Устройства обработки звука

Устройства обработки звука необходимы для обеспечения высококлассного звукового сигнала на выходе при озвучивании объектов различной сложности. Среди таких решений могут использоваться: устройства эквализации, кроссоверы, компрессоры, сплиттеры, директ-боксы, беспроводная связь, процессоры эффектов, спикер-процессоры, подавители обратной связи и конвертеры.

Современные звуковые процессоры соединяют в себе функции графического эквалайзера, компрессора, лимитера, подавителя обратной связи и линии задержки. Они оснащены высокоточными фильтрами, которые позволяют добиться высочайшей чистоты звукового сигнала. Управление таким сигналом осуществляется с помощью компьютера и регуляторов на панели прибора. Изменения отражаются на дисплее и светодиодных индикаторах. Процессоры делают вас полным властелином над звуковой картиной, позволяя управлять процессом в режиме реального времени. И только благодаря работе таких устройств на выходе мы получаем идеальный сигнал высочайшего качества.

Кроме этого, процессор надёжно защищает звуковое оборудование от всевозможных неприятностей. Благодаря различным алгоритмам защиты акустических систем, звуковой сигнал контролируется непосредственно на выходе из усилителя мощности.

Устройства обработки звуковых сигналов используют основные методы обработки звука такие, как динамическая обработка звука, частотная обработка звука, пространственная обработка звука и эффекты обработки звука.

Цифровая и аналоговая технологии обработки звука
В программно-аппаратных устройствах обработки звука используются технологии аналоговой и цифровой обработки звуковых сигналов.

DSP обработка звука
Многофункциональные dsp процессоры в системе обработки звука дают возможность с помощью одного комбинированного устройства на высоком качественном уровне осуществлять различные способы обработки аудио сигнала.

Все устройства обработки звука принято делить на две основные группы:

1. Аудиопроцессорные блоки (блоки задержки, эквалайзеры, кроссоверы и компрессоры и другие устройства, не вносящие в сигнал дополнительных составляющих);
2. Устройства звуковых эффектов, вносящие в сигнал дополнительные составляющие (звуковые эффекты); устройства, синтезирующие новые сигналы на основе характеристик исходного сигнала (вокодеры).

С помощью блока задержки, используемого, например, в одном из каналов, можно имитировать изменение местоположения источника звука относительно слушателя. 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.  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.

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.

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.

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.

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.  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.

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).

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.
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.
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.

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.