Устройства динамической обработки звука

Приборы динамической обработки, их принцип работы.

План:

• Введение

1. Звук

2. Понятие о звуковой волне
3. Физические характеристики звука

• Динамическая обработка

1. Динамический диапазон
2. Классификация устройств динамической обработки

1. Компрессоры
2. Экспандеры

Введение

Современная звукозапись  – процесс сложный и трудоёмкий, ведь предъявляемые требования к  качеству звучания записанного материала  в современном высокотехнологичном  обществе значительно выше, чем 20-30 лет назад. Из этого следует усложнение и проработка каждого этапа этого процесса, необходимость применения высококачественной и наиболее современной аппаратуры, и конечно, осмысленный и творческий подход звукорежиссёра к разным художественным задачам решением которых должна стать качественная фонограмма. Так какие средства есть в арсенале современного звукорежиссёра? В этой работе будут рассмотрены одни наиболее значимых способов обработки звука: динамическая и частотная. Но сперва немного о самом звуке.

Понятие о звуке. Волновая природа звука.

Звук, в широком смысле — упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле — субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Звуковая волна как  и любая другая волна будет  характеризоваться амплитудой и частотой(спектром частот).

Амплитуда звуковых волн и аудиосигналов обычно относится к амплитуде давления воздуха в волне, но иногда описывается как амплитуда смещения относительно равновесия (воздуха или диафрагмы говорящего). Её логарифм обычно измеряется в децибелах (дБ)

Звуковые волны могут  служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы  и выражается в отклонении её характеристик  от равновесных значений с последующим  возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой  характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение — звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном  месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц, давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разрежения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости  от соотношения направления распространения  волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения  волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие  деформации сдвига, обусловливающие  возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают  колебания перпендикулярно направлению  распространения волны. Скорость распространения  продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых  волн.

Частота — физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов процесса, совершённых за единицу времени.

Частоту колебаний обычно принято обозначать в таких единицах, как герц, или сокращенно - Гц. К примеру, если частота воздушной волны составляет 200 Гц, то это означает, что колебания плотности воздуха происходят 200 раз в секунду.

По слышимому человеком  диапазону звуковые колебания можно  разделить на: слышимый диапазон, который  находится в пределах частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц, инфразвук, ниже 16 Гц и ультразвук – выше 20 кГц.

Отношения частот звуковых колебаний выражаются с помощью  музыкальных интервалов, таких как октава, терция, квинта и т.п. Интервал в одну октаву между частотами звуков означает, что эти частоты отличаются в 2 раза. Кроме того, для описания частотных интервалов используется декада — интервал между частотами, отличающимися в 10 раз. Так, диапазон звуковой чувствительности человека составляет 3 декады (20 Гц — 20 000 Гц).

Динамический  диапазон. Динамическая обработка.

Динамическая обработка  – изменение динамического диапазона  звукового сигнала, т.е. разницы между  самым громким и самым тихим  звуком.

Необходимость применения устройств  изменяющих динамический диапазон продиктована разными аспектами процесса звукозаписи. Ограничение на динамический диапазон накладывает сам тракт записи. В современных цифровых носителях CD заявлен диапазон в 96дБ, но это значение справедливо только для соотношения сигналов самой большой громкости с цифровым шумом во время паузы. В современных цифровых 16 разрядных трактах нежелательно использование нижней части их амплитудной характеристики в пределах 10-16дБ из-за снижения качества записи при малых значениях амплитуды сигнала (сигнал в -60дБ передаётся всего лишь 6 разрядами цифрового кода). Также во избежание резких отсечек на пиковых значениях сигнала, необходимо оставлять запас ещё в 3-6дБ. Из 96дБ заявленных остается порядка 74дБ реальных, а в аналоговых трактах и того меньше(порядка 50дБ для магнитной звукозаписи). И в эти рамки, к примеру, надо «уложить» симфонический оркестр, динамический диапазон которого может достигать 100-110дБ. Следовательно, динамический диапазон необходимо «сжимать» аппаратными средствами. Сжатие динамического диапазона отдельных компонентов сложной фонографической картины также необходимо проводить в связи психоакустической маскировкой некоторых сигналов входящих в неё. Так звуки pianissimo воспринимаемые в тишине отчетливо, могут «потеряться» в более громком «миксе».

Второй, не менее важный аспект - это «как избавиться от мешающих сигналов?»  Таких как, шум в паузах, посторонние  сигналы попадающих в микрофон, «рабочий»  шум электромузыкальных инструментов(гитарных «примочек»).

В этих случаях возникает  необходимость в автоматической регулировке уровней сигналов, т.е. применении приборов динамической обработки.

Классификация устройств  динамической обработки.

Все устройства динамической обработки можно разделить на два больших класса - по характеру взаимосвязи их коэффициента усиления и уровня входного сигнала.

1. Если при увеличении уровня входного сигнала коэффициент передачи устройства уменьшается - то это компрессор и/или его разновидности. Такие, как лимитер, левеллер, “дакер”, и др.
2. Если же при увеличении входного сигнала коэффициент передачи устройства также увеличивается - то это экспандер или гейт.

Компрессор(«to compress» - сжимать, англ.) – устройство сжимающее диапазон исходного звукового сигнала, т.е. компрессор сокращает динамический диапазон автоматически уменьшая громкость звука после того, как она превысит определенный уровень.

Приборы динамической обработки имеют 4 основные характеристики:

1. Амплитудная
2. Временная
3. Частотная
4. Сервисная

Амплитудная характеристика.

На этом рисунке 1 по горизонтали отложено входное напряжение компрессора, выраженное для удобства в децибелах, по вертикали - выходное, а толстая линия - это проходная характеристика компрессора. На этом графике видно, что выходной сигнал - в точности равен входному, до точки начала работы компрессора - порога срабатывания(THRESHOLD). Начиная с этой точки, выходной сигнал компрессора увеличивается в меньшей степени, чем входной, т.е. осуществляется компрессия. Мерой компрессии служит степень сжатия(RATIO).

Степень сжатия - это отношение величины приращения входного сигнала к величине вызванного им приращения выходного сигнала.

RATIO=dUвх(дБ)/dUвых(дБ)

Следовательно, если степень  компрессии установлена «1:1» –  с сигналом ничего не происходит,  при установке степени «2:1» уровень звука после компрессии превышает пороговый на величину в два раза меньшую, чем до компрессии. Например, пороговый уровень установлен на величине 2 дБ. Пока громкость звука не превышает эту величину - ничего не происходит. Когда звук достигает величины 4 дБ - компрессор срабатывает и на выходе получается звук с громкостью 3 дБ (уровень превысил пороговый на два децибела, степень компрессии установлена «2:1»). Если уровень входного сигнала будет 6 дБ, то на выходе получится 4 дБ. Установка «оо:1» означает, что звук не может превысить пороговый уровень. Это называется ограничение, а ограничитель(LIMITER) есть компрессор с постоянной степенью сжатия равной «оо:1».

Сжатие с понижением громкости  сигналов превосходящих пороговое  значение условно называется «сжатием сверху», для получения ощущения прироста громкости необходимо в  цепи перед компрессором применить  предварительное усиление (Gain compensate) т.е. подать на вход динамического регулятора, «горячий», усиленный сигнал, в сочетании с оптимальным порогом срабатывания и степени компрессии. Такое сжатие будет называться «сжатием снизу».(рис. 2)

Сочетание динамического  ограничителя(LIMITER) с предварительным усилением образуют устройство называемое «Максимайзер»(MAXIMIZER), которое позволяет существенно увеличить ощущение громкости, при этом пиковые значения сигнала не будут выходить за допустимые пределы.

 рис.2

Временные характеристики компрессоров определяются 3 свободно регулируемыми параметрами:

1. временам срабатывания(Attack time) (рис.3)
2. временем удержания(Hold time)
3. временем восстановления(Release time) (рис.3)

Время срабатывания(Attack) – определяет скорость срабатывания динамического преобразователя, обычно находится в пределах от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Этот параметр в большом количестве случаем устанавливается на минимальное значение, т.е. безынерционное срабатывание. Но два обстоятельства диктуют иное решение. Во-первых, безынерционность компрессоров на стадии срабатывания неприятна для слуха, адаптированного к устойчивому среднему уровню громкости, когда незаметные и незначительные короткие пики сигнала станут приводить в регулярному скачкообразному изменению громкости; в таких случаях время срабатывания следует увеличить. Во-вторых, при необходимости с помощью прибора можно акцентировать атаку некоторых звуков; время атаки компрессора должно быть немного больше времени нарастания сигнала.

Время восстановления(Release) – определяет скорость восстановления коэффициента передачи сигнала после снижения его значения ниже порогового. Его следует ставить не меньше времени адаптации слуха к росту громкости, иначе при слишком быстром увеличении коэффициента передачи среднее значение сигнала может возрасти неадекватно слуховым привычкам.(рис.3)

рис.3

                                                                                                               рис. 4

Ещё один регулируемый параметр прибора динамической обработки  – это время удержания(hold time), реализована она далеко не во всех моделях компрессоров. Этот параметр позволяет настроить время в течении которого устройство не реагирует на слишком частые перепады уровня, во имя сохранения исходных динамических соотношений внутри такого звукового эпизода.

На первом графике рис.4 линия убывания сигнала является идеализированной. Реальное акустическое затухание, будь то колебание струны или реверберационный отклик будет происходить с возникновением, так называемых, флуктуаций. Флуктуация – это двусторонне отклонение физического процесса от его планомерного протекания. В безынерционных устройствах это явление способно вызвать вблизи точки срабатывания многочисленное переключение состояний, и возникнет спонтанная модуляция громкости, её скачкообразные изменения. Для защиты от флуктуация устройства иногда делают 2 пороговыми, когда точка релаксации расположена ниже точки срабатывания, для того, чтоб устройство точно распознало снижение уровня и не реагировало на случайные пики. Применительно к лимитерам имеющим один порог срабатывания близкий к 0 дБ и устройство не работает в областях возможных флуктуаций, временные параметры могут быть минимизированы и прибор станет т.н. «пикоскезателем» быстро реагирующим на кратковременные превышения уровня.

Если отвлечься от конструктивных особенностей, то по характеру реакции  на входной сигнал все компрессоры  можно разделить на две большие  группы - с ручным управлением параметрами  компрессии, и “автоматизированные”, с той или иной степенью автоматического  управления этими параметрами.

В “ручных” - все динамические параметры задаются пользователем. Это обеспечивает очень большую  свободу в их выборе, для получения  тех или иных необходимых вам  художественных результатов. Ведь не секрет, что компрессором можно изменить исходное звучание как угодно, хоть до “полной неузнаваемости”. Вот  “ручной” компрессор - как раз и  служит именно для этого, для специального и преднамеренного изменения  характера исходного звучания в  нужную вам сторону. В зарубежной литературе этот тип компрессоров часто  носит название CREATIVE - “творческий”, “созидательный”. Но таким компрессором при отсутствии опыта работы и четкого представления о желаемом результате, сигнал можно сильно испортить. В противоположность этому, в автоматизированных компрессорах - динамические параметры раз и навсегда установлены изготовителем, и их изменение пользователем невозможно. Хотя некоторые серьёзные производители, выпускающие действительно добротную продукцию, в ряде моделей предлагают пользователю на выбор несколько алгоритмов автоматизации, для различных вариантов обработки.

Как правило, большинство  автоматизированных компрессоров не изменяют динамические параметры звука сколько-нибудь существенным образом, а только “выравнивают”  исходное звучание, делают его более  плотным и насыщенным. Такие устройства можно разделить на 2 вида: “RMS” и “Не-RMS”.

“Не-RMS” - это компрессоры, имеющие обычный (иногда называемый “пиковым”) детектор, и один или  несколько наборов заводских  предустановок(пресетов), различных сочетаний времён срабатывания ATTACK и восстановления RELEASE. Как правило, в случае только одного возможного варианта предустановок - такой компрессор предназначен для обработки какого-то одного типа сигналов, и только для него работа такого компрессора будет действительно хорошей.

RMS-компрессоры. Английская аббревиатура слов «Root Mean Square» – в русскоязычной терминологии это «среднеквадратичное значение» или «эффективное значение». Соответственно этот тип компрессоров реагирует на эффективное значение уровня сигнала, т.е. на его непосредственную мощность, а не на его мгновенные значения, как обычный компрессор. В таких компрессорах длительный небольшой амплитуды имеет большую "важность" для целей управления усилением компрессора, нежели короткий импульс большой амплитуды. Применяемые для цепей управления специальные схемы обладают очень малой погрешностью детектирования сигналов с большим пик-фактором, и, как правило, имеют специальные цепи адаптации динамических параметров детектора к входному сигналу, с учётом его восприятия слухом. Иначе говоря, временные параметры в настоящем RMS-компрессоре не являются чем-то раз и навсегда заданным, а сложным образом изменяются в зависимости от частоты и уровня входного сигнала, его спектра. Это обеспечивает отсутствие "механистичности" в работе компрессора и очень малую заметность вмешательства компрессора в обрабатываемый сигнал. Вместе взятые, эти меры обеспечивают очень высокую "музыкальность" работы RMS-компрессора, который при правильном применении практически не изменяет динамику исходного музыкального сигнала, а только его как бы "подравнивает", уплотняет: звучание становится более ровным и мощным, без ненужных "шероховатостей".

Частотная характеристика устройств динамической обработки в большинстве случаев линейна, но некоторые устройства обладают функциональной избирательностью к той или иной зоне спектра сигнала. К таким устройствам относятся т.н. де-эссер и де-поппер. Это варианты полосового компрессора обрабатывающие определённый участок спектра сигнала, не затрагивая всего остального. Де-эссер – прибор для обработки речи\вокала, работающий в верхней части спектра и убирает «цыканье» и излишнее шипение. Де-поппер – прибор для обработки речи\вокала, работающий в нижней части спектра убирающий бубнение и «пыханье». Принцип действия в них практически идентичен, а основной особенностью является тот факт, что порог срабатывания у этих устройств не фиксированный, плавающий и зависит от разности уровней обрабатываемой полосы и всего остального частотного спектра сигнала. Таким образом, работа обработки не зависит от абсолютных значений сигнала, и начинается, только если сигнал в обрабатываемой полосе превышает допустимое соотношение со всем остальным спектром.

Любой компрессор (как, впрочем, и любое устройство динамической обработки вообще) содержит, как  минимум, две больших составных  части - звуковой тракт и цепь управления (рис.5). Последняя в англоязычной литературе носит название “side chain”.

рис. 5

При включении в эти  гнёзда дополнительного эквалайзера, компрессор видит дополнительно  скорректированный сигнал и таким образом обработка становится частотно зависимой (на подобии де-ессера, с той разницей, что такая обработка будет осуществляться по всему спектру сигнала, а не по отдельной полосе как в де-ессере).

Сервисная характеристика приборов для динамической обработки говорит  о следующих дополнительных возможностях:

1). Регулировка характера  перегиба амплитудной характеристики  в точке срабатывания. Порог срабатывания  из точки может быть превращён  в некую небольшую область  возрастания входного сигнала(soft threshold или мягкий порог), на протяжении которого коэффициент передачи компрессора снизится плавно, что уменьшает заметность работы компрессора.(рис. 6)

рис. 6

2). Регулировка входной  чувствительности и выходного  уровня сигнала, для гибкого  согласования с любым электроакустическим  трактом. Также реализовывает  возможность компрессии и ограничения  с предварительным усилением.

3). Режим работы – «Link», позволяющий объединять цепи управления коэффициентом передачи при обработке 2 и более сигналов. Необходим для соблюдения установленного громкостного баланса. Функция «Link» изменяет коэффициенты всех связный приборов в не зависимости от того какой сигнал достиг порогового значения.

Включение компрессоров и ограничителей должно производиться разъём Insert, т.к. необходимо получить единый сигнал с оптимальными динамическими характеристиками.

Экспандеры и Гейты.

Экспандер - это «компрессор наоборот». Название - происходит от английского глагола «to expand» - расширять, растягивать. У него, как ранее уже отмечалось, коэффициент передачи пропорционален уровню входного сигнала, т.е. чем громче входной сигнал - тем громче выходной. Существуют две основных разновидности экспандера – «экспандер вверх» (Upward Expander) и «экспандер вниз» (Downward Expander).

Отличаются они по характеру  реагирования на входной сигнал. «Экспандер вверх» - обрабатывает только сигналы, лежащие выше порога его срабатывания, делая громкие - более громкими. Тихие же сигналы, ниже порога срабатывания, он не трогает. В реальной практике почти не встречается, единственное исключение - гитарный бустер.

«Экспандер вниз» - наоборот, не трогает сигналы выше порога срабатывания, а только делает тише сигналы, лежащие ниже этого порога. В принципе, по характеру своего действия на сигнал - это устройство схоже с гейтом, и, как правило, применяется для аналогичных целей, для понижения слабых - но мешающих – сигналов (Noise reduction).

Гейт - один из самых распространённых приборов динамической обработки. Его название происходит от английского слова “Gate” - клапан, ворота. Основное, назначение гейта - отсечка сигналов малого уровня, для которых он и является своеобразным клапаном, не пропуская их на выход, т.е. шумоподавление(Noise gate). Отчасти гейт похож на экспандер, но - только отчасти. Т.е. если в “экспандере вниз” установить RATIO=1:бесконечность, то он будет функционировать как гейт. Но не наоборот! Ведь экспандер - при всех положениях RATIO, кроме вышеприведённого - как бы “следит” за сигналом, т.е. он не имеет устойчивого состояния, его коэффициент передачи всё время изменяется. (Больше сигнал - больше усиление, меньше сигнал - меньше усиление.) Гейт же имеет только два устойчивых состояния, открытое и закрытое. А в моменты ATTACK и RELEASE - он просто переходит из одного состояния в другое.

                                                                                                           рис. 7

На рисунке 7 приведены  характеристики устройств шумопонижения  и шумоподавления. Из них видно, что  пока уровень входного сигнала превышает  пороговое значение - коэффициент  передачи равен 1, т.е. сигнал идет без  изменений, но как только уровень  входного сигнала опускается ниже порога, то коэффициент передачи снизится, причем в устройствах первого  типа до установленного значения, определяемой степенью шумопонижения, а в устройстве второго – до нуля. Порог срабатывания также произвольно регулируется.

Временные, частотные и  сервисные характеристики у экспандеров  аналогичны таковым характеристикам  у компрессоров и ограничителей.

Обязательной составной  частью любого хорошего гейта являются перестраиваемые обрезные НЧ и ВЧ фильтры KEY FILTER, в самом крайнем случае - разрывные гнёзда SIDE CHAIN INSERT, как в компрессоре. (Иногда, в некоторых моделях, можно встретить и гнезда для подачи внешних запускающих сигналов - EXT.KEY.) Назначение этих фильтров и гнёзд - такое же, как и в компрессоре, для изменения характеристик канала управления. (И точно так же - они не влияют на тембр самого сигнала!)

Причём, если в SIDE CHAIN компрессора  ставится обычно эквалайзер, то в гейтах - ставятся именно обрезные фильтры, как правило - перестраиваемые, и при этом - отдельные для НЧ и для ВЧ.

Необходимость в них вызвана, главным образом, спецификой применения большинства гейтов - для записи ударных. Инструменты этой группы расположены весьма близко друг к другу, обладают высокой громкостью, и отделить их друг от друга – одна из задач гейта.

Например, два близко расположенных  микрофона снимают звучание, один - барабана, другой - тарелки. По громкости - их не различить, да и в разных местах песни она может существенно  различаться. Что остаётся? Правильно, спектр! Настраиваем фильтры в  каналах управления гейтов этих двух микрофонов таким образом, чтобы гейт барабана воспринимал только его основной тон, в области средних частот, а гейт тарелки - чтобы воспринимал только её ВЧ-составляющие. Проконтролировать точность настройки фильтров поможет имеющийся в обязательном порядке в таких (с фильтрами) моделях переключатель KEY LISTEN - “прослушивание управляющего сигнала”. Вот теперь, независимо от громкости звучания того или иного инструмента, его гейт будет управляться только его сигналом, а остальные для него - как бы “невидимы”.

В некоторых гейтах имеется режим со “странным” названием - DUCKER, или просто DUCK.

История появления этого  термина в точности не известна, а означает он всего-навсего инверсный  режим работы гейта, т.е. при превышении входным (или управляющим) сигналом порога срабатывания - гейт не открывается, а закрывается! Этот режим может применяться как спецэффект, но основное его предназначение в другом - для уменьшения уровня одного сигнала другим, который в данном случае играет роль управляющего.

Для этого управляющий  сигнал (например, голос) подаётся не на звуковой вход гейта, а на его управляющий вход EXT. KEY. На звуковой же вход - подаётся тот сигнал, уровнем которого вам надо управлять (например, фоновая музыка). При появлении на управляющем входе голоса - гейт срабатывает “наоборот”, и громкость фоновой музыки - уменьшается. Такое использование гейта часто встречается на радиостанциях, в системах “Public Address”, в телевидении и т.п.

Заключение.

Таким образом, с течением истории приборы динамической обработки  претерпели значительные изменения, как  по своим техническим характеристикам  и принципиальной конструкции, так  и по сфере применения. Компрессор, на данный момент из служебного прибора  превратился чуть ли не в основной инструмент звукорежиссёра от начальной  стадии создания тембра самых разных источников звука, до финальной мастеринговой обработки всего сведённого трека. Возможности современных приборов и плагинов обработки обладают широчайшим художественным потенциалом, и послужат добрую службу в решении огромного количества студийных задач. Но, разумеется, ключом к верному использованию таких гибких приборов является понимание физических принципов, лежащих в основе их работы, процессов отвечающих за возникновение звука в разного рода музыкальных инструментах и что не менее важно понимание поставленной художественной задачи, решения которой нужно добиться аппаратными или программными средствами.