Last updated on

Dec 12, 2014

Upper page

Reverb

РЕВЕРБЕРАТОРЫ И ПРОЦЕССОРЫ ЭФФЕКТОВ

Анатолий Вейценфельд, Алексей Лукин

Статья напечатана в журнале «Звукорежиссер», №3, 2007.

Нынешний обзор посвящен ревербераторам и родственным им эффектам. За последние несколько лет технологии в области создания пространственно-временных эффектов значительно усовершенствовались, и можно говорить о значительном прогрессе в этой области. Этим прогрессом мы обязаны научным исследованиям в области акустики и психоакустики, разработкам новых методов синтеза звукового пространства и новых алгоритмов реверберации. О них вы можете прочитать в обзорах с конгрессов AES.

Но вначале — коротко о сути процесса реверберации. Коротко — потому что такое акустическое явление, как реверберация, описано в многочисленных пособиях, учебниках, популярных изданиях и даже упоминается в школьном курсе физики.

Реверберация (от латинского re-verberatus, «повторный удар») — это процесс продолжения звучания после окончания звукового импульса или колебания благодаря отражениям звуковых волн от поверхностей. Поэтому реверберация имеет место только в закрытых помещениях, хотя в особых условиях некоторые ее виды могут иметь место и на открытом пространстве (например, узкое горное ущелье, стадион, городская площадь и т.п.). К закрытым помещениям мы с полным основанием можем отнести и такое природное образование, как пещера — вот уж где реверберация так реверберация!

Структура отражения в помещении

В закрытом помещении к слушателю приходит не только прямой звук, но и т.н. ранние отражения. Ранние отражения — это те, что по пути к слушателю отражаются от стен помещения только один раз.

Последующие «поздние» отражения — это «отражения отражений», или «переотражения», когда звуковая волна, прежде чем дойти до слушателя, многократно отражается от разных стен. Чем больше таких отражений, тем сильнее меняется их спектр за счет потери высоких частот, утрачивающих энергию быстрее, чем низкие. Поздние отражения соединяются в одно сплошное плавно затухающее послезвучание («реверберационный хвост»)

Для практического измерения времени реверберации было предложено измерять время, за которое уровень затухающего (реверберирующего) сигнала уменьшается на 60 дБ. Это параметр RT60, называемый также «временем реверберации». Однако при измерении времени реверберации RT60 не учитываются частотные характеристики реверберационного отзвука.

Еще один параметр — диффузность, или спектральная неравномерность. Она определяет неравномерность АЧХ реверберации в частотной полосе в 1 Гц. Чем больше этот параметр, то есть чем более неравномерна АЧХ — тем плотнее, насыщеннее реверберационный отзвук, и тем менее он тонально окрашен. А, как известно, тональная окраска реверберации, то есть присутствие в отзвуке интонационной определенности, есть существенный недостаток помещения, делающий его непригодным для использования в музыкальных целях.

В естественной реверберации происходит сложение множества сигналов, имеющих различную задержку, поэтому количество пиков и провалов в результирующей АЧХ будет расти. В силу случайности процесса сложения пиков и провалов отдельные элементы аппроксимируются, становятся незаметными для слуха, и сам «реверберационный хвост» становится плотным и ровным.

Именно возможность наиболее точно воссоздавать этот процесс электронным образом и отличает звучание высококачественных приборов от более простых и дешевых.

Как известно, первыми искусственными ревербераторами были появившиеся в 30-е годы эхо-камеры. Это были специальные помещения при студиях звукозаписи, обычно коридоры в подвалах. На одном конце комнаты устанавливался громкоговоритель, а на другом — микрофон. На громкоговоритель подавался сигнал, а снятый с микрофона сигнал подмешивался к прямому. Таким образом, принцип параллельной обработки, используемый в современных ревербераторах, ведет свое начало еще от эхо-комнат.

Первой электромеханической системой реверберации явился пружинный ревербератор, до настоящего времени все еще встречающийся в гитарных комбиках. Его устройство в каком-то смысле аналогично эхо-комнате (на одном конце электромеханический преобразователь, на другом конце — механоэлектрический), только средой распространения волн вместо воздуха служила пружина. В силу особенностей распространения колебаний в пружине (преимущественно продольные), звуковой сигнал на выходе механоэлектрического преобразователя мало напоминает исходный, но в сочетании с прямым сигналом суммарное звучание действительно похоже на реверберированное.

Следом появились другие электромеханические устройства — листовые ревербераторы. Их звук реверберации был более правдоподобен, но при подаче сложного и высокоуровневого сигнала (например, с нескольких каналов микшера) они давали заметные искажения. Да и в силу громоздкости конструкции использование листовых ревербераторов было ограничено.

Однако, несмотря на несовершенство, пружинные и листовые ревербераторы оставили свой след в звукозаписи, сформировали определенную эстетику звучания, и до сих пор их саунд имитируется почти всеми цифровыми ревербераторами.

Первые электронные ревербераторы представляли собой специальные магнитофоны со сквозным каналом и несколькими головками воспроизведения. Сигнал с выхода усилителя воспроизведения подавался обратно на вход усилителя записи. Строго говоря, ревербераторами их называли неправильно, на самом деле это были многоотводные задержки, так как их сигнал представлял собой ряд затухающих повторов. Регулируя уровень каждого повтора и скорость движения ленты, можно было менять характер эффекта.

Наконец, появились цифровые ревербераторы. По методу обработки сигнала они являются в определенной степени аналогами магнитофонных ревербераторов, только значительно более сложными по архитектуре. Основой «машины» обработки является многоотводная цифровая линия задержки, на которую подается оцифрованный входной сигнал, и она аналогична ленте в магнитофоне. Однако в цифровом приборе количество отводов сигнала может быть неограниченно большим.

Несмотря на то, что в паспортах на устройства указаны сотни видов реверберации, число основных типов алгоритмов в каждом приборе невелико, не более пяти. А вот количество вариантов звучания, то есть пользовательских и фабричных пресетов, — многие сотни.

Что же представляют собой основные типы алгоритмов?

Это несколько видов реверберации помещений, эмуляция, то есть имитация пружинного, листового и ленточного ревербераторов. А далее производители и пользователи составляют свои наборы звучаний путем варьирования множества параметров, входящих в эти алгоритмы. Если простых алгоритмов оказывается недостаточно, то соединяют вместе разные алгоритмы для получения комбинированных звучаний и эффектов.

Для удобства пользователя в программах заложены основные характеристики разных помещений, от маленьких комнат до огромных залов и пещер. Отдельно заложена информация о структуре ранних отражений, отдельно — о собственно реверберационном хвосте. Изменение параметров звучания также производится раздельно для этих двух групп.

Одним из важнейших параметров является Pre-Delay (предзадержка) — временной интервал между приходом к слушателю прямого сигнала и появлением самого первого отраженного сигнала.

Еще один важный параметр — характер затухания ранних отражений, выражающийся в огибающей.

Не менее важна и диффузность. Следует отметить, что в дорогих моделях диффузность создается путем увеличения количества самих отражений. Каждый импульс как бы распадается на гроздь из нескольких близко расположенных. В недорогих моделях просто изменяются интервалы между самими отражениями без изменения их количества. Это, конечно, упрощает алгоритм и разгружает процессор обработки сигнала, но упрощается и звук — он становится коротким и тонально окрашенным.

Многие приборы имеют возможность регулировки громкости ранних отражений, позволяют установить время их задержки относительно прямого сигнала и положение в стереобазе.

Можно регулировать также время задержки Rev Delay, но у разных производителей оно понимается по-разному — где-то это время задержки относительно прямого сигнала, а у других — поздних отражений относительно ранних. Бывают также регуляторы диффузности Diffusion и уровня реверберации Reverb Level.

Реверберационный «хвост» получается путем подачи задержанного выходного сигнала повторно на вход, в результате возникает последовательность затухающих во времени повторений исходного сигнала. Этот процесс регулируется параметром Decay, или Rev Time (время реверберации).

Регулирование спектра производится по-разному — в цепь обратной связи включается эквалайзер, и тогда получают различное время реверберации на разных частотах. Простой регулятор АЧХ обратной связи на высоких частотах Hi Ratio уменьшает уровень ВЧ-составляющих, а в дорогих приборах имеются сложные четырехполосные кроссоверы. С ними обращаются, как с параметрическими эквалайзерами, регулируя как частоты раздела, так и уровни сигналов в каждой полосе. В наиболее распространенных процессорах среднего класса обычно существует только возможность регулировки уровня НЧ- и ВЧ-компонентов обратной связи. Зато качественные дорогие модели оснащаются общим выходным эквалайзером, возможностью отдельного изменения спектра звучания ранних отражений и отдельно реверберационного «хвоста». На входе часто устанавливается эквалайзер или фильтр для удаления ненужных компонентов.

Встречаются регулировки, изменяющие одновременно целую группу параметров. Это, например, регулятор Size, изменяющий размер имитируемого помещения. Часто он калибруется в метрах, показывающих линейные размеры.

В некоторых ревербераторах имеются алгоритмы синтеза виртуального помещения. Можно установить его размеры: ширину, глубину, высоту, выбрать характеристики поглощения отдельно для каждой поверхности, и т.п.

В документации на приборы часто встречается характеристика «подлинно стереофонический» ревербератора (true reverb). Тут есть важный момент — ревербератор, в котором итоговый эффект определялся бы пространственным расположением реальных источников сигналов в стереобазе, пока не существует. Поэтому все стереоэффекты в ревербераторах — псевдостереофонические. Например, во многих есть регулятор ширины стереобазы выходного сигнала. В некоторых приборах работают две независимые «машины», то есть два отдельных процессора для левого и правого каналов. Вот такие ревербераторы называются «истинно стереофоническими», в отличие от ревербераторов, у которых стереосигнал формируется на основе монофонического входного.

В «подлинно стерефонических» ревербераторах часть выходного сигнала одного канала подается на вход другого.

Наряду с множеством достоинств цифровых ревербераторов, у них есть существенный недостаток — это некоторая предсказуемость, монотонность, излишняя стабильность получаемого звучания, отличающая его от реверберации в реальных помещениях.

Для имитации живости звучания разработаны различные способы. В простейших случаях «оживление» производится введением небольшой модуляции времени задержки специальным инфранизким FM-сигналом, при этом модулируются частота и глубина (как в синтезаторе). В «навороченных»дорогих аппаратах применяются сложные случайные алгоритмы для придания «живости» звучанию — Randomization. Они меняют случайным образом спектр компонентов реверберационного процесса, что делает звучание похожим на реальный зал.

Технологически прогрессивным и самым современным видом искусственной реверберации является конволюционная реверберация.

Эта технология основана на применении т.н. свертки (convolution) с импульсным откликом помещения. Одним из первых популярных программных модулей, реализующих эту функцию, был Sonic Foundry Acoustic Modeler. Он мог загружать в качестве «импульсов» обычные WAV-файлы и сворачивал с ними входной сигнал. В сети стали появляться библиотеки импульсов, полученные от различных «железных» приборов компаний Lexicon и TC Electronic, а также реверберационные импульсы реальных помещений.

Рассмотрим подробнее процесс получения импульсов и свертку с ними. Как известно, импульсный отклик h[t] линейной системы показывает реакцию системы на простейший входной сигнал — единичный импульс. Зная этот отклик, можно вычислить отклик y[t] системы на произвольный входной сигнал x[t] с помощью операции свертки, где M — длина импульса:

y[t] = Σ^M_k=0 x [t–k] b [k]

Другими словами, зная реверберационный отклик комнаты на щелчок единичного импульса, можно вычислить реверберацию для любого сложного сигнала.

Получение импульсного отклика системы

Как получить импульсный отклик системы для использования в программе-ревербераторе? Если речь идет о цифровом ревербераторе, то достаточно подать на него единичный импульс, сгенерировать который позволяет большинство звуковых редакторов, и записать результат. Если речь идет о реальном помещении, то данный метод сталкивается с серьезными ограничениями воспроизводящей и записывающей аппаратуры: громкоговорители и микрофон должны обладать ровными АЧХ и ФЧХ, а комната не должна иметь шумов, чтобы реверберационный отклик не потонул в них. Второе из этих требований, как правило, недостижимо для залов, акустику которых предпочтительно «записывать» в присутствии зрителей.

В борьбе с шумами можно повышать мощность собственно единичного импульса, но громкоговорители, как правило, неспособны передавать импульсные сигналы большой мощности без сильных искажений. Поэтому в прошлом для измерения импульсных откликов помещений часто использовались звуки хлопков в ладоши, стартовых пистолетов и лопающихся воздушных шаров. К сожалению, все эти звуки довольно далеки от единичного импульса, и результат может требовать значительной эквализации АЧХ. Хлопки в ладоши недостаточно мощны для перекрытия шума, звуки пистолета содержат слишком мало низкочастотных компонент и обладают слабой повторяемостью, воздушные шары также не обеспечивают повторяемости и имеют очень неравномерную диаграмму направленности на различных частотах.

Более современный метод измерения импульсных откликов основан на использовании специальных шумовых последовательностей (MLS — maximum-length sequence). Если записать отклик системы (помещения) на такую последовательность, то из него можно восстановить искомый импульсный отклик системы с помощью операции деконволюции (инверсной фильтрации). Для MLS-последовательностей операция деконволюции достаточно проста, и поэтому они широко применялись для измерения акустики помещений, обеспечивая хорошее соотношение сигнал/шум для полученных импульсных откликов. Однако методу MLS присущи некоторые недостатки. Во-первых, MLS-последовательности имеют белый спектр и на низких частотах не всегда способны обеспечить хорошее соотношение сигнал/шум для заполненных зрителями залов, т.к. шум заполненного зала на средних и низких частотах приблизительно красный (спад около 3,5 дБ/окт). Во-вторых, этот метод рассчитан на то, что измеряемая система является линейной. Если же в системе присутствуют нелинейности или изменения по времени (даже такие незначительные, как движения публики, воздушных масс или джиттер в аудиосистеме), то они приводят к искажениям, проявляющимся в импульсных откликах в виде ложных реверберационных отражений.

Наиболее современный метод получения импульсных откликов помещений также использует метод деконволюции, но в качестве тестового сигнала выступает скользящий тон. Из записанного отклика помещения можно отфильтровать гармонические искажения, т.к. они будут всегда находиться на частотах выше тестового сигнала, а интересующая нас реверберация — ниже (в силу возрастания частоты по времени). Кроме того, для улучшения соотношения сигнал/шум можно увеличить амплитуду низкочастотной части тестового сигнала и учесть это в процессе деконволюции. Таким образом, с данным тестовым сигналом удается избавиться от многих проблем метода MLS и обеспечить хорошее соотношение сигнал/шум в получаемом импульсном отклике.

Еще один метод получения («синтеза») импульсов — компьютерная трассировка «звуковых лучей» в моделируемом помещении.

Вычисление свертки

Длина импульсных откликов помещений зависит от их времени реверберации. На восприятие реверберации наиболее сильно влияет затухание реверберации от максимального значения до уровня –15 дБ. Можно считать, что затухание ниже уровня –60 дБ практически не влияет на восприятие. Длина импульсов помещений до их затухания до уровня –60 дБ может исчисляться несколькими секундами, т.е. длина импульса M может составлять десятки и даже сотни тысяч цифровых отсчетов. Прямое вычисление свертки в реальном времени по вышеприведенной формуле невозможно на сегодняшних персональных компьютерах в силу слишком высокой вычислительной сложности — M умножений на каждый входной отсчет сигнала. Однако вычислять свертку можно с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT), которое уменьшает сложность до порядка logM умножений на отсчет. Однако блочный подход при FFT-обработке вносит в обрабатываемый сигнал задержку (latency), равную длине ядра свертки (импульса). Существуют различные методы уменьшения задержки при FFT-свертке с помощью разбиения ядра свертки на части (partitioning), позволяющие уменьшить задержку до сотни миллисекунд практически без повышения вычислительной сложности. Дальнейшее уменьшение задержки возможно, но за счет некоторого повышения вычислительной сложности. С помощью специальных запатентованных методов неравномерного разбиения ядра свертки возможно полностью устранить задержку сигнала в FFT-свертке при приемлемой вычислительной сложности для обработки в реальном времени.

Модификации импульса

Современные конволюционные ревербераторы позволяют пользователю изменять имеющиеся импульсы для достижения нужного звучания реверберации. Простейшей модификацией, позволяющей уменьшить время реверберации, является укорочение импульса. Многие ревербераторы позволяют изменять относительный уровень ранних и поздних отражений, а также задержку ранних отражений. Считается, что для красиво звучащей реверберации первые ранние отражения должны приходить через 15…20 мс после прямого звука, а суммарная мощность ранних отражений (в диапазоне 15…50 мс) должна составлять примерно –6 дБ от мощности прямого сигнала.

Фильтрация импульса позволяет изменить тембр реверберации. В общем случае фильтрация может быть зависимой от времени: применяя к различным частотным полосам импульса амплитудные огибающие, можно изменить скорость затухания (степень демпфирования) на различных частотах.

Важным параметром реверберации является плотность отражений во времени вкупе со случайной всенаправленностью их прихода. Этот параметр также называется диффузностью реверберации. В целях увеличения плотности можно добавить к имеющемуся импульсу искусственно моделированные отражения или продублировать все отражения импульса с некоторой фильтрацией.

Другой важный параметр — доля боковых отражений (латеральность). Если отражения приходят с того же пространственного направления, что и прямой звук, то они могут искажать спектр звука, вызывая гребенчатую фильтрацию. Отражения же, независимо приходящие с боковых направлений, наоборот повышают естественность звучания, увеличивая эффект «обволакивания» (envelopment) акустической средой. Существует звукорежиссерский прием, когда при панорамировании прямого сигнала в одну сторону искусственная реверберация панорамируется в противоположную сторону.

Нелинейные элементы обработки

Реверберация реальных помещений практически линейна, то есть может быть достаточно точно описана сверткой с соответствующим импульсом. Однако в случае заполнения зала зрителями может появиться некоторая случайность параметров реверберации во времени. Такой случайности можно добиться, изменяя параметры импульса во времени или нелинейно обрабатывая полученную искусственную реверберацию. Можно применить случайные возмущения уровня, динамическую обработку или даже модуляцию частоты. Не все нелинейные модификации будут звучать натурально, но многие из них можно использовать как дополнительные выразительные средства или спецэффекты. Например, модуляция реверберации по высоте не годится для записей фортепиано, т.к. фортепиано — инструмент со строгим строем, без модуляций и вибрато. Однако тот же прием в ряде случаев хорошо прозвучит на вокале или струнных.

Очевидно, что звучание конволюционных ревербераторов определяется в первую очередь загруженными в них импульсами и их средствами по модификации импульсов. А алгоритм «применения» реверберации в них используется практически один и тот же.