Цифровые эквалайзеры.

Эквалайзер — устройство коррекции тембра сигнала, изменяющее амплитуды его частотных составляющих. Изначально эквалайзеры применялись чисто технически, для коррекции амплитудно-частотной характеристики неидеального звукового тракта. Однако вскоре они стали использоваться и творчески — для создания нужных тембров или аккуратного совмещения инструментов в фонограмме.

Амплитудно-частотная характеристика

Основным параметром эквалайзера является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ, частотная характеристика, frequency response). Она показывает, насколько эквалайзер усиливает или ослабляет те или иные частоты входного сигнала (рис. 1). Для цифровых эквалайзеров диапазон входных частот составляет от нуля до половины частоты дискретизации.

Наиболее распространенными типами частотных характеристик эквалайзеров являются «колокол» (bell), «полка» (shelf), обрезные НЧ- и ВЧ-фильтры (low-pass, high-pass), показанные на рис. 2. (В отечественной литературе фильтром низких частот называется фильтр, пропускающий низкие частоты и подавляющий высокие частоты (low-pass). Аналогично с фильтром высоких частот (high-pass).- Прим. ред.)

По типу управления частотной характеристикой эквалайзеры делятся на параметрические и графические.

В параметрических эквалайзерах пользователь может выбирать одну из имеющихся форм АЧХ и задавать ее параметры: центральную частоту, коэффициент усиления и добротность.

Центральная частота — это частота центра «колокола» или частота, на которой происходит изгиб АЧХ (для «полок» и обрезных фильтров — это обычно точка уровня ?3 дБ).

Коэффициент усиления для «колокола» задает усиление на центральной частоте, а для «полки» — в полосе усиления/подавления.

Добротность для эквалайзера типа «колокол» задает ширину усиливаемой или подавляемой полосы частот и определяется как отношение центральной частоты к ширине этой полосы, лежащей в пределах 3 дБ от коэффициента усиления на центральной частоте. Обозначается добротность обычно буквой Q. Аналогичная величина для «полок» и обрезных фильтров называется «крутизной спада» АЧХ и измеряется в децибелах на октаву. Увеличивая добротность, можно превратить фильтр-колокол в т.н. notch-фильтр, или режекторный фильтр, подавляющий конкретную частоту или очень узкую полосу частот (рис. 3). Комбинируя несколько эквалайзеров, можно получить более сложные формы АЧХ.

В графических эквалайзерах пользователь «рисует» требуемую АЧХ непосредственно на дисплее или с помощью набора регуляторов усиления на различных частотах.

Параграфические эквалайзеры(http://rus.625-net.ru/audioproducer/2006/08/r1-01.jpg) — это гибрид параметрических и графических эквалайзеров. Они, как правило, позволяют управлять коэффициентами усиления с помощью ползунков (или в графическом виде на дисплее), но при этом имеют настройки добротности и центральной частоты для каждой полосы.

Фазово-частотная характеристика

Большинство аналоговых эквалайзеров вносят в сигналы частотно-зависимый сдвиг по времени. Другими словами, различные частотные компоненты сигнала задерживаются на различное время. Как правило, это нежелательный эффект, т.к. если на вход поступает импульсный сигнал (резкий удар или щелчок), то и на выходе желательно получить импульс, не размазанный во времени.http://rus.625-net.ru/audioproducer/2006/08/r1-02.jpg

Фазово-частотная характеристика (ФЧХ, фазовая характеристика, phase response) показывает, насколько меняется фаза сигнала при прохождении через эквалайзер. Если фаза меняется на величину, пропорциональную частоте, то это соответствует простому сдвигу сигнала во времени, без изменения формы сигнала. Эквалайзеры, реализующие такую ФЧХ, называются эквалайзерами с линейной фазой (linear-phase EQ). Все аналоговые эквалайзеры имеют нелинейную ФЧХ, в то время как цифровые эквалайзеры могут иметь как линейную, так и нелинейную ФЧХ.

Для большинства аналоговых эквалайзеров можно построить ФЧХ по известной АЧХ. При этом наибольшие изменения в ФЧХ происходят в местах быстрого изменения АЧХ. Это означает, что чем сильнее вмешательство в частотный диапазон, тем сильнее будут проявляться фазовые искажения — в обиходе часто говорят, что эквалайзер «крутит» фазу. На рис. 4 показаны ФЧХ и ГВЗ (групповое время задержки, то есть сдвиг по времени различных частотных компонент сигнала) эквалайзеров, представленных на рис. 3. Видно, что большее значение добротности эквалайзера соответствует более резким скачкам в ФЧХ и ГВЗ.

Цифровые эквалайзеры могут иметь линейную ФЧХ и константное ГВЗ. Такие эквалайзеры обычно реализуются в виде КИХ-фильтров (конечная импульсная характеристика, finite impulse response, FIR), реализующих свертку входного сигнала с конечным ядром фильтра y=x«h. Каждый отсчет выходного сигнала равен взвешенной сумме нескольких отсчетов входного сигнала xi; веса задаются ядром фильтра hk :

Y i = ∑ (−M ≤ k ≤M) X i−k b k

Для достижения линейной ФЧХ ядро фильтра должно обладать свойством симметричности. Методы построения КИХ-фильтров c линейной фазой достаточно просты и позволяют сконструировать фильтр, сколь угодно близко аппроксимирующий произвольную заданную АЧХ. Однако чем выше требуемая частотная селективность (избирательность) фильтра, тем длиннее получается ядро фильтра и тем больше вычислительных ресурсов требуется для обработки. Как правило, КИХ-фильтры, аппроксимирующие заданную АЧХ, имеют следующие недостатки (на примере обрезного фильтра):

• пульсации АЧХ в полосе пропускания;
• неполное подавление в полосе подавления;
• ограниченная крутизна изменения АЧХ (рис. 5).

Однако, как уже было отмечено, все эти недостатки можно одновременно сделать сколь угодно малыми за счет увеличения длины ядра фильтра.

Еще одна особенность КИХ-фильтров с линейной фазой — задержка (latency), вносимая в сигнал и равная (в силу симметрии) половине длины ядра фильтра. Для достижения частотного разрешения N Гц требуется использовать фильтры длины порядка 2/N сек, т.е. задержка составит порядка 1/N сек. Дополнительная задержка может вноситься алгоритмами, использующими для вычисления свертки быстрое преобразование Фурье. БПФ позволяет снизить требования к вычислительной мощности — сложность свертки становится пропорциональной логарифму длины ядра фильтра. Однако БПФ требует блочной обработки входного сигнала: накопление целого блока обрабатываемых данных может внести дополнительную задержку выходного сигнала.

Другой распространенный вид цифровых эквалайзеров основан на БИХ-фильтрах (бесконечная импульсная характеристика, infinite impulse response, IIR). Эти эквалайзеры напоминают в работе своих аналоговых собратьев, состоящих из цепей резисторов, конденсаторов, катушек, иногда — операционных усилителей, и часто проектируются похожими способами. Реализуются такие эквалайзеры обычно с помощью рекурсивных фильтров, вычисляющих очередной отсчет выходного сигнала yi как взвешенную сумму нескольких предыдущих отсчетов входного сигнала xi и нескольких предыдущих выходных отсчетов:

Y i = ∑ (0 ≤ k ≤N) b k x i−k + ∑ (1 ≤ k ≤N) a k y i−k

Число взвешиваемых отсчетов N называется порядком фильтра. Чем выше порядок фильтра, тем больше свободы в управлении АЧХ фильтра (например, тем больше возможная крутизна спада у обрезных фильтров).

В большинстве случаев БИХ-фильтры обладают нелинейной фазой, т.к. их отклик на входной импульс бесконечно (рекурсивно) затухает после окончания импульса. Иногда для уменьшения фазовых искажений БИХ-фильтры соединяются с так называемыми всепропускающими (all-pass) БИХ-фильтрами, которые не изменяют АЧХ, но позволяют отчасти скорректировать фазу выходного сигнала.

Особенность БИХ-фильтров в том, что они часто позволяют достичь лучшего частотного разрешения, чем КИХ-фильтры при существенно меньших требованиях к вычислительным ресурсам. Однако простые методы построения БИХ-фильтров существуют только для определенных типов фильтров с относительно простыми АЧХ (типа тех, что используются в параметрических эквалайзерах). Получать более сложные АЧХ можно путем комбинирования нескольких простых БИХ-фильтров.

Популярные типы обрезных БИХ-фильтров:

• фильтры Бесселя (Bessel) — обладают наиболее гладкими АЧХ и ФЧХ (особенно в полосе пропускания), однако крутизна спада АЧХ у них наименьшая;
• фильтры Баттерворта (Butterworth) — имеют более крутой спад АЧХ (6N дБ/окт., где N — порядок фильтра) и менее линейную ФЧХ;
• фильтры Чебышева — имеют еще более крутой спад АЧХ, однако их АЧХ не монотонна, а имеет осцилляции (пульсации) заданного уровня либо в полосе пропускания, либо в полосе подавления. ФЧХ фильтров Чебышева немонотонна и имеет пик вблизи частоты среза. При стремлении уровня пульсаций к нулю фильтр Чебышева превращается в фильтр Баттерворта;
• эллиптические фильтры — обладают наиболее крутым спадом АЧХ, но имеют пульсации АЧХ как в полосе пропускания, так и в полосе подавления. ФЧХ эллиптических фильтров немонотонна. При стремлении уровня пульсаций в полосе пропускания или в полосе подавления к нулю эллиптический фильтр превращается в фильтр Чебышева.

При реализации БИХ-фильтров часто требуется высокая внутренняя разрядность вычислений, так как некоторые БИХ-фильтры очень чувствительны к ошибкам округления.

Импульсная характеристика

Импульсная характеристика (импульсный отклик) фильтра — это выходной сигнал фильтра при подаче на вход единичного импульса (т.е. сигнала «…0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, …»). Важность импульсной характеристики заключается в том, что она полностью описывает линейную систему. Линейная система — это обработка, не вносящая нелинейных искажений и не содержащая элементов динамической обработки (существует и более строгое определение). Большинство эквалайзеров — это линейные системы, и их импульсная характеристика фактически является ядром свертки (для БИХ-фильтров ядро свертки имеет бесконечную длину). При этом ядра фильтров с линейной фазой симметричны, а ядра фильтров с нелинейной фазой — нет (рис. 6). Типичные БИХ-фильтры концентрируют большую часть энергии импульса в первые моменты времени, а затем идет бесконечно затухающий «хвост».

По виду импульсной характеристики можно понять, как изменит эквалайзер резкие всплески в аудиосигнале. Если пик импульсной характеристики окружен колебаниями с двух сторон, то можно ожидать, что и резкие всплески аудиосигнала будут окружены осцилляциями — этот эффект называется «звоном» (ringing) фильтров. У фильтров с линейной фазой звон в равной степени присутствует до и после импульса. Для большинства БИХ-фильтров звон сосредоточен после импульса, что часто является преимуществом, так как за резкими атаками музыкального материала обычно следует сравнительно плавный спад, который с большой вероятностью психоакустически замаскирует звон фильтра. Упреждающий же звон фильтра с линейной фазой будет с большей вероятностью заметен перед резкими ударами.

Количество звона (его относительный уровень и протяженность во времени) напрямую зависит от АЧХ и ФЧХ фильтра. Чем более крутые изменения в частотной области требуются от эквалайзера, тем больше звона будет присутствовать во временной области. При этом звон будет концентрироваться вблизи частот «излома» и наибольшей кривизны АЧХ и ФЧХ.

Импульсная характеристика фильтра связана с его АЧХ и ФЧХ преобразованием Фурье. Для исследования АЧХ и ФЧХ фильтра достаточно взять преобразование Фурье от его импульсной характеристики.

Еще один популярный вид теста для эквалайзеров — переходная характеристика, т.е. отклик на сигнал вида «…0, 0, 0, 1, 1, 1,…». Переходная характеристика является первообразной (накопительной суммой) от импульсной характеристики.

Выбор эквалайзера

Вопрос выбора эквалайзера с линейной или нелинейной фазой достаточно тонок. При умеренном вмешательстве в частотный баланс во многих случаях ощутимой разницы в звучании не будет, так как нелинейность фазы для БИХ-фильтров будет невелика, а упреждающий звон фильтров с линейной фазой тоже будет мал. При более серьезных вмешательствах в АЧХ нужно искать компромисс между линейностью фазы и уровнем звона. Например, узкие режекторные notch-фильтры (особенно на низких частотах) часто реализуются как БИХ-фильтры, а обрезные фильтры обычно предпочитают делать с линейной фазой. В этом вопросе трудно дать общие рекомендации, и выбор инструмента должен определяться в результате прослушивания.

Для большинства программных эквалайзеров указывают в руководстве, обладают ли они линейной ФЧХ. Однако даже если это не указывается, то выяснить характер ФЧХ можно, проанализировав отклик эквалайзера на единичный импульс. Если отклик симметричен, то фаза линейна. Некоторые программные пакеты содержат эквалайзеры как с линейной, так и с нелинейной фазой. Например, в пакетах подключаемых модулей (plug-in) фирмы Waves есть БИХ-эквалайзеры Q-10 и КИХ-эквалайзеры с линейной фазой LinEQ. В подключаемом модуле iZotope Ozone режим эквалайзера переключается между Analog (нелинейная фаза) и Digital (линейная фаза).

Многообразие цифровых эквалайзеров, как аппаратных, так и программных, показало, что параметрические и графические эквалайзеры не имеют существенного преимущества друг перед другом в качестве звучания — и в том, и в другом лагере попадаются удачные и неудачные модели. Поэтому автору видится, что определяющей составляющей качества эквалайзера является его управляемость, особенности алгоритмов и способность контроля параметров прибора: АЧХ, ФЧХ, импульсной характеристики.

Функция цифрового эквалайзера в настоящее время реализуется не только в специализированных приборах, но и встраивается в универсальные устройства, например, вещательные процессоры, процессоры управления (контроллеры) акустических систем, цифровые усилители, конференц-системы и т.д. Однако в данном обзоре рассматриваются в основном специализированные приборы, как аппаратные, так и программные.

Способы преобразования звука, звуковые эффекты
Автор: Александр Радзишевский (Alex Y. Radzishevsky)

1. Способы преобразования звука

Какие же существуют способы преобразования звука и зачем они нужны? К преобразованию звука прибегают в основном с целью изменения каких-то характеристик звука. Кроме того, на основе описанных ниже преобразований базируются механизмы создания различных звуковых эффектов (их мы рассмотрим ниже), а также способы очистки звука от нежелательных шумов, изменения тембра и т.п. Все эти преобразования сводятся, в конечном счете, к нижеследующим.

Амплитудные преобразования. Выполняются над амплитудой сигнала. Такую процедуру можно проделать двумя способами: либо умножая амплитуду сигнала на некоторое фиксированное число, в результате чего получится одинаковое изменение интенсивности сигнала на всей его протяженности, то есть усиление или ослабление, либо изменяя амплитуду сигнала по какому-то закону, то есть умножая амплитуду сигнала на модулирующую функцию. Последний процесс называется амплитудной модуляцией.

Спектральные (частотные) преобразования. Такие преобразования выполняются над частотными составляющими звука. Фактически сигнал представляется рядом Фурье, то есть раскладывается на простейшие синусоидальные колебания различных частот и амплитуд. Затем производится обработка необходимых частотных составляющих (например, фильтрация) и обратная свертка. В отличие от амплитудных преобразований, эта процедура значительно более сложная в исполнении, так как сам процесс разложения звука на простейшие синусоидальные колебания очень трудоемок.

Фазовые преобразования. Выполняются либо путем постоянного сдвига фазы сигнала, либо путем наложения некоторой фазомодулирующей функции. Такие преобразования, например, стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или "объёмности" звука.

Временные преобразования. Реализуются путем наложения на сигнал одной или нескольких его копий, сдвинутых во времени. Позволяют создать эффекты эха или хора. Кроме того, временные преобразования могут влиять на пространственные характеристики звука.

Формантные преобразования. Выполняются над формантами - усиленными участками спектра звука. Применительно к звуку, сформированному речевым аппаратом человека, изменяя параметры формант, фактически можно изменять восприятие тембра и высоты голоса.

Отдельно необходимо обсудить фильтрацию звука, так как она тоже является одним из способов преобразования звука. Зачем может понадобиться фильтрация?
К фильтрации прибегают в случаях, когда необходимо ограничить или изменить спектр звукового сигнала в каком-то определенном частотном диапазоне. Путем фильтрации звука, можно избавиться, например, от нежелательных шумов или помех, подавить определенные частотные полосы. Существует и еще один немаловажный аспект применения фильтрации. Часто устройства, с помощью которых производится запись и преобразования звуковых сигналов, имеют нелинейную зависимость амплитуды от частоты сигнала. Это означает, что при записи одни частотные составляющие звука могут быть завышены, а другие занижены. Фильтрация позволяет нормализовать частотные составляющие в необходимом диапазоне.

Таким образом, фильтрацию сигналов можно в целом классифицировать следующим образом:

- фильтрация, в результате которой происходит усиление или ослабление отдельных частотных составляющих спектра;
- полное подавление частотных составляющих в определенной полосе частот.

Фильтры характеризуются с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Эта характеристика представляет собой график зависимости коэффициента передачи K(f) (амплитуды) от частоты f. То есть на таком графике можно увидеть, в какой полосе частот сигнал будет передаваться без изменений, и в какой полосе частот сигнал будет ослаблен или не пропущен совсем.

Существует четыре основных типа фильтров:

- фильтры нижних частот ФНЧ.

- фильтры верхних частот ФВЧ.

- полосно-пропускающие фильтры.

- полосно-запирающие фильтры.


Фильтрация реализуется с помощью различных устройств и алгоритмов. Одним из наиболее известных фильтрующих устройств является эквалайзер. Эквалайзер позволяет регулировать (усиливать или ослаблять) уровень частотных составляющих в определенной полосе частот, тем самым фактически регулируя тембр звука. Применительно к компьютерной технике, аппаратная реализация фильтрующих устройств в достаточной степени затруднена, так как процесс фильтрации предполагает разложение сигнала в ряд Фурье, что является математически трудоемкой операцией. Однако реализацию фильтров той или иной сложности можно найти в цифровых сигнальных процессорах (DSP - Digital Signal Processor), используемых в профессиональной и полупрофессиональной музыкальной аппаратуре (хотя в последнее время это утверждение стало частично относиться также и к бытовым звуковым устройствам). Фильтрация находит реализацию и в различном программном обеспечении, предназначенном для обработки звука. В таком случае процессы фильтрации чаще всего происходят не в реальном времени.

2. Звуковые эффекты

Давайте подробно остановимся на рассмотрении тех манипуляций со звуком, которые позволяют добиваться появления таких эффектов, как, например, эхо, реверберация и т.п. Выше мы говорили о различных способах преобразованиях звука (амплитудные, частотные и проч.). На основе этих преобразований реализуются звуковые эффекты. Принципиально, целью обработки звука является придание существующему звуку каких-то новых качеств или устранение нежелательных. Звуковые эффекты относятся к тем преобразованиям звука, которые придают звучанию новые формы или полностью изменяют звуковую информацию.


Аппаратную реализацию звуковые эффекты находят в цифровых сигнальных процессорах (DSP). Любой более или менее приличный MIDI-синтезатор имеет встроенный эффект-процессор той или иной сложности (эффект-процессор представляет собой один или несколько DSP). Сложные эффект-процессоры "умеют" накладывать на звуковой сигнал сразу несколько различных эффектов, причем, отдельно для каждого канала, позволяя регулировать параметры эффектов в режиме реального времени. Однако стоимость таких эффект-процессоров чрезвычайно высока (как и стоимость любого другого высокопроизводительного микропроцессора), поэтому профессиональные DSP устанавливаются только на качественной музыкальной аппаратуре. На более или менее дешевых звуковых платах часто устанавливается DSP с упрощенным набором возможностей: наложение одного или нескольких эффектов на все каналы одновременно.

Аппаратный эффект-процессор - это, безусловно, хорошо, но обработать звук на высоком уровне можно и программным способом. Существует множество различных звуковых редакторов, позволяющих делать со звуком значительно более сложные вещи, чем это позволяют делать даже самые сложные эффект-процессоры. Кроме того, эффект-процессоры часто эмулируются в виртуальных WT-синтезаторах, а также находят программную реализацию в специальных программах для обработки звука в режиме реального времени.

Итак, вернемся к описанию эффектов. Те или иные эффекты получают в основном четырьмя способами: с использованием задержки, изменением амплитуд, фильтрацией и изменением частотных составляющих.

Эффекты, построеный на основе задержки звука

Delay. Собственно, эффект задержки (от англ. "delay" - задержка) применяется чаще в случаях, когда моно сигнал требуется преобразовать в нечто вроде псевдостерео. Если моно сигнал подать в оба канала стереофонической акустической системы, то путем некоторой задержки сигнала в одном из каналов можно добиться получения стерео эффекта. Если же в оба канала сигнал приходит одновременно, то слушателю будет казаться, что источник звука расположен посредине. Меняя задержку сигнала в одном из каналов в пределах 8 мс можно получить эффект перемещения источника звука по стерео панораме.


Echo. На использовании метода задержки построено создание эффекта "эхо" (echo). Фактически для получения эха необходимо на оригинальный входной сигнал наложить его задержанную во времени копию. Для того, чтобы человеческое ухо воспринимало вторую копию сигнала как повторение, а не как отзвук основного сигнала, необходимо время задержки установить равным примерно 50 мс. Кроме того, на основной сигнал можно наложить не одну его копию, а несколько, что позволит на выходе получить эффект многократного повторения звука (многоголосного эха). Чтобы эхо казалось затухающим, необходимо на исходный сигнал накладывать не просто задержанные копии сигнала, а и приглушенные по амплитуде.

Reverberation. С использованием задержки можно добиться появления еще одного интересного эффекта - реверберации (от англ. "reverberation" - повторение, отражение). Эффект реверберации заключается в придании звучанию объемности, характерной для большого зала, где каждый звук порождает соответствующий, медленно угасающий отзвук. Таким образом, с помощью реверберации можно "оживить", например, фонограмму, сделанную с заглушенном помещении. От эффекта "эхо" реверберация отличается тем, что на входной сигнал накладывается задержанная во времени не его копия, а выходной сигнал. Такой процесс происходит следующим образом. В первый момент времени входной сигнал проходит на выход без изменений. Затем, по истечении времени задержки, он снимается с выхода, его амплитуда умножается на какой-то коэффициент A (обычно имеющий значение меньше 1, что фактически приглушает сигнал) и суммируется со входным сигналом. И снова, по прошествии очередного промежутка времени задержки, уже смешанный сигнал снимается с выхода, снова перемножается на коэффициент A и в очередной раз суммируется с входным сигналом.

Возьмем, например, значение коэффициента A, равным 0.5. Тогда сигнал, снятый с выхода по истечении времени задержки, будет изменен по амплитуде на значение, равное произведению амплитуды выходного сигнала на коэффициент A (то есть вполовину приглушен), и просуммирован со входным сигналом. Далее, просуммированный сигнал будет снова снят с выхода, умножен на коэффициент A и снова подан на вход, где будет просуммирован со входным сигналом. И так далее. Таким образом, чем выходной сигнал "старше", тем большее количество раз он был пропущен через "петлю" и тем более низкую амплитуду он будет иметь. Другими словами, в случае, если A < 1, то параллельно основному сигналу мы будем слышать многократное затухающее по амплитуде его повторение.

Следует опасаться случаев, когда А принимает значения больше 1. В таком случае каждый новый "виток" такого алгоритма преобразования сигнала будет приводить к увеличению амплитуды. В результате в какой-то момент времени произойдет перегрузка сигнала, что в свою очередь может привести к выходу из строя аппаратуры (усилителя или колонок). Точно такой же эффект можно наблюдать, если установить рядом микрофон и колонки, подключенные к одному и тому же усилителю.

Реверберация широко применяется в случаях, когда необходимо "украсить", обогатить звучание сольного инструмента или голоса, а также струнной, духовой групп или других голосов оркестра за исключением только ритм-секции.

Следует оговорить также проблему создания реалистичной реверберации. Дело в том, что вышеописанный механизм создания реверберации не учитывает многих обстоятельств. Если, скажем, мы хотим создать впечатление прослушивания музыки в зале, то следует учитывать, что звук, распространяющийся в зале, отражается не только от стен, но также и от кресел, пола и прочих поверхностей, которые порождают потоки дополнительных звуковых волн. Кроме того, каждая поверхность обладает свойством поглощения, в результате чего отраженный от этой поверхности сигнал может иметь несколько отличный от пришедшего сигнала спектр. По этой причине, для создания реалистичной реверберации пользуются значительно более сложными методами, которые фактически включают в себя объединения из нескольких механизмов, аналогичных тому, который мы рассмотрели выше.

Chorus. Эффект chorus (от англ. "chorus" - хор) назван так потому, что в результате его применения звучание сигнала превращается как бы в звучание хора или в одновременное прослушивание нескольких инструментов. Схема получения такого эффекта аналогична схеме создания эффекта эха с той лишь разницей, что задержанные копии входного сигнала подвергаются слабой частотной модуляции (в среднем от 0.1 до 5 Гц) перед смешиванием со входным сигналом. Процесс понижения или повышения частоты уже оцифрованного сигнала является достаточно трудоемкой работой, так как этот процесс происходит путем разложения сигнала на частотный составляющие.
Увеличение количества "голосов" в хоре достигается путем добавления копий сигнала с различными временами задержки.

Flanger (от англ. "flange" - фланец, кайма). Реализация этого эффекта напоминает реализацию эффекта эха или хора. То есть, основной сигнал смешивается с его копиями, но слегка задержанными (обычно до времени в 5-15 миллисекунд). Кроме того, эти копии могут быть частотно модулированными, при этом время задержки постоянно изменяется. В результате на выходе получается плавающий звук с биениями частот или хор с измененными тембрами копий основного сигнала. При определенном соотношении задержек, частоты и глубины модуляции возможно получение эффекта, напоминающего восприятие гудка проезжающего мимо слушателя паровоза. В аналоговых устройствах флэнжер достигается путем пропускания сигнала через гребенчатые фильтры. А обнаружен этот эффект был чисто случайно, когда два магнитофона одновременно воспроизводили одну и ту же запись в одном из них случайно задели ведомый ролик пленки (фланец), то есть фактически задержали скорость воспроизведения. От смешивания двух фонограмм возник эффект плавания звука. Этот эффект удивил звукоинженеров своей новизной и в последствии флэнжер стал широко использоваться при написании музыкальных композиций.
Phaser (от англ. "phase" - фаза). Также основан на смешивании входного сигнала с его копиями, сдвинутыми в пределах фазы сигнала. Вообще говоря, сдвиг по фазе аналогичен сдвигу во времени на доли миллисекунд. Может применяться сдвиг по фазе не на фиксированные значения, а изменяющийся по какому-то фазомодулирующему закону. В результате такой эффект может восприниматься на слух как "качание" частот, то есть приглушение то одних, то других. В случае обработки стерео сигнала частоты могут "переплывать" из одного канала в другой. В аналоговой технике для получения фэйзера прибегают к использованию фазовращателей.


Преобразование амплитуд

Distortion. Эффект дистошн (от англ. "distortion" - искажение) основывается на использовании амплитудной модуляции. Фактически это замена одних значений амплитуд сигнала другими значениями. За счет переусиления, когда происходит срезание верхушек входного сигнала, можно получить, например, классический вариант гитары heavy metal (то есть сигналу придается скрежетание или своеобразная "хрипота"). Применение такого эффекта приводит к довольно резкому искажению входного сигнала (в зависимости от глубины модуляции), в результате чего сигнал становится похож на прямоугольный, и как следствие происходит расширение спектра сигнала.
Классический механизм получения эффекта следующий:

Входной сигнал смешивается с его копией, подвергнутой преобразованию в блоке distortion. Блок имеет два уровня сигнала: пороговый и верхний. Если амплитуда входящего в блок сигнала не превышает порогового уровня, то сигнал проходит на выход блока без изменений. Если же амплитуда сигнала выше порогового уровня, то блок усиливает такой сигнал до верхнего уровня.


Envelope (от англ. "envelope" - огибающая). Представляет собой изменение огибающей амплитуды сигнала. С помощью такого преобразования можно, например, сигнал, записанный с равномерной громкостью (интенсивностью) на всей его протяженности, сделать медленно нарастающим вначале и медленно спадающим в конце.

Tremolo Реализуется путем амплитудной модуляции сигнала. Частота амплитудно-модулирующей функции не должна превышать 10-12 Гц. Фактически тремоло представляет собой частный случай амплитудного вибрато (см. ниже) с коэффициентом глубины модуляции, равным единице. На слух тремоло воспринимается как дрожание звука.

Формально, мастеринг — это процесс подготовки и переноса записанной фонограммы на какой-либо носитель для последующего тиражирования. Традиционно, мастеринг был процессом переноса записей с магнитной ленты на мастер-диск на фонографическом станке для дальнейшего производства виниловых пластинок. Запись в буквальном смысле нарезалась на лаковой основе тончайшим резцом, кстати, именно отсюда взялся термин про «нарезку» компакт-дисков. Станок был очень дорогостоящим и далеко не все даже крупные студии могли позволить себе нарезать диски самостоятельно на своем оборудовании.

Кроме этого, формат винила накладывал очень жесткие ограничения на записи: для того, чтобы игла проигрывателя не прыгала по пластинке. Не должно было быть перекоса между каналами, взаимопроникновение делалось порядка -30 дБ, что, по нынешним меркам, просто кошмарно — даже бытовая техника сегодня имеет этот показатель как минимум в два раза лучше. Также накладывалось серьезное ограничение на динамический диапазон — если уровень опустится ниже нормы, то дорожка перестанет существовать, и игла просто соскочит с неё. Если будет превышен определенный уровень, дорожки на диске пересекутся, надо следить за расстоянием между ними. На расстояние между дорожками — свое ограничение — от него зависит время звучания пластинки, поэтому для записи 20 минут музыки на одну сторону 12-дюймового диска сильно зажимали уровни, но даже если количество материала позволяет не беспокоиться о емкости носителя, все равно остается риск задеть алюминиевую основу болванки резцом, дорогим настолько же, сколько и тонким — его стоимость составляла несколько месячных зарплат мастеринг-инженера. Также из-за резкого скачка уровня резец резко впивается в материал болванки и «вылетает».

Кроме этих чисто технических лимитов, нужно ориентироваться на «средний проигрыватель» — тяжело объяснить покупателю, который принес диск обратно в магазин с претензией «не звучит», что это не изготовитель виноват, а стоит улучшить домашнюю технику и немного заняться акустикой помещений — это бизнес, нельзя «подставлять» производителя проигрывателей и рабочих, делавших последний ремонт у этого покупателя.

Добавляем ко всей этой мешанине причин неприспособленность микшерных комнат большинства студий для мастеринга в плане контроля и психологическую невозможность звукорежиссеров делать мастеринг самим — много часов достигая максимально «того самого» звучания, очень трудно будет потом его осознанно портить, подгоняя под все технические требования.

Все эти и многие другие причины привели к появлению отдельных мастеринг-домов и профессии мастеринг-инженера — человека с хорошим слухом и обширным опытом работы, профессионального искателя компромисса.

С появлением CD-DA, станок был заменен АЦП и записывающим устройством, а болванку для штампования стали изготавливать цифровым способом. Формат CD снял большинство технических ограничений винила, cd-записывающие устройства уже более чем доступны. Многие студии стали отказываться от услуг мастеринг-домов, в основном, по экономическим причинам, а те, в свою очередь, были вынуждены сильно снизить расценки, чтобы стимулировать приток заказов, а это опасно сокращением затрат на техническую часть.

Студия мастеринга

Очевидно, что студия мастеринга должна значительно отличаться от студии записи и сведения. В первую очередь — контролем, так как это последний рубеж перед тем, как запись пойдет в продажу, когда еще можно обнаружить брак. С другой стороны, контроль в студии мастеринга должен быть максимально приближен к тем аппаратам и условиям, в которых предположительно будет прослушиваться запись, поэтому обычно в мастеринг-студиях стоят как минимум 3 пары мониторов — основные высококачественные, малые высококачественные и так называемый cheap-котроль (иногда называют еще шит-контролем), то есть нечто, радикально отличающееся от первых двух, но наиболее близкое к «средней системе». Если студия предназначена не только для мастеринга дисков, то набор мониторов может быть еще больше.

Еще первое, что привлечет внимание не знакомого с мастерингом человека — отсутствие огромной студийной микшерной консоли, каналов на 96, которая для многих является символом большой и хорошей студии — в мастеринговых студиях микшерный пульт если и ставят, то небольшой, размеры помещения также более скромные.

Зато на мастеринговых студиях в изобилии различные приборы финальной обработки звука — эквалайзеры и компрессоры, несколько видов генераторов дитера (специальный шум, добавление которого к цифровой записи минимизирует шумы квантования, делая запись более приятной на слух).


Процесс современного мастеринга

В последние годы, с быстрой миграцией музыки с больших дорогих студий с высококвалифицированным персоналом на маленькие «артистические», основанные на DAW (digital audio workstation, цифровая звуковая рабочая станция) студии, процесс традиционного мастеринга стал меняться. Многие из студий хорошо подходят для создания и записи музыки, но они обычно не приспособлены для точного сведения, из-за акустического оформления, техники или персонала (любая комбинация перечисленного). В результате мастеринг-студии все чаще стали сталкиваются с треками, которые хорошо звучат в музыкальном смысле, но акустически не сбалансированы, например, слишком низкий по уровню вокал или «гудящий» бас. В таких случаях мастеринг-инженер моментально попадает в серию компромиссов, потому что все уже смешано: если поднять вокал многополосной динамической обработкой, то гитарная партия в том же диапазоне тоже вылезет, точно также если прибрать гудящий бас эквалайзером, то бочка уйдет вместе с ним. Чем больше ошибок присутствуют в принесенном миксе, тем больше компромиссов возникает.

Разработанное и быстро освоенное индустрией в 2005 году решение этой проблемы — деление микса на четыре или больше частотных диапазона. Артист/звукорежиссер приносит трек на мастеринг в виде нескольких синхронизированных треков (файлов), названных делениями (separations), каждое деление — это отдельная группа инструментов, таким образом мастеринг-инженер может изменять сведение без компромиссов. Дополнительные преимущества этого метода — не нужны «альтернативные» миксы, не нужны дорогостоящие дополнительные сессии «вспоминания» микса или ремикса — потому как миксы больше не отвергаются студией мастеринга. В принципе любой относительно «близкий» микс может быть вылечен и улучшен, к тому же конечный продукт обычно звучит чище и детальнее за счет, кроме всего прочего, микширования на оборудовании более высокого класса с мастеринговым студийным клоком с низким джиттером.

Возможный недостаток метода — слишком много свободы для мастеринг-инженера для изменения микса — например, относительная громкость гитары и вокала. Поэтому обычно предоставляется еще и копия оригинального сведения как ориентир для инженера, чтобы мастер наследовал исходные музыкальные пропорции. Тут стоит заметить, что при традиционном мастеринге эти пропорции очень часто меняются из-за компрессоров и/или лимитеров, особенно когда люди хотят получить «громкий» CD (к сожалению, очень распространенная практика, часто называемая «войной громкости»). В экстремальных случаях микс может измениться весьма заметно — пики у инструментов с большим динамическим диапазоном будут срезаны, а мягкие партии будут усилены. Некоторые партии могут провалиться, а другие сильно подняться по громкости вокруг них, особенно если неверно применяются многополосные динамические процессоры.

Профессиональные мастеринг-инженеры имеют значительный опыт в балансировании эффектов увеличения громкости и полноты с сохранением наиболее близкого к оригиналу звучания — это область компромисса, которая требует тренированного слуха и значительного технического знания. Если прокрадется ошибка, то даже великий альбом, полный нетленок будет иметь качество «записано дома» против «куплено в магазине».

При мастеринге с делениями, когда громкость трека нежелательно увеличивается — можно это исправить без компромисса, так как основные музыкальные элементы обычно на разных треках. Может показаться, что это лучший способ всех времен и народов, повторюсь — могут быть проблемы в случае неопытного мастеринг-инженера, также не надо путать этот метод мастеринга со «сведением во время мастеринга».

Непосредственно процедура

Процесс мастеринга сильно зависит от материала, обычно мастеринг включает в себя следующие шаги:

1. Загрузка треков в рабочую станцию
2. Исправление проблем записи, например, — уровень, тональный баланс, артефакты, DC-офсет
3. Составление последовательности треков, в которой они будут на конечном продукте (например, CD)
4. Перенос записи на конечный носитель (CD-R, образ диска на HD и пр.)

Пример возможных действий во время мастеринга:

1. Применение шумодава, чтобы убрать гудение и шипение
2. Привести пики во всех треках к какому-то уровню, общий уровень не должен превышать 0 дБ
3. Выравнивание соседних треков, чтобы не было скачков в восприятии баса, высоких, средних, громкости (см. про уровни) или панорамы.
4. Компрессия (например, 1.5:1 начиная от -10дБ), чтобы прибрать пики и поднять более тихие партии
5. В случае мастеринга для вещания, частотный диапазон должен быть уменьшен. Например, для телевидения нужен high-pass -18 дБ фильтр на 80 Гц и low-pass на 12 кГц на -9 дБ


Немного об уровнях

Несмотря на то, что производители записи не имеют возможности напрямую влиять на громкость воспроизведения их треков у конечного пользователя, все равно в недалеком прошлом с появлением CD была «война за громкость» — каждый старался, чтобы именно его компакт звучал наиболее громко при одинаковых настройках проигрывателя, правда, есть и объективная причина — уход от шумов.

В аудиопроизводстве принято измерять среднюю громкость в RMS — Root Mean Square (среднеквадратическое значение), чем больше значение RMS, тем громче звук.

Громкие записи имеют пики RMS около -7, тихие около -16, область наилучшего восприятия около -11дБ.

Это параметр, наиболее близко отражающий восприятие громкости трека слушателем, но нет гарантии, что разные треки с одинаковым RMS будут восприниматься одинаково. Восприятие сильно зависит от частотного диапазона сигнала, насыщенности фонограммы.

Иногда, в погоне за RMS допускают незначительный клиппинг сигнала, однако в этом случае добавляются искажения и уменьшается панч.

Ссылки

1. Филипп Ньюэл — Project-студии: маленькие студии для великих записей, глава про мастеринг (Philipp Newell, Project studios: a more professional approach)
2. Bob Katz — The secret of the mastering engineer (www.tcelectronic.com/media/bob…)