Приборы обработки

Оборудование для обработки звука

Различные устройства обработки звука, применяемые во время студийной записи, важны и в технике звукоусиления. Они используются для улучшения разборчивости, уменьшения опасности положительной обратной связи и регулировки или коррекции звукового баланса.

Устройства задержки

Часто именно устройства задержки обеспечивают успешное звукоусиление. Они задерживают электрические сигналы и таким образом исключают мешающее эхо даже при использовании широко разнесенных громкоговорителей. Некоторые проблемы звукоусиления, которые удалось решить благодаря методу задержки, описаны в главе 6. В этом разделе рассмотрено техническое построение устройств задержки. 

Первые устройства задержки увеличивали время прохождения звука с помощью узких труб, однако при этом изменялся тембр и, следовательно, качество передачи не было высоким. Позднее магнитофоны с «бесконечной» петлей магнитной ленты, в которых для задержки звука использовалось несколько головок — одна записывающая и одна или несколько воспроизводящих, в некоторой степени позволили решить проблему качества. Благодаря этим магнитофонам стало возможным практически на любое время задерживать сигналы, изменяя скорость ленты и расстояние между головками. К недостаткам таких магнитофонов можно отнести сравнительно низкое отношение сигнал-шум, быстрый механический износ ленты и головок, а главное — внезапный выход из строя всего аппарата в случае обрыва ленты. Чтобы избежать основного недостатка, были разработаны специальные устройства, предусматривающие автоматическое переключение на режим обхода или дежурный режим. 

Из-за больших затрат на техническое обслуживание и низкой надежности эти устройства не получили широкого распространения. Они применялись главным образом во временно устанавливаемых системах для озвучивания крупных событий. 

Электронные устройства задержки звукового сигнала были разработаны в начале 1970-х годов. Вначале появились триггерные устройства на МОП-транзисторах, позднее — цифровые устройства задержки. В первых моделях цифровых устройств оцифрованный во входной части сигнал подавался на регистр сдвига, управляемый тактовыми импульсами. Время задержки определялось временем нахождения сигнала в этом регистре. Задержанный сигнал вновь преобразовывался в аналоговую форму и поступал на выход. Наименьшее время задержки в таком устройстве определялось тактовой частотой (частотой дискретизации), наибольшее время задержки — тактовой частотой и длиной регистра. Компьютерная обработка оцифрованного сигнала, используемая в современных устройствах задержки студийного качества, обеспечивает автоматическое управление временем задержки, а также коммутацию без шумов благодаря разделению времени задержки на очень малые шаги квантования.

Устройства для спецэффектов

Применяемые в методе цифровой задержки добавление или пропуск бит, изменения тактовой частоты могут быть использованы и для создания разнообразных звуковых спецэффектов.

Уменьшая или увеличивая тактовую частоту, можно соответственно понижать или повышать тон звука. По данным, этот метод позволяет изменять высоту тона в диапазоне до трех октав (от +1 до —2).

С помощью устройства можно независимо воздействовать на частоту и растяжку звуковых сигналов во времени. Для этого сигнал записывают и воспроизводят с различной частотой считывания. Важное значение эта процедура имеет для стабилизации высоты тона в запоминающих устройствах, работающих с переменной скоростью. Стабилизация высоты тона требуется для воспроизведения аккомпанемента на «живых» представлениях, где скорость действия меняется. 

Малые сдвиги высоты тона раньше применялись в так называемых подавителях обратной связи для уменьшения возможности возникновения положительной обратной связи в системах звукоусиления. Эти устройства сейчас используются редко, так как они могут изменить тембр звучания, однако находят применение в электронной музыке или для создания эффектов фазирования, фланжирования и Лесли. 

Для создания эффекта фазирования часть сигнала отводится и направляется на фазовые корректоры (all-pass networks), где данный сигнал подвергается переменному фазовому сдвигу. После объединения компонент возникают негармонические нули (гашение сигнала). Число нулей зависит от числа фазовых корректоров. Создаваемый таким образом эффект — это биения фазы за счет вибрато. 

Эффект фланжирования достигается с помощью изменения задержки одной компоненты сигнала по отношению к незадержанной компоненте. Это вызывает искажения типа гребенчатого фильтра, то есть нули с гармоническим отношением частот. На практике время задержки составляет от 2 до 20 мс. При меньшем значении времени задержки эффект уменьшается. Дальнейшего усиления эффекта можно достичь, использовав итерацию — обратную связь, и повторную обработку объединенного сигнала. Результат воспринимается на слух как «поворот» или «вращение» тембра. 

Эффект Лесли базируется на эффекте Доплера, и его тоже можно создать посредством вращения громкоговорителей. Все упомянутые эффекты сегодня создают с помощью устройств цифровых спецэффектов, подобных описанным выше.

Реверберационные устройства

В отличие от устройства задержки, которое лишь повторяет сигнал с задержкой, без изменения амплитуды и фазы, ревербератор добавляет к исходному сигналу дополнительные и задержанные повторы звука. Эти повторы, кроме того, некогерентны с исходным сигналом, и их плотность и затухание во времени возрастают. Длительность создаваемого таким образом процесса затухания должна быть по возможности переменной. То же относится и к частотной зависимости: обычно ожидают, что на более высоких частотах будет происходить более быстрое затухание. 

Длительность слышимого процесса затухания субъективно воспринимается как длительность реверберации. Время, требуемое для затухания сигнала от исходного уровня до —60 дБ, называют временем реверберации, даже если процесс затухания тонет в шумах. Ревербераторы должны обеспечивать изменение времени реверберации сигнала в помещении от 1 до 5 секунд. 

Чтобы исключить изменение тембра, необходимо обеспечить достаточную плотность пиков частотной характеристики (связанную с плотностью собственных частот). Слух человека в наибольшей степени восприимчив к изменениям тембра в диапазоне частот от 800 Гц до 1 кГц. По данным на этот диапазон должно приходиться по крайней мере три пика частотной характеристики (основных частот) на один герц полосы, на более высоких и низких частотах плотность может быть меньше. 

В технике звукоусиления реверберационные устройства требуются и для создания так называемого реверберационного хвоста. Применяются они также для добавления реверберации к сигналам,   полученным с помощью установленных непосредственно на музыкальных инструментах датчиков. В этом случае улучшается эстетическое восприятие звука. Различные типы реверберационных устройств описаны ниже.

Реверберационные камеры (эхо-камеры)

Первыми профессиональными средствами, которые использовались для искусственной реверберации звуковых сигналов, были сравнительно маленькие камеры с преимущественно жесткими поверхностями. Сигналы, подвергающиеся реверберации, вводились в них с помощью громкоговорителей, а результирующие сигналы принимались микрофонами. Желаемое распределение и соответствующая плотность собственных частот достигались в том случае, если объем камеры превышал 50 м3, а размеры (длина, высота, ширина) имели оптимальное соотношение в пределах, установленных Болтом (Bolt). Несоблюдение этих условий становится причиной неудовлетворительной плотности собственных частот в области низких частот, но этот эффект может быть устранен с помощью введения затухания в этом диапазоне. Одним из преимуществ естественных реверберационных камер является сравнительная простота получения различных некогерентных звуковых сигналов: все, что необходимо — это разнесение микрофонов отдельных каналов на расстояние более 2 м. 

Недостаток реверберационных камер, кроме стационарности, — малые возможности изменения времени реверберации. Изменять его можно, только применяя различные материалы, создающие разное акустическое затухание.

Двумерные реверберационные устройства

Плотность основных частот в помещениях возрастает пропорционально третьей степени частоты, но при использовании двумерных реверберационных устройств она увеличивается только в квадрате. То же наблюдается и тогда, когда применяется реверберационная пластина, разработанная еще в 1950-х годах (позднее использовалась более компактная реверберационная фольга). Отсюда следует, что при равных значениях в диапазоне средних частот результирующая плотность основных частот на более низких частотах оказывается выше, чем в помещении, а на более высоких — ниже. 

Реверберационная пластина, которая часто используется и сегодня, представляет собой подвешенную без механического напряжения гибкую пластину из высококачественной стали квадратной формы и площадью около 2 м2. Пластина возбуждается с помощью электродинамической системы и вибрирует на своих собственных частотах. Эти вибрации воспринимаются контактными преобразователями. Время реверберации можно достаточно легко изменять, перемещая звукопоглощающую пластину, параллельную колеблющейся пластине: чем меньше расстояние между ними, тем больше энергии отбирается от колеблющейся пластины и тем короче становится время реверберации. При малом демпфировании пластина имеет большое время реверберации в диапазоне низких частот, уменьшающееся с увеличением частоты. Эта характеристика подобна той, что свойственна естественным помещениям. С увеличением демпфирования частотная характеристика линеаризуется. 

Для уменьшения размеров вибрирующего элемента была разработана реверберационная фольга. Это золотая фольга толщиной 18 мкм и размером около 300x300 мм, высокочувствительная и поэтому хорошо защищенная от внешних воздействий. Ее помещают в двойной корпус и снабжают несколькими изолирующими элементами, предохраняющими от воздействия структурного шума. Фольгу можно располагать даже в звуковой аппаратной рядом с контрольными громкоговорителями, не опасаясь возникновения положительной акустической обратной связи.

Демпфирование реверберационной фольги осуществляется точно также, как и реверберационной пластины — вблизи нее помещают абсорбирующий слой. Но, в отличие от реверберационной пластины, в фольге в диапазоне низких частот достигается лишь незначительное увеличение времени реверберации по сравнению со средними частотами. Этот эффект часто оказывается положительным, поскольку в этой области исключаются изменения тембра. 

Некогерентные выходные сигналы можно получить как с помощью реверберационной пластины, так и реверберационной фольги, для этого в разных местах устанавливают несколько датчиков-приемников сигнала.

Одномерные реверберационные устройства

В одномерных реверберационных устройствах, которые широко использовались в течение длительного времени, применялись спиральные пружины. Принцип действия однопружинного ревербератора заключается в следующем. Электрический сигнал звуковой частоты возбуждает крутильные механические колебания датчика; эти колебания передаются по пружине, и через время, обусловленное ее механическими свойствами, достигают приемника, отражаются от него и возвращаются к датчику, затем снова к приемнику и т.д., постепенно ослабевая. Приемник преобразует механические колебания в электрические сигналы. Задержанные и постепенно ослабевающие сигналы на выходе приемника имитируют процесс затухания звука в помещении.

В простом однопружинном ревербераторе эти сигналы образуют периодическую последовательность, прослушивание которой характеризуется эффектом гребенчатого фильтра. Поэтому в практических конструкциях используется несколько однопружинных систем с пружинами различной длины, а иногда и с произвольно расположенными неоднородностями, разрушающими периодичность задержанных сигналову приемника. Некогерентные выходные сигналы создают с помощью дополнительных, одновременно возбуждаемых пружинных систем.

Цифровые реверберационные устройства

Как и устройства задержки и спецэффектов, цифровые реверберационные устройства основаны на методах цифровой задержки сигнала. Сигнал возвращается на вход линии задержки через цепь обратной связи. Причем величина сигнала определяется затуханием в этой цепи. Поскольку одна цепь обратной связи образует только гармонические основные частоты, как в одномерном реверберационном элементе, для исключения искажений типа гребенчатого фильтра необходимо объединить петли с разным временем задержки. Однако удовлетворительные результаты не могут быть достигнуты. Не помогает даже использование большого числа цепей и дополнительная установка фазокорректирующих фильтров перед точками объединения для устранения когерентности отдельных компонент сигнала. В результате приходится применять дополнительное процессорное управление, чтобы избежать повторения подобных последовательностей амплитуд и фаз в течение длительного времени. Для этого требуется процессор очень большого быстродействия, способный, в соответствии с программами управления, переопределять затухание в петлях, а также их сопряжение. Часто в устройстве бывает несколько выходов некогерентных сигналов. 

Современные устройства (симуляторы помещений) позволяют не только воздействовать на частотную характеристику времени реверберации, но и задерживать реверберацию и вводить одиночные отражения с разным затуханием. Некоторые устройства обеспечивают процессорное управление не только затуханием, но и моделированием помещения, во многих случаях вместе со спецэффектами (это, в свою очередь, позволяет создавать спецэффекты, которые не могут быть созданы в реверберационных комнатах или с помощью механических реверберационных устройств). Эти устройства делают возможными процессы с крайне большим и частотно-независимым временем реверберации. Благодаря так называемым эффектам замораживания можно сохранять звук и осуществлять наложение новых звуков. Более того, становится возможным создание таких эффектов, как затухающее многократное эхо и стереофазирование. 

Выбирая соответствующее программное обеспечение и современные устройства с компьютерным управлением можно достичь, в отличие от первых программ с фиксированной реверберацией, очень хороших результатов, соответствующих любым требованиям.

Аналоговый процессор для улучшения разборчивости

Если перемодулировать сигнал и затем выделить из всех гармоник с помощью фильтрации только те, которые соответствуют основной частоте исходного сигнала, а потом снова объединить их пропорционально входному сигналу, то получится сложный сигнал. Структура этого сигнала существенно богаче гармониками, то есть он заметно отличается от исходного сигнала, становясь более прозрачным, чистым и разборчивым. 

Процессор, работающий по такому принципу, был разработан для военно-морского флота США с целью улучшения разборчивости речи в зашумленной среде без увеличения уровня полезного сигнала. При использовании данного метода процент правильно понятых слов, по сравнению с необработанным сигналом, заметно возрастает. Чтобы получить такие же результаты для необработанного сигнала, его уровень пришлось бы увеличить на 6...8 дБ. 

Такой процессор не только экономичен (та же степень разборчивости может быть достигнута при значительно меньшей мощности), но и обладает рядом акустических преимуществ. Одно из них — частичное уменьшение проблемы положительной акустической обратной связи в системах звукоусиления, благодаря чему появилась возможность значительно улучшить старые записи, причем с таким качеством, которого нельзя достичь с помощью простого процесса фильтрации. 

Такие устройства, предлагаемые компанией Aphex под названием Aural-exciter, часто применялись в системах звукоусиления, а также в студиях звукозаписи и радиостудиях. Варианты устройств различаются главным образом используемым методом демпфирования гармоник.

Фильтры

Фильтры, влияющие на амплитудно-частотную характеристику передаваемых звуковых сигналов, относятся к классическим средствам обработки звука. Две основные области применения фильтров:

• оптимизация тембра в рассматриваемом месте приема;

• подавление частот положительной акустической обратной связи.

Оптимизация тембра осуществляется в зависимости от конкретной области применения системы. Например, сбалансированная частотная характеристика во всем частотном спектре может быть желательной для высококачественных систем, предназначенных для передачи музыки. Но для улучшения разборчивости в системах, предназначенных только для передачи речи, целесообразно снижение уровня в области низких частот и подчеркивание определенных формантов в области примерно 2 кГц. Совсем другие требования предъявляются к оптимизации тембра для сценического мониторинга. В больших системах звукоусиления фильтры устанавливают в различных точках. Для управления частотной характеристикой микрофонов и подавления основных частот положительной обратной связи их обычно устанавливают во входном канале микшерного пульта. Однако основная регулировка электроакустической частотной характеристики, которая требуется для компенсации линейных искажений, определяемых местом установки громкоговорителей и акустикой помещения, выполняется с использованием так называемых фильтров адаптации к помещению, которые включаются перед усилителями мощности. 

Фильтры почти всегда уменьшают максимально возможный уровень звука. Поэтому при разработке системы необходимо вводить соответствующие резервы мощности.

Существуют два основных типа фильтров: пассивные и активные. Пассивные фильтры работают без дополнительного электропитания, поэтому они не дают возможности усилить уровень и не уменьшают отношение сигнал-шум. Активные фильтры, которые более широко распространены, имеют меньшие размеры, они дешевле, в настоящее время такие фильтры используются преимущественно в студийном оборудовании. 

Еще одна отличительная особенность фильтров — влияние демпфирования на их частотную характеристику. Различают фильтры с постоянной величиной а и фильтры с неизменной полосой частот. 

Используются различные конструкции фильтров, выбор определяется их стоимостью, уже имеющимся оборудованием и тем, насколько они просты или сложны в применении. Основные конструкции, используемые в технике звукоусиления, будут кратко рассмотрены ниже. 

Недавно появились микропроцессорные устройства, получившие название контроллеры обратной связи, которые вводят частотно-зависимое затухание в характеристику при таких проявлениях положительной обратной связи, как изменения тембра, эффекты реверберации и флуктуации уровня звука. Автоматические фильтры включают в отдельные микрофонные каналы, они позволяют увеличить запас устойчивости к возникновению положительной обратной связи до 15 дБ.

Корректоры высоких и низких частот (фильтры с плоской характеристикой)

Чтобы осуществлять в канале передачи подъем или завал частотной характеристики в области низких и/или высоких частот, используются сравнительно простые комбинации RC или RL элементов вместе с резистивными делителями напряжения. Их часто встраивают непосредственно в усилители мощности или применяют в простых микшерных пультах. Рис. 4.57 показывает,"что крутизна их характеристики зависит от установки режима. Максимально достигаемый уровень подъема зависит от базового затухания, которое для максимального подъема высоких и низких частот на 15 дБ должно составлять около 34 дБ. 

Фильтры такого типа имеют лишь ограниченную возможность коррекции частотной характеристики, поскольку недостаточно пригодны к подавлению, например, пиков частотной характеристики или отдельных частот при появлении положительной обратной связи.

Параметрические фильтры (канальные фильтры)

Фильтры, используемые в больших микшерных пультах и отдельных каналах, кроме подъема и завала высоких и низких частот обеспечивают эффект фильтрации с подъемом или завалом частот в узком диапазоне, на средних частотах (обычно в области 1 кГц). Во многих случаях фильтр можно настраивать в заданном частотном диапазоне. Крутизна характеристики фильтра обычно связана с выбранной степенью завала или подъема Режекторные фильтры, имеющие достаточно крутой наклон характеристики, эффективно подавляют отдельные частоты положительной обратной связи без заметного ухудшения тембра, поскольку узкополосная режекция редко бывает заметна в диапазоне основных частот благодаря эффекту маскирования. Более широкополосная коррекция с помощью «фильтра присутствия» используется для усиления определенных гармоник (например, в области 2 кГц), что значительно улучшает разборчивость плавной речи, без подчеркивания слов.

Многополосные фильтры (эквалайзеры)

С помощью линейки, состоящей из большого числа (от 7 до 30) отдельных полосовых фильтров с полосой 1, 1/2 или 1/3 октавы, позволяющих вводить переменное затухание, можно сформировать почти любую линейную передаточную функцию. Реже для этого используют разную относительную полосу частот. Установка ручек полосковых регуляторов фильтров отражает форму частотной характеристики устройства. Многополосные фильтры такой конструкции поэтому часто называют графическими частотными корректорами (эквалайзерами).

Вводя затухание в отдельные части полосы частот, можно последовательно подавлять несколько частот положительной обратной связи: чем уже полоса отдельных фильтров и выше крутизна их характеристики, тем меньше воздействие на тембр передаваемого сигнала. Более того, такие фильтры пригодны для коррекции изменений тембра, связанных с характеристиками помещения или громкоговорителей. Для этого необходимо вводить различное затухание в несколько расположенных рядом полос частот. 

Многополосные фильтры также выпускают в форме, допускающей только уменьшение уровня сигнала. Такие фильтры хорошо защищены от ошибок оперирования, поскольку при неправильной регулировке не могут возникнуть ни перемодуляция, ни эффекты маскирования, вызванные такой перемодуляцией. 

Специальный тип многополосного фильтра — трансверсальный (поперечный) эквалайзер, в котором фактическая частотная характеристика синтезируется после преобразования Фурье входного сигнала в частотную область. После этого производится обратное преобразование. Это позволяет получить ровные и линейные фазочастотные характеристики.

Фильтры с предустановленной характеристикой

Наряду с регулируемыми фильтрами, которые играют большую роль в технике звукоусиления, применяются простые частотные корректоры с предустановленной характеристикой, позволяющие корректировать повышение давления у диафрагмы микрофона, «эффект близости», а также фильтры ударных звуков (например, звука шагов).