Ревербераторы

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.

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!

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 по-слезвучание ("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 ревер-берационного 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 ЗО-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 механоэлек-трического преобразователя мало напоминает ис­ходный, но в сочетании с прямым сигналом суммарное звучание действительно похоже на ре-верберированное.

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 Рге-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).

Раулирование 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 сте-реобазы 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 ТС Electronic, а также реверберационные им­пульсы реальных помещений.

Рассмотрим подробнее процесс получения им­пульсов и свертку с ними. Как известно, импульс­ный отклик линейной системы показывает ре­акцию системы на простейший входной сигнал -единичный импульс. Зная этот отклик, можно вычислить отклик y системы на произвольный входной сигнал.

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 М 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 - М 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-обра-ботке 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 звукоре-жиссерский 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 парамегры 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.

По материалам журнала "Звукорежиссер"