий режим используется для «лимитирования» пиков. Звучание за счет «крутого» излома проходной характеристики получается резким и обрывистым, особенно при высоком уровне компрессии. При мягкой характеристике компрессия начинается заранее, по мере того, как уровень сигнала приближается к заданному пороговому значению. Степень компрессии при этом плавно увеличивается и достигает заданного значения в точке, соответствующей пороговому значению. «Мягкая» компрессия является наиболее предпочтительной для большинства инструментов и вокала, так как звучание получается более прозрачным и естественным.
• Режим RMS/peak. Данная функция определяет характер компрессии: либо компрессия происходит по среднеарифметическому значению уровня сигнала (режим RMS), либо компрессии подвергаются только пиковые значения сигнала. В последнем случае компрессор не будет обрабатывать большинство данных в сигнале, а будет реагировать только на пиковые всплески.
• Автоматический режим (auto mode). В автоматическом режиме компрессор анализирует поступающий на вход сигнал, и в соответствии с его свойствами, корректирует время атаки и восстановления. Например, если гитарист начинает играть «жёстче», прибор автоматически снижает время атаки, позволяя тем самым «поймать» увеличившиеся пиковые значения. С другой стороны, если компрессор «чувствует» увеличение средних уровней, он повышает время восстановления сигнала, чтобы избежать всплесков при возвращении уровня сигнала к исходному значению. Автоматический режим удобен в том случае, когда у звукооператора недостаточно времени или квалификации. Недостатком автоматического режима является потеря контроля над звучанием. Компрессор в автоматическом режиме будет беспощадно подавлять попытки сыграть более агрессивно, выделить какие-то участки произведения.
• Side chain. Данный режим позволяет реализовать компрессию не по уровню исходного сигнала, а по уровню внешнего сигнала, подаваемого на соответствующий вход. Несмотря на кажущуюся сложность такой обработки, этот режим достаточно широко используется, например, для реализации функции de-esser и ducker. Режим автоматического приглушения – ducker – используется при записи или, например, в работе радиостанции. Музыка транслируется через компрессор, а микрофон ди-джея подключается ко входу side chain. При появлении сигнала от микрофона, музыка будет автоматически приглушаться в соответствии с настройками компрессора. Такое устройство, как de-esser предназначено для удаления из вокальной партии шипящих звуков, которые, как известно, очень заметны на слух. Чтобы реализовать de-esser с помощью компрессора, необходимо подключить к его входу сигнал от микрофона (разумеется, предварительно усиленный), а на вход side chain подать тот же сигнал, но пропущенный через эквалайзер. На нем нужно прибрать все частоты, кроме тех, которые воспроизводит вокалист при произнесении шипящих согласных – «с» и пр. Таким образом, компрессия сигнала будет осуществляться только при произнесении согласных. При удачной настройке эквалайзера, степени компрессии, времени атаки и восстановления, можно добиться впечатляющей чистоты звучания голоса.

Компрессоры также могут быть частотно-зависимыми или многополосными. Многополосный компрессор, по сути, объединяет в себе кроссовер и многоканальный компрессор. Обработка сигнала осуществляется отдельно для различных частотных составляющих, что бывает полезно при сведении музыкальной композиции. Частотно-зависимый компрессор подвергает сигнал обработке только в заданном узком диапазоне частот. Частным случаем частотно-зависимого компрессора является de-esser.

В настоящее время в чистом виде компрессор не используется, он дополняется множеством перечисленных функций, связанных с динамической обработкой сигнала. Например, CN-9102 Inter-M, кроме функций 2-х канального компрессора, выполняет функции лимитера (limiter) и шумоподавителя (noise gate).

Лимитер является частным случаем компрессора с установленной степенью компрессии ∞:1.

Шумоподавитель используется для создания комфортных пауз между сигналами. Он также закрывает вход при падении уровня сигнала ниже порогового значения, которое устанавливается вручную или автоматически исходя из отношения сигнал/шум.

При установке слишком высокого порога noise gate threshold сигнал может существенно потерять информативность, что выражается в уменьшении продолжительности, обрывистости звучания.

Среди других устройств динамической обработки звука можно выделить повышающий компрессор и экспандер. Повышающий компрессор, в отличие от рассмотренного выше, усиливает сигнал при падении его уровня ниже установленного порогового уровня. Экспандер – это устройство, расширяющее динамический диапазон сигнала, то есть противоположное компрессору. Экспандер позволяет улучшить макродинамику произведения, придать живости некоторым инструментам, а также в ряде случаев, исправить перекомпрессию сигнала.

Звуковые эффекты

Устройства, реализующие звуковые эффекты, искажают исходный сигнал, привнося в него что-то новое. Прежде чем рассматривать такие устройства, стоит отметить, что оригинальность звучания музыкальных инструментов, появившихся в XX веке, достигалась не только за счёт мастерства, интересных находок со стороны исполнителей, а в большей степени за счет технических ухищрений. Звуковые эффекты подарили нам множество новых направлений в музыке, современная музыка, театр и кино сегодня без них просто немыслимы. С их помощью можно привнести интригу, изменить характер звучания до неузнаваемости, имитировать объем, движение и многое другое…

Поскольку звуковой сигнал можно характеризовать амплитудой, частотой, начальной фазой и временем его возникновения, то и звуковые эффекты можно разделить на процессы, искажающие амплитуду, частоту, фазу, время или несколько этих характеристик одновременно. Амплитудные преобразования реализуют такие эффекты как, например, distortion, over drive, fuzz, амплитудное vibrato и tremolo, panning, ADSR и др. К эффектам задержки относятся reverberation, delay, echo, flanger, chorus. К эффектам, искажающим фазу, например, относится phaser. Частотные преобразования реализует одна из разновидностей эффекта vibrato, а также эффект pitch.

Эффект delay, как уже упоминалось, связан с задержкой сигнала и последующего сложения его с исходным звуковым сигналом. Сам по себе delay используется редко, так как звук при этом получается неестественным. В основном данный эффект характеризуется временем задержки и соотношением амплитуд исходного сигнала и его копии. Если установить время задержки более 60-100 мс, то человеческое ухо будет воспринимать задержанную копию сигнала как отдельный сигнал, то есть, как эхо. Звуки перестанут сливаться, и покажутся отражениями от удаленных преград.

Эффект Echo характеризуется не только увеличенным до 100 мс и более временем задержки, но и изменением спектра сигнала. Это связано с тем, что в природе различные частотные составляющие звукового сигнала, отражаясь от преград, имеют различную степень затухания. Как известно, лучше всего отражаются низкочастотные составляющие.

Reverberation (англ. – повторение, отражение) в настоящее время относится к наиболее популярным звуковым эффектам. Реверберация – природное явление, и, как многие другие природные явления, широко используется человеком в его деятельности. Суть эффекта заключается в том, что исходный звуковой сигнал смешивается со своими копиями, задержанными относительно него на различные интервалы времени. Отличие от Delay состоит в том, что, во-первых, при реверберации количество копий сигнала значительно больше; во-вторых, с увеличением времени задержки сигнала, его амплитуда уменьшается; в-третьих, относительное время задержки нельзя установить большим.

Эффект Reverberation позволяет имитировать геометрию помещения, покрытие его стен, пола и потолка. С его помощью можно обеспечить иллюзию, превратив маленькую, заглушенную на сто процентов, комнату звукозаписи в огромный кафедральный собор или туннель. У слушателя возникает ощущение объемного гулкого помещения. Тембр музыкальных инструментов обогащается, голос приобретает напевность, а некоторые его недостатки удачно маскируются.

Для сравнения реверберационных свойств помещений было введен термин – время реверберации. Данное понятие можно сформулировать так: это время, за которое уровень воспроизводимого импульсного сигнала уменьшается на 60 дБ.

История устройств, реализующих эффект reverberation, началась с появлением эхо-камер. Позже использовались стальные листы, колебания в которых вызывались электромагнитным приводом. Реверберация получалась не трехмерная, а плоская, а сам сигнал имел характерный металлический призвук. В середине 60-х годов для получения эффекта реверберации стали применять пружинные ревербераторы (преимущественно в гитарных усилителях). С помощью электромагнитного преобразователя, соединенного с одним из концов пружины, возбуждались механические колебания, которые с задержкой достигали другого конца пружины, связанного с датчиком. Эффект повторения звука был обусловлен многократным отражением волн механических колебаний от концов пружины. Качество звука в пружинном ревербераторе было чрезвычайно низким. Пружина воспринимала любые колебания воздуха и пола. Кроме того, звук имел ярко выраженную "металлическую" окраску, а время реверберации не регулировалось. Позже на смену пружинным пришли магнитофонные ревербераторы. Механизм формирования эхо-сигнала в них был довольно прост: исходный сигнал записывался на ленту записывающей магнитной головкой, а затем считывался воспроизводящей магнитной головкой (через время, необходимое для перемещения ленты) и через цепь обратной связи вновь подавался на запись. В цепи обратной связи сигнал уменьшался по амплитуде, что обеспечивало постепенное затухание звука при реверберации. Недостаток магнитофонного ревербератора заключался в том, что при существовавших скоростях протяжки ленты удавалось получить только эффект эха. Для получения собственно реверберации требовалось либо еще сильнее сблизить магнитные головки (чего не позволяла сделать их конструкция), либо значительно увеличить скорость движения ленты.

С развитием цифровой техники и появлением интегральных микросхем появилась возможность реализовать высококачественные цифровые ревербераторы. В таких устройствах время задержки практически не ограничено, что позволяет на их основе реализовывать все эффекты, связанные с задержкой сигнала. В любом современном цифровом ревербераторе можно выбрать несколько программ, имитирующих как реальные, так и фантастические условия воспроизведения. Они реализуют различные математические модели, имеют различные настройки и параметры. Поэтому, чаще всего, производители создают ряд предустановок, позволяющих воссоздать объемные характеристики неких стандартных помещений. Это помогает звукооператорам быстро освоить новое устройство или программу.

Эффект Flanger можно услышать, например, на остановке общественного транспорта, слушая звук проезжающего мимо автомобиля. Всем известен эффект повышения тона гудка приближающегося поезда, который нам объясняли на уроках физики в школе (эффект Доплера). Естественно, это свойство можно использовать и в музыке. Механизм его реализации был совершенно случайно открыт в 1958 году звукорежиссером Филом Спектором. Он пытался «удвоить» голос, воспроизводя его на двух магнитофонах одновременно, и задел обод катушки с лентой. В результате получился эффект временной модуляции, который Фил назвал flanger (англ. – обод катушки).

Как уже говорилось, эффект delay имитирует неодновременное восприятие человеком звуковых сигналов. В реальности это вызвано различными путями распространения звука от источника к приемнику. При условии неподвижности относительно друг друга источника и приемника звука, а также предметов, от которых он отражается, частота колебания не изменяется, каким бы путем она не достигала наших ушей. Но в реальной жизни это условие редко выполнимо. Если какой-либо из трех элементов подвижен, то частота принимаемого звука не может оставаться той же, что и частота звука переданного. Это и есть проявление эффекта Доплера. Итак, реальные звуки при распространении претерпевают не только расщепление на несколько звуковых волн и различную для каждой из них задержку, но и неодинаковое изменение частот для разных спектральных составляющих. Flanger имитирует проявление взаимного перемещения трех упомянутых элементов: источника, приемника и отражателя звука. По сути, эффект представляет собой echo c изменяемым по определенному закону временем задержки. Поскольку время задержки при использовании flanger составляет 1 – 25 мс, то мы не воспринимаем исходный и задержанный сигнал раздельно.

В прошлом, чтобы получить эффект Flanger, вместо одной инженеры использовали несколько акустических систем, размещенных на различных расстояниях от слушателей. В определенные моменты производили поочередное подключение источника сигнала к акустическим системам таким образом, что создавалась иллюзия приближения или удаления источника звука.

Эффект Chorus (англ. – хор) превращает звучание одного инструмента или голоса в целый хор. Хоровое пение и одновременное звучание нескольких музыкальных инструментов украшает музыкальное произведение. В электронной музыке создание одинаковых сигналов не представляет сложности. Но, если их сложить вместе, то звучание будет слишком правильным, но безжизненным и тусклым. Дело в том, что хотя исполнители, при работе в оркестре, и стараются играть одинаково, но из-за индивидуальных особенностей источников, звук все равно получается разным. В пространстве, тракте звукоусиления и в слуховом аппарате человека, эти немного неодинаковые колебания взаимодействуют, образуя, так называемые, биения. За счет биений спектр звука обогащается. Считается, что предельным случаем chorus является унисон – одновременное звучание, слегка отличающихся по частоте, двух источников. Именно унисон лежит в основе звучания двенадцатиструнной гитары и аккордеона. В аккордеоне, например, звук каждой ноты генерируется узлом, которые содержат два язычка, специально настроенных с небольшой (в единицы герц) разницей в частотах. В двенадцатиструнной гитаре звук извлекается одновременно из пары струн, настроенных в октаву. Разница в частотах образуется естественным путем, из-за невозможности идеально одинаково настроить струны инструмента. Ничтожная разница в частотах голосов певцов или инструментов и служит причиной красивого звучания.

По сути, все алгоритмы реализации эффекта chorus сводятся к тому, что копии сигнала с небольшой задержкой складывается с исходным сигналом. Но, в отличие от механизма реализации эффекта echo, спектр каждой копии сигнала незначительно сдвигается по частоте, т.е. подвергается частотной модуляции. Частотные сдвиги и время задержки для каждой из копий сигнала могут изменяться во времени, что обеспечивает непрерывное изменение спектра. При этом период полного цикла этих изменений обычно настолько велик, что повторяемость свойств сигнала не ощущается. В настоящее время Chorus стал одним из эффектов, имеющихся практически в каждом синтезаторе и многих звуковых картах. Он имеет множество разновидностей. Необходимо отметить, что чрезмерное употребление данного эффекта может привести к ухудшению разборчивости звучания голоса и к "засорению" музыкального произведения.

К амплитудным преобразованиям, в принципе, относится такой процесс как усиление, при котором амплитуда сигнала увеличивается или уменьшается пропорционально некоторой постоянной величине. Если задаться целью, изменить коэффициент усиления или ослабления сигнала по определенному закону, то мы в итоге получим такие звуковые эффекты как, например, ADSR (Attack, Decay, Sustain, Release). Данный эффект широко используется в синтезаторах и позволяет с помощью 4-х параметров описать функцию, по которой изменяется амплитуда воспроизводимого сигнала.

Это обеспечивает схожесть электронного музыкального инструмента с реальным, например, такого как синтезатор. Если орган звучит ровно, пока нажата клавиша, то звук, издаваемый гитарой, имеет максимальную громкость только в момент удара по струне, после чего он плавно затухает. Необходимо отметить, что ADSR является самым примитивным способом описания огибающей сигнала – современные синтезаторы гораздо сложнее. Эффект может применяться не только в отношении каждой ноты, но и в отношении некоторых участков музыкального произведения. В этом случае его принято называть Envelope. С помощью такого преобразования, сигнал, записанный с равномерной громкостью (интенсивностью) на всей его протяженности, можно сделать медленно нарастающим вначале и медленно спадающим в конце. В стереосистемах, изменением уровня громкости составляющих одного и того же сигнала в разных каналах, можно добиться эффекта перемещения источника звука по стереопанораме. Это реализуется с помощью таких эффектов, как Panning / Ping-pong.

Сущность амплитудного vibrato состоит в периодическом изменении уровня громкости звукового сигнала. Частота, с которой происходит изменение амплитуды, выбирается в диапазоне от долей герца до 10 Гц. При выходе за эти рамки необходимый эстетический эффект не достигается. По сравнению с тембром исходного сигнала, тембр сигнала с амплитудным вибрато богаче, и его широко используют, например, при пении. Степень проявления эффекта характеризуется глубиной вибрато: n = Sv/Si, где Sv – максимальное изменение амплитуды сигнала с вибрато, Si – амплитуда исходного сигнала. Глубина вибрато может устанавливаться от 0 до 1.

Особой разновидностью амплитудного вибрато является tremolo, отличительной чертой которого являются относительно высокая частота вибрации (10–12 Гц), глубина вибрато n = 1 и импульсная форма результирующего сигнала. Тремоло, например, является основным приемом игры на мандолине. Амплитудное vibrato и его частный случай tremolo используют достаточно редко, особенно для обработки вокала.

Такие эффекты, как Over drive, Distortion и Fuzz реализуются за счет нелинейных искажений, возникающих при перегрузке усилителя. Их история началась в середине прошлого века, когда тембру электрогитары стали уделять большее внимание. В конце пятидесятых годов, например, широко применяли пружинные ревербераторы, встроенные в комбо-усилители. Для большой громкости гитарные усилители нередко перегружались как по входу, так и по выходу.

При перегрузке по входу, то есть при подаче на вход усилителя сигнала слишком большого уровня, синусоидальная волна обрезается, и результирующей формой волны становится уже не синусоида, а квазитрапеция, имеющая иной характер звучания. Аккорды при этом звучат очень грязно, с хрипом и ревом, так как образующиеся в результате интермодуляции комбинационные частоты затрудняют интонационную разборчивость нот, составляющих аккорд. Отдельные мелодические ноты мало напоминают тембр гитары – но, удивительное дело, этот звук понравился и музыкантам, и публике.

Over Drive, Distortion и Fuzz реализуются с помощью лимитеров и отличаются только степенью вносимого искажения. Например, Over drive (англ. – перегрузка) используется для искажения только самых громких звуков. Когда гитарист начинает играть громче, сигнал попадает в область действия лимитера и верхушка сигнала обрезается. В результате, инструмент приобретает очень интересный характер, такой эффект украшает его звучание, как легкая хрипота украшает голос вокалиста. Distortion (англ. – искажение) и Fuzz искажают сигнал в значительно большей степени, приближая его форму к прямоугольной. Звук зачастую получается слишком грязный, поэтому используются дополнительные фильтры (эквалайзер) для сглаживания «острых углов» в звучании.

Эффект Phaser, как это следует из названия, реализуется за счет изменения мгновенного значения фазы сигнала. В принципе, этот эффект очень похож на Flanger и достигается таким же способом. Иногда его даже относят к группе звуковых эффектов задержки сигнала. Отличие заключается в том, что при времени задержки, сопоставимом с периодом колебания, что характерно для Phaser, принято говорить собственно не о временной задержке, а о фазовых сдвигах. И Flanger и Phaser имитируют проявления перемещения источника, приемника или отражателя звука. Чтобы понять их различия можно представить последствия применения этих эффектов. Образно говоря, если бы певец летел к слушателю в зале со скоростью поезда, то получился бы Flanger, а если бы слушатель часто-часто вертел головой из стороны в сторону, то получился бы Phaser. По своей сути Phaser – это эффект с применением фазового вибрато.

Кроме амплитудного и фазового существует частотное и тембровое vibrato. Суть частотного vibrato заключается в периодическом изменении частоты звукового колебания. Этот эффект использовался в музыке задолго до появления электронных музыкальных инструментов и реализовывался, кстати, более простыми способами. Например, скрипка в умелых руках потому и звучит так прекрасно, что едва заметными движениями пальцев вдоль грифа скрипач создает частотное вибрато. На электрогитаре этот эффект реализуется с помощью специального механизма: подвижной подставки для крепления струн и рычага. Реализация частотного вибрато в электронных инструментах и синтезаторах достаточно проста. В радиотехнике этот процесс называется частотной модуляцией. Если изменение частоты производится по периодическому закону, то в результате получается частотное вибрато. При этом спектр сигнала расширяется, тембр перестает быть постоянным и периодически изменяется во времени. Необходимо отметить, что эффект имеет эстетическую ценность только в том случае, если глубина частотного вибрато (относительное изменение частоты звука) невелика. В противном случае создается впечатление, что инструмент расстроен. Частотное вибрато используется само по себе, а также является составной частью в более сложных звуковых эффектах.

Сущность эффекта тембрового vibrato состоит в том, что исходный сигнал пропускается через полосовой фильтр, у которого периодически изменяется либо центральная частота, либо полоса пропускания, либо оба параметра вместе. При этом фильтр выделяет из всего спектра исходного сигнала только те частотные составляющие, которые попадают в "мгновенную" полосу его пропускания. Так как полоса пропускания "дышит" по ширине и "гуляет" по частоте, то тембр сигнала периодически изменяется. Тембровое вибрато может быть не только автоматическим, но и ручным. Вариант ручного тембрового вибрато известен под названием Wah-Wah. Тембровое вибрато звучит необычайно красиво, но для этого необходимо синхронизировать период изменения настроек полосового фильтра со скоростью игры.

Преобразования, связанные с перемещением спектра сигнала вверх или вниз по частоте, реализует такой эффект, как Pitch. При этом к исходному сигналу добавляется его копия, сдвинутая по частоте на определенное значение, обычно в пределах двух октав. Частным случаем Pitch является Octaver. При его использовании копия сигнала имеет частоту в два раза большую или меньшую частоты исходного сигнала. Иначе говоря, исходный сигнал и его копия составляют музыкальный интервал, именуемый октавой.

Звуковые эффекты в настоящее время реализуются как с помощью ПК, так и в виде отдельных программно-аппаратных комплексов. Они в огромном количестве присутствуют в каждом приложении для обработки звука, для сведения музыкальных композиций, таких как Cubase, Sound Forge, Vegas, Ableton и др. Из-за сложности алгоритмов реализации некоторые эффекты вызывают задержку сигнала, что затрудняет их использование в режиме реального времени. Процессорами звуковых эффектов оснащаются музыкальные центры, инструментальные усилители (особенно гитарные) и др. Среди производителей кроме именитых вендоров Ibanez, Marshall, Fender, Pioneer ежегодно появляется множество новых компаний. Каждый производитель реализует эффекты по своему, что несколько затрудняет их использование. С другой стороны любой специалист может подобрать устройство на свой вкус.

Вокодеры

Вокодер (англ. voice coder речевой кодер) был разработан для экономии частотных ресурсов в цифровой радиосвязи. При его использовании в канале связи транслируется не сам сигнал, а способ его синтеза. В результате удается очень существенно сжимать поток данных. Принцип его работы схож собственно с физическим принципом формирования речевого сигнала. Первым таким устройством был параметрический вокодер Дадли. При кодировании на каждом интервале времени (фрейм 20-30 мс) анализируется характеристика речи - "звонкая-глухая". В случае звонкой речи, определяется частота основного тона, а также параметры фильтра, образуемого голосовыми связками и ротовой полостью. Эти параметры вместе с общей оценкой громкости передаются в канале связи. Декодер по полученным параметрам восстанавливает речь – фильтры при воспроизведении гласных возбуждаются импульсами соответствующей величины, следующими с интервалами основного тона, а при воспроизведении глухих звуков – шумом. В результате спектр полученного звука похож на спектр исходной речи. Подобное кодирование обеспечивает высокую разборчивость речи и низкую скорость потока данных (до 2,4 кбит/с).

Естественно, о качестве вокодерной речи строго судить не следует. Резкие изменения спектральных параметров на границах интервалов, грубые переходы между глухими и звонкими звуками, неточная передача основного тона, а также неспособность воспроизводить частично приглушенные звуки и другие "свойства" значительно снизили возможности узнавания голоса и придавали речи неестественный характер. Чтобы повысить качество, низкочастотную часть спектра решили передавать обычным путем, без параметрического кодирования. Такие устройства назвали полувокодерами. Благодаря неискаженной передаче основного тона, достигалось более естественное звучание и качество речи.

Вокодер как многие другие способы обработки звука был заимствован из телефонии музыкантами и впоследствии стал полноценным устройством. Благодаря фирмам-изготовителям музыкального оборудования, ему придали форму и удобство музыкального эффекта. Вокодер как музыкальный эффект позволяет перенести свойства одного (модулирующего) сигнала на другой сигнал, который называют носителем. В качестве сигнала-модулятора используется голос человека, а в качестве носителя – сигнал, формируемый музыкальным синтезатором или другим музыкальным инструментом. Так достигается эффект «говорящего» или «поющего» инструмента. Помимо голоса модулирующий сигнал может быть и гитарой, клавишными, барабанами и вообще любым звуком. Здесь так же нет ограничений и для несущего сигнала. Экспериментируя с моделирующим и несущим сигналом можно получать совершенно разные эффекты – говорящая гитара, барабаны со звуком пианино, гитара звучащая как ксилофон и т.д.

Заключение

Научиться правильно использовать блоки обработки звука довольно сложно. Многие согласятся с тем, что, например, для художественной обработки звука, нужен, прежде всего, талант. Звукооператор и звукорежиссер – это профессия, а значит, работа со звуком – дело настоящих профессионалов. Поэтому мы не ставили перед собой цели – научить кого бы то ни было пользоваться перечисленными устройствами. Обработка звука – это творчество. Каждый мастер самостоятельно, основываясь на собственном опыте, решает поставленные задачи. Свой опыт всегда лучше. Поэтому, вместо того, чтобы давать советы по использованию оборудования, мы, прежде всего, решили познакомить читателя с физикой процессов, которые они реализуют, найти их природные естественные аналоги, перечислить их возможности. Это поможет начинающим звукооператорам заранее представлять – как изменится звук, если они повернут какую-либо ручку на устройстве обработки звука.