Методы обработки звука

 

Устройства преобразования и обработки звука

Как отмечалось в этой главе, для преобразований звуковых аналоговых сигналов

в цифровые и наоборот служат специальные устройства — АЦП, или ADC (Analog

Digital Codec), и ЦАП, или DAC (Digital Analog Codec), а совмещенный преобразо-

ватель называют кодеком (Codec; Coder-Decoder).

Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче ре-

зультата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый

сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого

импульса.

ЦАП являются устройствами прямого действия, в которых преобразование вы-

полняется проще и быстрее, чем в последовательных и более медленных устройствах

АЦП. ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе им-

 

 

 

32

 

 

пульсы напряжения или тока нужной величины, которые расположенный за ним инте-

гратор (аналоговый фильтр) превращает в непрерывный аналоговый сигнал.

Звуковые сигналы обрабатываются посредством математических операций, приме-

няемых к отдельным отсчетам сигнала, либо к группам отсчетов различной длины.

Существует два способа обработки звуковых сигналов:

1) Линейная обработка сигналов применяется в реальном времени к сигналам

с переменными параметрами. Линейная обработка выдвигает повышенные

требования к ресурсам вычислительной системы. В ряде случаев можно

применить упрощенную обработку с пониженным качеством.

2) Нелинейная обработка сигналов применяется по отношению к предвари-

тельно записанным сигналам. Нелинейная обработка во времени не ограни-

чена, поэтому для нее могут быть использованы вычислительные средства

любой мощности, а время обработки, особенно с высоким качеством, может

достигать нескольких минут и даже часов.

Для обработки звуковых сигналов применяются устройства двух типов — уни-

версальные процессоры общего назначения и специализированные цифровые сиг-

нальные процессоры — DSP (Digital Signal Processor).

Универсальные процессоры ориентированы на широкий класс разнотипных задач

— научных, экономических, логических, игровых и т.п. Они содержат большой набор

команд общего назначения, в котором преобладают обычные математические и логи-

ческие операции.

Процессоры DSP специально ориентированы на обработку сигналов и содержат на-

боры специфических операций — сложение с ограничением, перемножение векторов,

вычисление математического ряда и т.п.

Реализация даже несложной обработки звука на универсальном процессоре требует

значительного быстродействия и далеко не всегда возможна в реальном времени. В

то время как даже простые DSP нередко справляются в реальном времени с от-

носительно сложной обработкой, а мощные DSP способны выполнять качественную

спектральную обработку сразу нескольких сигналов.

В силу своей специализации DSP редко применяются самостоятельно. Устройство

обработки содержит универсальный процессор средней мощности для управления

всем устройством, осуществления приема-передачи информации и взаимодействия с

пользователем, а также один или несколько DSP-процессоров, предназначенных для

непосредственной обработки звукового сигнала.

 

Способы преобразования звука

Программы звукового редактирования обладают различным инструментарием и

элементами управления, а также имеют различные пользовательские интерфейсы,

быстродействие и обеспечиваемый уровень удобства работы. Вместе с тем все они ба-

зируются на рассмотренных ниже одинаковых методах звуковой обработки.

 

Монтаж или редактирование

Состоит в вырезании из записи аудиограммы одних фрагментов, вставке других

фрагментов» их замене, размножении и т.п.

 

 

33

 

 

 

Амплитудные преобразования

Выполняются с привлечением различных инструментальных средств над ампли-

тудой аудиосигнала. Амплитудные преобразования сводятся к умножению значений

сэмплов на постоянный коэффициент усиления или ослабления либо изменяющуюся

во времени функцию амплитудной модуляции.

Амплитудные преобразования выполняются последовательно с отдельными сэмп-

лами, поэтому они просты в реализации.

 

Частотные (спектральные) преобразования

Этот метод обработки предназначен для работы с частотными составляющими

звуковых сигналов. Для преобразований этого типа звуковой сигнал представляется в

виде спектра входящих в него частот (частотный спектр), или спектрального раз-

ложения.

Частотные составляющие спектра— это синусоидальные колебания (так назы-

ваемые чистые тона), каждое из которых имеет свою амплитуду (интенсивность) и час-

тоту.

График спектра позволяет облегчить частотные преобразования, которые стано-

вятся похожими на амплитудные преобразования над спектром.

Например, фильтрация— усиление или ослабление определенных полос частот —

сводится к наложению на спектр соответствующей амплитудной огибающей. Вместе с

тем частотную модуляцию на графике спектра сигнала представить нельзя, поскольку

она выглядит, как смещение всего спектра или его отдельных участков во времени по

определенному закону.

Для реализации частотных преобразований применяется разложение в ряд Фурье.

Поскольку этот тип преобразования требует значительных ресурсов системы, на прак-

тике может быть применен алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) (Quick

Fourier Filter — FFT).

При частотных преобразованиях требуется обработка и последующая свертка

сигнала, поэтому фильтрация в реальном времени реализуется на процессорах DSP,

которые выполняют эти операции в реальном времени и по нескольким каналам.

 

Фазовые преобразования

Обработка этого типа сводится к постоянному сдвигу фазы сигнала или ее мо-

дуляции некоторой функцией либо другим сигналом. Фазовые преобразования сте-

реозвука позволяют получить несколько эффектов, например вращающийся звук и

хор. Они применяются также в тех случаях, когда фаза сигнала используется для оп-

ределения направления на источник звука.

 

Временные преобразования

Эти преобразования состоят в добавлении к основному сигналу его копий, сдви-

нутых во времени на различные величины. При небольших сдвигах (менее 20 мс)

такой сдвиг создает эффект размножения источника звука (эффект хора), при боль-

ших - эффект эха.

 

 

 

34

 

 

Формантные преобразования

Преобразования этого типа являются частным случаем частотных и оперируют

формантами.

 

Форманты представляют собой спектральные области, в которых незави-

симо от высоты основного тона увеличивается амплитуда спек-

тральных составляющих. Они возникают за счет естественных резонато-

ров (например, вибрации деки виолончели или корпуса скрипки) и во мно-

гом определяют восприятие и узнаваемость тембра того или иного ис-

точника звука.

 

Форманты ассоциируют также с характерными полосами частот, встречающимися в

звуках, произносимых человеком. Каждому звуковому сигналу соответствует свое

соотношение амплитуд и частот нескольких формант, которое определяет тембр и

разборчивость голоса. Изменяя параметры формант, можно подчеркивать или зату-

шевывать отдельные звуки, менять одну гласную на другую, сдвигать регистр голоса

и т.п.

 

Компрессия

В ходе компрессии выполняется сжатие динамического диапазона сигнала, в ре-

зультате чего слабые звуки усиливаются сильнее, а сильные — слабее. На слух эта-

операция воспринимается как уменьшение разницы между тихим и громким звучанием

исходного сигнала. Компрессия используется для последующей обработки методами,

чувствительными к изменению амплитуды сигнала.

Ниже рассмотрены эффекты, создаваемые только что перечисленными методами.

 

Эффекты на основе временной цифровой задержки

 

Формирование временной цифровой задержки

Обработка звуковых сигналов, построенная на основе временной задержки, а

также эффекты, сгенерированные посредством этого метода, представлены в Adobe

Audition 3.0 алгоритмами, входящими в несколько групп — Delay and Echo, Modula-

tion, Reverb, Special.

 

Временная цифровая задержка

Один из самых простых звуковых эффектов называется задержкой (Delay). По-

скольку обычно он бывает реализован в цифровых приборах, его часто называют циф-

ровой задержкой (Digital Delay). Принцип действия состоит в следующем.

Сигнал в неизменном виде поступает на выход, но с небольшой временной за-

держкой и обычно с чуть более низким уровнем. Будучи смешанным с прямым сиг-

налом, он дает интересные эффекты.

Например, при малом времени задержки (10 мс) и большом выходном уровне (-3 дБ и

выше) получается эффект драблекс (Drableks), который применяется чаще всего при об-

работке вокала для "раздвоения" голоса.

 

 

 

35

 

 

Если же, напротив, время задержки велико (500 мс), а выходной уровень меньше       -

6 дБ, то получается эффект эхо (Echo).

Еще более интересные эффекты можно получить, используя принцип обратной

связи. В этом случае выходной сигнал задержки подается обратно на вход с небольшим

уменьшением уровня. При этом основной звук будет многократно повторяться, посте-

пенно затухая. В данном случае время полного затухания сигнала будет зависеть от

уровня сигнала обратной связи. Такой эффект неплохо звучит, например, на

протяжных вокальных линиях, особенно если вокальная партия исполняется без

слов.

Иногда параллельно применяется несколько эффектов цифровой задержки (с раз-

ным временем задержки). В результате получается эффект мультизадержка или

мулътиэхо.

Рассмотрим наиболее интересные комбинации эффектов, связанных с цифровой

задержкой.

Если выходной сигнал, помимо звукового выхода, одновременно подается на

вход сигнала задержки с небольшим уменьшением уровня, создавая канал обратной

связи, то на выходе основной звук многократно повторяется, постепенно затухая.

Время полного затухания сигнала зависит от уровня обратной связи.

 

Реверберация (Reverberation)

Этот эффект основывается на принципе мультизадержки и получается путем до-

бавления к исходному сигналу затухающей серии его сдвинутых во времени копий.

Это имитирует затухание звука в помещении, когда за счет многократных отражений

от стен, потолка и прочих поверхностей звук приобретает полноту и гулкость, а по-

сле прекращения звучания источника затухает не сразу, а постепенно. При этом время

между последовательными отзвуками (примерно до 50 мс) ассоциируется с величи-

ной помещения, а их интенсивность — с его гулкостью.

На принципе мультизадержки с модуляцией основаны такие эффекты, как хор,

флэнжер и фэйзер. В Adobe Audition 3.0 они входят в группу эффектов Modulation.

 

Хор (Chorus)

Этот эффект имитирует звучание хора. В этом эффекте используется мультиза-

держка на очень короткий временной интервал, совмещенная с неглубокой модуля-

цией задержанного сигнала но частоте. Каждый задержанный сигнал при этом звучит

практически одновременно с прямым, но на несколько отличающейся высоте.

 

Флэнжер (Flanger)

Название этого эффекта (в переводе с английского — кайма или гребень) проис-

ходит от способа его реализации в аналоговых устройствах с помощью так называе-

мых гребенчатых фильтров. Для получения эффекта флэнжера прямой сигнал скла-

дывается с задержанным во времени на небольшие величины (до 20 мс) сигналом с

 

возможной частотной модуляцией копий или величин их временных сдвигов и об-

ратной связью (суммарный сигнал снова копируется, сдвигается, ослабляется и вновь

направляется на вход основного сигнала т.п.).

 

36

 

 

На слух флэнжер ощущается как "дробление" звука, возникновение особых бие-

ний - разностных частот, характерных для игры в унисон или хорового пения.

 

Фэйзер (Phaser)

Этот эффект на слух похож на флэнжер. Он получается смешиванием исходного

сигнала с его копиями, сдвинутыми по фазе. По сути дела это частный случай флэн-

жера, но с более простой аналоговой реализацией. Способ его формирования отли-

чается лишь тем, что вместо задержки всего сигнала используют фазовый сдвиг на не-

которых его частотах. Цифровая реализация эффектов одинакова. Обработанный сиг-

нал также модулируется по высоте и складывается с прямым. Изменение фазовых

сдвигов суммируемых сигналов приводит к подавлению отдельных гармоник или

частотных областей, как в многополосном фильтре. На слух такой эффект напоминает

неравномерное качание магнитофонной головки.

Эффекты модуляции и фильтрации

 

Эффекты модуляции

Эффекты, связанные с модуляцией, — частные случаи амплитудных преобразо-

ваний.

Модуляция (Modulation) как характеристика волнового процесса имеет "радио-

технический" смысл, а не музыкальный. Процесс модуляции связан с воздействием

на какой-либо параметр звукового периодического или непериодического сигнала. В

качестве параметра, на который воздействует модулирующий сигнал, служит ам-

плитуда, время, частота или фаза исходного сигнала.

Вспомним, что в музыке модуляция — это смена тональности.

 

Вибрато

Этот эффект получается, если при амплитудной модуляции исходный звуковой

сигнал подвергается воздействию периодического синусоидального сигнала невысо-

кой частоты.

 

Если генератор низкочастотных колебаний (LFO — Low Frequency

Oscillator) генерирует синусоидальный периодический сигнал частотой 6 Гц,

то, подключив к его выходу амплитудный вход усилителя, можно создать

эффект амплитудное вибрато. Громкость выходного сигнала будет изме-

няться с частотой 6 раз в секунду.

Аналогично, если выход LFO соединить со входом основного частотного гене-

ратора, то частота выходного сигнала будет попеременно увеличиваться и

уменьшаться, т.е. мы получим обычное вибрато (Vibrato).

 

Обычное и частотное вибрато

Этот эффект связан с амплитудной или частотной модуляцией сигнала с низкой

частотой (до 10 Гц). Принцип амплитудного вибрато используется для получения

эффекта тремоло (Tremolo). На слух тремоло воспринимается, как замирание или

дрожание звука.

 

 

 

37