Запись звука и его компьютерная обработка

 

 

 

Глава 2. Компьютерная обработка звука

Обработка звука - это преобразование его характеристик. Основная классификация характеристик звука содержит 3 группы. Это:

• Амплитуда, громкость, динамический диапазон
• Частота, частотный диапазон
• Фаза

При этом в цифровом представлении  звук также обладает следующими характеристиками: частота дискретизации, битрейд. Также  следует учитывать то что мы с  рождения привыкаем к тому что  звук имеет свойство отражаться от поверхностей, создавая характерные эффекты: эхо, реверберация. Эти эффекты широко применяются в музыке. Также в качестве отдельной характеристики можно рассматривать положение звука по панораме. Следовательно, логично разделить все виды обработки звука на несколько категорий:

• Амплитудные преобразования.
• Частотные преобразования.
• Временные преобразования.
• Другие преобразования (смешанные, фазовые, панорамы, частоты дискретизации, битрейда и.т.д.)

2.1. Обработка звука.  Динамика

В дискретном виде звук отображается с помощью кривых, которые в  свою очередь несут информацию о  громкости звука (амплитуде колебаний  кривой) и частоте звука (период колебания  волны). Под динамической обработкой звука понимается как простое  увеличение громкости композиции, так и сужение и расширение динамического диапазона, при котором определённые звуки понижают свою громкость а определённые наоборот становятся более громкими.

 

2.1. 1. Нормирование

рис. 2 Окно нормирования

 

Цифровой звук представляется конечно же в дискретном виде. Это  значит то что информация о звуке  передаётся с помощью цифр, которые  в свою очередь находятся в  некотором ограниченном диапазоне. Нормирование - это простое выравнивание громкости звука. Выделяется определённую часть композиции (или всю), после чего задаётся процент нормирования. Так, если значение 100% - то самое большое значение "уровня громкости звука" примет самое большое доступное цифровое значение=100%. На сколько будет громким звук при воспроизведении зависит от уровня громкости (микшера, проигрывателя), однако чем ниже процент нормирования - тем тише будет звук при одном и том же  значении уровня громкости звука ( в микшере, проигрывателе).

 

2. 1.2. Вступление / отступление

рис. 3. Эффекты  вступления/отступления

Если при нормировании все значения всех отсчётов умножаются на определённое число, то при создании эффектов вступления (Fade in) и отступления (Fade out) значение множетеля постепенно и линейно изменяется. При одновременном выделении правого и левого каналов эти эффекты создают ощущение постепенного увеличения/уменьшения громкости звука. При Выделении одного из каналов создаётся впечатление постепенного приближения/отдаления звука в один из каналов (на изображении мы имеем постепенное вступление и последующий уход звука в левый канал за счёт постепенного уменьшения уровня звука в правом канале).

 

2. 1.3. Огибающие

 

рис. 4. Огибающие

 

Огибающие позволяют  добиться более динамичного управления уровнем звука. По сути создаётся  определённая функция, значения которой могут изменяться не линейно, и её значения перемножаются с значением отсчётов.

 

2.1.4. Компрессия

 

Компрессия -  сужение динамического диапазона, уровень звука наиболее громких звуков искуственно понижается, после чего уровень звука всех звуков повышается. Благодаря этому типу обработки звука уменьшается разница между наиболее громкими и наиболее тихими звуками, благодаря чему в большинстве случаев увеличивается разборчивость. Однако следует заметить то что сужение динамического диапазона не всегда полезно, так как исчезает динамика композиции, музыка начинает монотонно звучать на одном уровне, теряет свою живость.

рис. 5 Окно обработки  компрессии

Как только уровень звука превышает определённый порог, - звук начинает обрабатываться, т.е. компрессор начинает своё действие. Это действие заключается в искусственном уменьшении уровня звука. При этом компрессор имеет следующие параметры (кроме значения порога): атака (как быстро звук начнёт подавляться компрессором), уровень компрессии (на сколько сильно будет уменьшен уровень звука), отступление (в течение какого промежутка времени звук перестаёт подавляться). Ниже приведен пример обработки компрессором равномерного сигнала. При этом значение порога равно уровню постоянного сигнала, т.е. компрессор, будет работать всегда. Однако видно то, что звук подавляется не равномерно, а постепенно, в течение определённого промежутка времени, сразу после превышения уровня звука. На практике компрессор применяется для обработки сложных сигналов (музыки, отдельных партий), которые конечно же имеют пики (см.верхнее изображение). На их подавление и настраивается компрессор.

рис. 6 Настройка  компрессора

 

рис. 7. Лимиттинг

Лимиттинг - это компрессор с более агрессивным типом сужения динамического диапазона. Сам способ обработки звука не отличается от компрессии. Меньшее значение времени атаки (звуки не плавно подавляются а просто срезаются), большее значение увеличения громкости всех звуков.

 

рис. 8. Экспандинг

Если компрессор подавляет  звук после того как его уровень  превышает определённое значение, - то экспандер подавляет звук после  того как его уровень станет меньше определённого значения. Во всём остальном экспандер схож с компрессором (параметры обработки звука).

 

рис. 9. Дисторшн

При компрессии а особенно при лимиттинге сужается динамический диапазон, теряется динамика.  Волны всё больше принимают не синусоидные а квадратные формы за счёт искусственного ограничения уровня звука. Это хорошо видно на изображении. Однако, квадратная форма волны обладает самым большим количеством гармоник (синусоидная - самым меленьким). Чем больше гармоник - тем более богат тембр и более окрашено звучание. Дисторшн - это искусственное  грубое сужение динамического диапазона с целью обогащения звука гармониками.

2.2. Обработка звука - временные задержки

 Источник звука создаёт звуковые волны, которые равномерно распространятся в звуковой среде во все стороны, постепенно поглощаясь пространством. При этом звуковые волны отражаются от поверхностей, благодаря чему слышно эхо открытых пространств и реверберацию длинных пустых коридоров, и не только... Обработка звука это также моделирование процессов, происходящих с волнами в реальном, акустическом мире.

 

2.2.1. Эхо

рис. 11. Эхо

Эхо - звуковое зеркало голоса. При моделировании эха используются достаточно сложные алгоритмы обработки звука (звуковые волны распространяются по разному в зависимости от частоты звука и не только, отражаются по разному в зависимости от поверхностей и форм).

 

2.2.2. Дилей

 

Если при эхо учитываются  законы распространения звуковых волн в пространстве, то дилей - это простое  повторение звука с опеделённой  периодичностью и степенью затухания.

 

рис. 12. Дилей

 

 

2.2.3. Реверберация

 

Реверберация - это тоже отражение звука. Отличие реверберации от эха не её нахождение в помещениях. Разница во времени отражении. Если время отражения превышает определённое значение (если не ошибаюсь - 0.3 сек), то это отражение воспринимается нашим мозгом как отдельный звук - эхо. Если время отражения меньше - то отражения звука воспринимаются как характерный призвук, реверберация.

рис. 13. Реверберация

Грубо говоря, при обработке звука ревербератором - с небольшим периодом добавляются копии этого звука, постепенно затухающие. На практике, если ревербератор хороший (импульсный) - всё гораздо сложнее. Также учитываются сложные процессы, происходящие при распространении/отражениях звуковой волны в пространстве.

 

2.2.4. Реверсивная реверберация

 

Интересный  эффект, который достигается обработкой звука ревербератором и обращением по времени результата. Создаётся впечатление постепенного нарастания/приблежения звука до того как он начнёт звучать.

 

 

рис. 14. Реверсивная реверберация

К эффектам задержки звука также можно отнести  и хорус/флангер, так как они  тоже добавляют копии с определённой задержкой, но сдвижка по времени  слишком мала.

 

2.3. Обработка звука - частотные преобразования

 

Если стандартно при открытии любого звукового редактора и последующего открытия звукового файла отображаются кривые, которые несут информацию скорее о громкости отдельных частей файла/динамике всего аудио файла, то открыв спектрограмму – можно увидеть частоты, которые присутствуют в нашем аудио файле.

 

рис. 15.Спектрограмма

 

Работа со спектрограммой особенно удобна при очищении записей  от шумов. В данном ряде примеров действия обработчиков звука показаны в изображениях с использованием примеров подавления белого шума (распределённого по всему частотному диапазону). Однако в пимерах, для большей слушабельности, даны музыкальные фрагменты.

Рис. 16. FFT - быстрое преобразование Фурье

 

Самый быстрый  и самый резкий/эффективный способ подавления определённых частот. Если при использовании эквалайзера полностью подавить определённую частоту, то она всё равно останется, хоть амплитуда волн с её периодом и будет значительно подавлена. Быстрое преобразование Фурье позволяет быстро и полностью избавиться от определённых частотных диапазонов, что очень удобно.

 

рис. 17. Окно параметрического эквалайзера

 

Параметрический эквалайзер - подавляет определённые частоты, с определённой степенью, с определённым радиусом (областью подавления частот вокруг заданной). На изображении эти параметры выделены зелёной и жёлтой областями.

 

рис. 18. Окно графическогоэквалайзера

 

В отличие от параметрического эквалайзера, графический  эквалайзер позволяет задать характер подавления определённых частот с помощью графика. Современные графические эквалайзеры позволяют нарисовать этот график с помощью мыши. Этот тип эквалайзера лучше подходит для изменения звучания определённого инструмента, так как позволяет изменять значения подавления всего частотного диапазона в разной степени.

 

Рис. 19. Окно обработки питча/задание  времени воспроизведения файла.

 

Возможно задание более быстрого/медленного воспроизведения аудио файла, в результате чего тембры станут более высокими/низкими. По аналогии с эффектами нормализации/огибающих, также можно сказать то, что идёт изменение путём умножения кривой на определённый множитель (функцию). Однако так как изменяется на громкость, а частоты - то и изменяются периоды волн а не значения отсчётов (ось х (время) а не у (амплитуда)).

Деэссер применяется для удаления из вокала свистящих (обилие которых вызвано неправильной записью вокала или самим вокалистом). Тюннинг вокала применяется для искусственного подстраивания вокала под ноты/сильные доли. Т.е. достижения чувства ритма и умение попадать в ноты, чем могут похвастаться далеко не все. (простите, аудио-примеров нет, melodyne  не установлен)

 

2.4. Обработка звука - другие преобразования

 

Существуют  другие виды обработки звука, которые не попадают под классификацию, так как в своём большинстве используют как преобразование частот и амплитуды, так и фазы, добавление копий и.т.д.

 

Фазер / инверсия

 

Фазер производит сдвиг волны по фазе. Он производит задержку звука от 0.0001 мс до 20мс, в  результате чего достигается интересный эффект (а-ля вращение колонок). Нужно  учитывать то, что фазер может  сдвигать фазу, в результате чего например могут возникнуть проблемы совместимости стерео и моно версий трека. Инверсия фазы используется при вырезании определённых инструментов из чей-то записи.

 

Хорус

 

Хорус используется для добавления копий звука/сигнала, с незначительными временными задержками, сдвигами по частоте и панораме. В результате чего возникает чувство "размножения" оригинального источника звука. Хорус часто используется при обработке вокала. После обработки хорусом его тембр звучит более богато и плотно.

Флангер

 

Флангер - это  практически тоже самое что и хорус (происходит небольшая задержка сигнала), только с обратной связью (feedback), т. е. задержка еще раз посылается в себя. Следовательно флангер с выключенным фидбэком становится хорусом.

 

Вокодер

 

Вокодер в первую очередь предназначен для работы с вокалом. Вокодер работает с двумя источниками: 
1) Голос, который нужно обработать. 
2) Источник синтезирующего звука - синтезатор, гитара, другой голос.

Далее происходит смешивание этих двух сигналов: Анализируются  форманты вокала (резонансные частоты голосового тракта) и передаются ко второму сигналу, который и придаёт голосу новый окрас тембра.