О цифровых эффектах. Цифровые эффекты

Большинство компрессоров и гейтов устроены на основе аналоговых цепей. Большая часть всех эффектов, которые применяют изменение времени в любой форме, основаны на цифровой электронике: дилэи, ревербераторы, pitch shifters (устройства сдвига высоты сигнала), процессоры мультиэффектов и т.д. Прежде чем рассматривать работу какого-либо конкретного процессора, надо иметь представление о том, как вообще работает цифровая система (это поможет понять многое из того, что написано в технической документации подобных устройств).

На вход цифрового процессора поступает аналоговый сигнал (например, музыка). Сперва этот сигнал должен быть преобразован в цифровой вид.

Аналоговый сигнал — это изменение напряжения пропорционально изменениям состояние источника сигнала и изменениям окружающей среды. В случае со звуком аналоговый сигнал — это изменение напряжения, пропорциональное изменению звукового давления. Например, вибрации струны вызывают быстрые частые изменения звукового давления, и на выходе микрофона появляется переменное напряжение.

Цифровая система работает с двоичными числами — единицами и нулями; в цепи это — присутствие или отсутствие номинального постоянного напряжения. Преобразование аналогового сигнала в цифровой — это измерение напряжения аналогового сигнала через равные промежутки и получение двоичного кода.

Каждая секунда звучания сигнала может быть выражена в виде нескольких десятков тысяч чисел, каждый из которых соответствует конкретному моменту времени. Как кинолента: каждый следующий кадр немного отличается от предыдущего. Когда лента быстро проходит через проектор, возникает впечатление о движении. То же самое со звуком: если имеется достаточное количество моментальных измерений в секунду, то можно восстановить оригинальный звук.

Теория семплирования (дискретизации)

Процесс измерения и перевода в цифровой вид отдельных частей входного сигнала называется семплированием (сэмплированием). Производится множество срезов сигнала; высота этих срезов измеряется. Срезы (семплы) имеют ровную вершину, то есть они не точно соответствуют форме волны. Отсюда следует, что чем тоньше срезы, тем более точно (или менее искаженно) они описывают сигнал.

Теория сэмплирования слишком сложна, чтобы рассматривать ее здесь. Но основные понятия таковы: для правильного воссоздания сигнала на выходе, частота семплирования должна быть по крайней мере в два раза больше частоты высшей гармоники данного сигнала. Однако на практике частота дискретизации превышает высшую гармоника в два с половиной — три раза. Таким образом, чтобы сэмплировать сигнал, содержащий гармоники до 10 кГц, частота дискретизации должна быть 30 кГц.

Чтобы создать временную задержку в 1 секунду, потребуется память, в которую записываются эти 30 000 семплов. Они записываются в RAM (память с произвольным доступом). Память 30 килобайт содержит 1 секунду звучания инструмента с частотой верхней гармоники 10 кГц. Путем постоянного обновления содержимого памяти и вывода его вовне (считывания) можно создать задержку длительностью 1 с.

Если это надо сделать для сигнала с верхним пределом 20 кГц, то потребуется объем памяти 60 килобайт.

Нужно не только выбрать правильную частоту дискретизации. Важно также разрешение (resolution). Цифровые номера, соответствующие семплам, группируются по шагам (step). Число возможных шагов зависит от того, сколько бит может пропускать АЦП (аналого-цифровой преобразователь). 8 бит — 2 в 8 степени групп (шагов) = 256. Это значит, что громкий сигнал может состоять из 256 шагов, а тихий — из меньшего количества. Это считается плохим уровнем разрешения. Это — искажения квантизации.

Искажения квантизации звучат как шум, но, в отличие от аналоговых шумов, он исчезает вместе с сигналом. Использование 12- и 16-битовых устройств позволяет улучшить разрешение. В большинстве современных цифровых устройств применяется 16-битовая система (например, компакт-диск). Каждый бит — это 6 дб динамического диапазона; следовательно, 8-битовая система позволяет воспроизвести только 48 дБ (совсем как кассетный магнитофон без Dolby). 16-битовая система позволяет пропустить динамический диапазон 96 дБ, что для аудиоцелей является отличным показателем. 12-битовая система — это 72 дБ, что позволяет применять ее для многих эффектов.

Итак, чем выше частота сэмплирования, тем больший частотный диапазон охватывает система (тем лучше частотная характеристика). Но чем выше частота, тем больше сэмплов можно получить, и тем больший объем памяти требуется для хранения данных. Следовательно, такое устройство либо дорого стоит, либо его время задержки не слишком большое (у цифровых дилэев и сэмплеров).

Ранние DDL (Digital Delay Line, линии цифровой задержки, устройства цифровой задержки) не отличались ни высокой частотой сэмплирования, ни большим временем задержки. Современные недорогие аппараты имеют ширину полосу 15 кГц и по меньшей мере 1 с задержки. Если устройство позволяет создать длинную задержку, то всегда можно сделать и более короткую — либо путем отключения части памяти, либо путем повышения частоты дискретизации. В современных аппаратах применяются оба метода. Память включается и отключается при помощи переключателя "range", частота сэмплирования изменяется при помощи регулятора "fine".

Цифровой ревербератор — более сложная система, чем цифровая задержка. В нем происходит работа микропроцессора с высоким быстродействием — работа с цифровыми данными для создания тысячи индивидуальных отражений, из которых создается естественно звучащая реверберация. Цифровой ревербератор появился только через три года после появления цифрового дилэя. Цифровой ревербератор не требует такой ширины полосы, как цифровая задержка; вполне хватает 10 кГц (для его работы без сильного изменения сигнала).

Цифровая задержка

В любой студии должен быть дилэй. Когда-то он был простейшим преемником ленточного ревербератора (магнитофона, лента на которм соединена в кольцо). Потом в нем появились регуляторы модуляции, при помощи которых стало возможным создавать различные эффекты — от эхо и дублирования до хоруса, флэнджера, искусственной двойной дорожки, вибрато и сдвига фазы.

Входной сигнал проходит через регулятор "gain" (обычно здесь же имеется измерительная система для точной регулировки уровня). Требуется точно установить уровень сигнала, чтобы не было шумов и искажений. После этого сигнал разделяется, часть его идет прямо на выходной регулятор "mix", где комбинируется с задержанным сигналом.

На входе линии задержки стоит аналого-цифровой преобразователь. Здесь сигнал преобразуется в последовательность чисел, которые затем поступают в память. Запись в память и чтение из нее в большинстве устройств управляется микропроцессором, который в свою очередь управляется регулятором "range". Тем самым большая или меньшая часть памяти подключается в работу (в зависимости от величины задержки, которую надо получить). С цепью также взаимодействуют таймер, устанавливающий частоту дискретизации, и генератор модуляции. Изменяя частоту дискретизации, можно отрегулировать время задержки (обычно более 2:1). При помощи регулятора модуляции устанавливается циклическое изменение высоты сигнала с той скоростью и глубиной, которые требуются для создания эффектов "хорус", "флэнджер", "вибрато". Форма модулированной волны обычно треугольная или синусоидальная. Обе формы дает мягкую развертку, но считается, что синусоидальная форма волны является предпочтительной.

Сигнал в цифровом виде вызывается из памяти и проходит через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где он опять становится аналоговым и подмешивается к незадержанному сигналу.

Существует еще один параметр — feedback (обратная связь). Регулятор обратной связи отсылает часть сигнала с выхода обратно в линию задержки, тем самым получается повторяющееся эхо. Величина обратной связи должна быть меньше единицы (целого сигнала), иначе каждое новое эхо будет возрастать по уровню, а не затухать. Может получиться неуправляемый вой. В некоторых моделях есть переключатель фазы, что при очень коротком времени затухания сообщает сигналу едва заметное изменение тона (в частности, в эффектах "флэнджер"). В зависимости от положения переключателя, флэнджер усиливает или зачеркивает (вычитает) часть изменений.

Создание эффектов

Самый простой эффект — это одиночная задержка. Регуляторы глубины и скорости модуляции, а также регулятор обратной связи должны быть установлены на минимум. Регулятор "range" определяет время задержки. Далее при помощи ручки "fine" можно подобрать такое время задежки, чтобы оно соответствовало темпу песни (от 20 мс — короткое эхо — до задержки в 1 и более секунду). Чтобы такое одиночное повторение превратилось в настоящее повторяющееся эхо, надо регулировать ручку "feedback". Сигнал с выхода подается опять в линию задержки; время затухания устанавливается регулятором обратной связи.

Эффект "хорус" имеет характерный звук и часто применяется для обработки гитары, бас-гитары и клавишных инструментов. Чтобы добиться этого эффекта, надо установить время задержки равным нескольким десяткам миллисекунд и ввести модуляцию 3 Гц. Для лучшего результата прямой и задержанный сигналы должны быть смешаны в равной пропорции. Глубина модуляции должна быть небольшой, иначе эффект будет звучать грубо.

Свое название этот эффект получил потому, что он содает впечатление о нескольких инструментах, играющих вместе одну и ту же ноту. Он вносит временную и высотную разницу, которая всегда есть, когда несколько человек пытаются сыграть одно и то же. Кроме того, эффект "хорус" позволяет сделать звучание электронных инструментов более натуральным. Дело в том, что синтезированные сигналы имеют четко структурированную форму волны, чего не существует в естественных звуках. При помощи хоруса можно заставить дешевый электроорган звучать совсем как настоящий (pipe organ).

Если еще уменьшить задержку (до нескольких миллисекунд) и убрать необработанный сигнал из микса (при помощи регулятора "mix"), то получится настоящее высотное вибрато, которое можно использовать для обработки инструментов и вокала. Если вернуть необработанный сигнал, то получится эффект, похожий на сдвиг фаз; если к этому добавить немного обратной связи, то получится флэнджер. Эффект "флэнджер", как и многие другие, трудно описать словами, но он мгновенно узнается на слух. Этот эффект получил широкое применение в музыке 60-х и начала 70-х годов в качестве "психоделической" обработки для рок-песен.

Флэнджер звучит лучше, если частота модуляции невелика (около одной секунды), а глубина модуляции чуть больше, чем для хоруса. Изменение времени задержки будет влиять на высоту тона и гармоники таким образом, что пики флэнджера и переключение фазы обратной связи могут дать новые интересные звуковые решения. Не следует перегружать вход большим количеством обратной связи, так как добавление ее к сигналу происходит перед поступлением сигнала в аналого-цифровой преобразователь, и в этом случае внутренний сигнал становится слишком большим.

В хорошем устройстве цифровой задержки имеется кнопка "hold" ("удержание"). Она как бы "замораживает" сигнал, который хранится в памяти устройства, и запускает его по кругу (как в магнитофонном ревербераторе). После того, как кнопка нажата, новые сигналы не добавляются в память. В чистом виде это мало используется, но если в устройстве есть блок приема переключающих импульсов (trigger), то тогда хранящийся в памяти сигнал может быть включен каждый раз, когда придет управляющий сигнал MIDI. Это является основой примитивного сэмплера, при помощи которого можно получить короткие ударные звуки, которые включаются (запускаются) импульсом от ритм-машины или подобного переключающего устройства.

Программирование

Практически все современные цифровые устройства (кроме самых дешевых) являются программируемыми и могут работать с MIDI (по крайней мере можно осуществлять управление комбинациями тембров). Вообще возможность программировать является важным моментом, тем более в случае с цифровой задержкой. Это позволяет создать несколько эффектов одного типа. Что касается хоруса, флэнджера, искусственной двойной дорожки и вибрато, то программа, однажды созданная, скорее всего не потребует внесения изменений при работе с другим материалом. С другой стороны, чистая задержка должна быть точно подобрана, потому что большинство эффектов, основанных на задержке, связаны с темпом музыки. Но и в этом случае возможность программировать позволяет хранить в памяти устройства несколько разных дилэев, созданных для разных темпов.

Простейшее MIDI-управление устройством цифровой задержки позволяет присвоить эффект определенному тембру синтезатора. Если вы сменили инструмент, эффект будет автоматически вызван по MIDI. Этот процесс более подробно описан в глава о MIDI.

Технические характеристики

Цифровая задержка — гибкое устройство: некоторые эффекты создаются путем добавления задержанного сигнала к необработанному, другие эффекты - например, вибрато - работают только с задержанной частью сигнала. Поэтому хороший DDL должен иметь ширину полосы, равную ширине аудиоспектра (по меньшей мере 16 кГц). Для большинства эффектов "эхо", "сдвиг фазы", "флэнджер", "хорус" достаточно иметь ширину полосы 12 кГц.

Важно, чтобы качество сигнала было хорошим, поэтому 16-битовые устройства предпочтительнее, чем 12-битовые или 8-битовые. Только 16-битовая цифровая задержка может иметь малый уровень шумов и искажений. Именно поэтому она применяется в профессиональной записи, а для демо годится 12-битовый DDL.

Соединения

Поскольку большинство эффектов, связанных с задержкой сигнала, создается путем подмешивания необработанной части к обработанной, то цифровая задержка подключается к выходам "effect" (посылы/возвраты на эффекты) на микшерном пульте. В особенности это важно, если вы хотите обработать одним и тем же эффектом несколько треков. В этом случае можно установить DDL в режим "delay only": на выходе эффекта только задержанный сигнал, который далее возвращается в пульт через точку возврата с эффектов или через свободный входной канал. Куда панорамировать задержанный сигнал решайте сами.

ПРИМЕНЕНИЕ

Хорус

Простые задержки и эхо часто ипользуются для обработки голоса и инструментов. В большинстве случаев необходимо, чтобы время задержки соответствовало темпу музыки (скажем, чтобы получить 1, 2 или 4 эха в такте). Тогда повторения будут усиливать ритм, а не противостоять ему. В тех случаях, когда надо создать сложный ритм, подбирают такое время задержки, чтобы повторения звучали в неожиданных местах. Это в особенности используется для обработки барабанов и перкуссии.

Часто применяется такой эффект: "эхо" добавляется только после отдельных слов или фраз (обычно — в конце слова). Чтобы сделать это, надо открыть посыл на обработку (повернуть регулятор aux send) перед тем, как нужное слово начнет звучать, и закрыть посыл сразу после того, как оно прозвучало. Тогда будет повторяться только это слово. Лучше это делать регулятором посыла на эффект, так как с помощью ручки возврата с эффекта невозможно добиться точности.

Нужно помнить, что некоторые DDL искажают верхние частоты. Поэтому перед началом работы надо провести тест (как и в случае с магнитофоном): посмотрите на индикатор и отметьте, какие показания соответствуют чистому, нескаженному сигналу. Возможно, вы обнаружите, что при обработке синтезированных звуков входной сигнал должен быть на 10 дБ меньше, чем при обработке вокала. То же относится и к духовым инструментам (настоящим и сэмплированным): их форма огибающей имеет острые пики, уровень которых много больше, чем средняя величина, которую показывает вольтметр.

Хорус — замечательный эффект. С ним можно добиться потрясающих успехов. Он хорошо работает с моносигналом, но он звучит гораздо более впечатляюще, если панорамировать "сухой" сигнал в одну сторону, а сигнал с хорусом — в другую. Это имитирует один из психоакустических эффектов, который встречается в реальной жизни. Звук становится очень динамичным, в особенности при использовании хоруса для обработки струнных, клавишных, электрогитар и электрических бас-гитар (в особенности безладовых).

Еще более впечатляющего эффекта можно добиться, применив два эффекта "хорус". Каждый из обработанных сигналов панорамируется в свою сторону. Далее требуется подобрать глубину и скорость модуляции для каждого сигнала так, чтобы они немного отличались друг от друга.

Искусственная двойная дорожка (ADT)

Искусственная двойная дорожка похожа на хорус. Время задержки должно быть около 100 мс. Модуляция задержанного сигнала подбирается так, чтобы между сигналами было небольшое расхождение по высоте. При подмешивании обработанного сигнала к необработанному создается впечатление, что звучат два голоса или два инструмента. Такое использование DDL позволяет достаточно хорошо имитировать настоящую двойную дорожку.

Помните, что если вы подключили DDL через точки посыла на обработку на пульте, и хотите создать эффект, который является смесью сухого и обработанного сигналов, то следует установить баланс так, чтобы с выхода DDL шел только задержанный сигнал, а необработанный шел только через канал. Только так можно регулировать глубину эффекта.

Вибрато

То же самое, что и хорус, но не происходит подмешивания к необработанному сигналу (используется только задержанный). Поэтому для создания эффекта "вибрато" имеет смысл подключить DDL через точку разрыва на пульте.

Совет: не переусердствуйте с глубиной вибрато. Поскольку эффект не содержит "сухого" сигнала на выходе, время задержки должно всегда быть коротким (менее 10 мс), т.е. впечатления о задержке сигнала не должно возникать.

Сдвиг фазы

Этот эффект был изобретен так: два магнитофона с двумя одинаковыми лентами включались на воспроизведение синхронно, при этом уровни выходных сигналов были одинаковы. Вручную замедляли первый или второй магнитофон, от чего происходила разсинхронизация и возникал характерный эффект сдвига фазы.

Чтобы имитировать этот эффект при помощи DDL, убедитесь, что уровни прямого и задержанного сигналов одинаковы. Установите время задержки от 3 до 10 мс и добавьте медленную, неглубокую модуляцию. Возникнет эффект разворачивания (sweep effect). He используйте обратную связь. В зависимости от типа задержки будет изменяться тоновая окраска эффекта. Здесь вы вполне можете поэкспериментировать.

Если не требуется, чтобы разворачивание было постоянным, то можно выключить модуляцию и медленно поворачивать ручку "fine". Это будет почти точно соответствовать настоящему эффекту, хотя и не будет достоверным, так как в этом случае время задержки никогда не переходит через ноль, как бывает, например, когда один магнитофон, который до этого отставал, "обгоняет" другой.

Если вы хотите поэкспериментировать, то подключите два DDL, установите время задержки 5 мс и подайте на оба входа один и тот же сигнал. Регулятор "микс" обоих DDL должен быть установлен в положение "delay only" ("только задержанный сигнал"). Выходные сигнала обоих DDL микшируются в моно, при этом их уровень должен быть одинаков. Если теперь изменять модуляцию одного из DDL (при помощи генератора или вручную), то получится сдвиг фазы и переход через ноль.

Все эффекты, использующие сдвиг фаз, применяются для обработки тех инструментов, в спектре которых имеется много верхних гармоник: гитара "дисторшн", стрингс, реверберированные барабаны.

Флэнджер

Качество этого эффекта зависит от точного баланса между обработанным и необработанным сигналом. Лучше для начала подключить DDL в точку разрыва канала и поискать баланс. После того, как он найден, можно подключить эффект через aux send (постарайтесь сохранить баланс). Обработанный сигнал надо панорамировать в одну сторону, необработанный — в другую. Музыка станет более динамичной и создастся впечатление, что источник сигнала движется.

Флэнджер применяется для обработки любого инструмента или голоса. Эффект будет лучше, если сам сигнал оставить необработанным, а флэнджер применить к его отзвуку. Чем больше обратная связь (feedback), тем агрессивнее эффект.

Панорамирование задержки

Способность DDL создавать панорамные эффекты почему-то мало используется в студийной практике. Действие основано на эффекте предшествования: человеческий мозг способен интерпретировать информацию о положении звука в пространстве, исходя из того, с каких сторон приходят задержанный и незадержанный сигналы. Уши физически находятся на некотором расстоянии друг от друга, поэтому обычно сигнал достигает одного уха несколько раньше, чем другого. Даже если разница во времени прихода составляет менее 1 мс, мозг отлично распознает направление.

Можно имитировать этот эффект при помощи DDL, посылая незадержанный сигнал в левый гровкоговоритель, задержанный (несколько миллисекунд) — в правый. У слушателя возникнет впечатление, что источник сигнала находится справа.

Возьмем сигнал, в спектре которого содержится много средних и высоких частот. Сделаем уровень сигнала в обоих громкоговорителях одинаковым. Установим время задержки 10 мс: это слишком короткое время, чтобы появилось эхо, но достаточно длинное, чтобы получился сдвиг фазы при суммировании сигнала в моно.

Если имеется два DDL, то можно установить время задержки 10 мс для сигнала, поступающего в левый громкоговоритель, и 10 мс плюс модуляция — для сигнала в правом громкоговорителе. Если скорость модуляции равна 1 цикл в секунду, и глубина ее - 2-10 мс, то получится следующая картина: один конец "развертки" будет впереди сигнала, второй будет отставать. Впечатление о направлении на источник тоже будет меняться с частотой модуляции. Если у вас нет автопаннера — попробуйте этот способ.

Зацикливание "замороженного" сигнала

Потребуется DDL с временем задержки до нескольких секунд и функцией freeze/trigger ("замораживание сигнала"/"переключение"). Это позволяет сохранить в памяти короткую вокальную фразу для последующего воспроизведения и смешивания с записью (путем нажатия на кнопку "trigger"). Этот процесс называется "spinning" или "flying in". Эффект применяется, когда на ленте имеется одна правильно спетая фраза, которую надо использовать на протяжении песни. Если нажать на кнопку "trigger" до того, как сэмпл кончился, происходит новое переключение и в результате его — характерный звук "scratch".

Если в DDL есть вход для внешнего триггера, то можно делать запуск от ритм-машины. Можно создать интересное ритмическое эхо. Партия простого баса или синтезатора станет более плотной, словно играет секвенсер. Такие функции есть не во всех DDL, но можно этого добиться и с помощью тех цифровых задержек, у которых есть либо аудио-триггер, либо импульсный переключатель, либо преключатель от MIDI.

Стереодилэй

Современные устройства цифровой задержки имет режим стерео. Можно задать разное время задержки для разных каналов. Если правильно выбрать время задержки, то возникнет впечатление, что звук мечется по стереопанораме.

Стереодилэй используется также для создания ADT. В этом случае каналы должны иметь разное время задержки. Тогда будет слышно, что играют три, а не два инструмента. Можно также модулировать сигналы в обоих каналах. Более длинный сигнал будет иметь более выраженную высотную модуляцию. Впечатление, что исполнителей трое, возникает потому, что за них играют три сигнала: левый, правый и "сухой".