Основы реверберации. Поговорим про реверберацию

В этой статье разбираются основные понятия и параметры, связанные с реверберацией, а также советы по ее грамотному применению в музыкальных композициях.

Движение звука

В природе, звук двигается от своего источника в форме сферической волны со скоростью звука - около одного километра за каждые три секунды. Эти волны двигаются от источника, уменьшая амплитуду согласно обратно-квадратичному закону (уровень падает пропорционально квадрату пройденного расстояния), до тех пор, пока находят отражающие поверхности. Все поверхности поглощают некоторое количество энергии, отражая оставшуюся назад в пространство. Количество поглощенной энергии зависит от физических свойств и формы отражающей поверхности.

Для примера, плоская мраморная поверхность будет отражать много звуковой энергии, как зеркало, тогда как дерево, покрытое тканью, будет больше поглощать звук, а неровная поверхность будет разбрасывать отражения, а не отражать его в одном направлении. Отраженный звук затем отражается снова от следующего препятствия, которое он встретит на пути, увеличивая таким образом сложность отражений. Интенсивность звука уменьшается с расстоянием (снова обратно-квадратичный закон) и с поглощением материалами отражающих поверхностей. В больших пространствах также явно выражено поглощение воздухом высоких частот.

Так как нелегко сказать, когда реверберационный сигнал совсем затухает, то стандартное измерение длины реверберационного "хвоста" определяется как время, за которое реверберация ослабляется на 60 dB. Это время определяется, как термин RT60.

Пространство до начала отражений - важный показатель в восприятии размера комнаты, и слово "комната" в этом контексте описывает любой тип реверберационного пространства. В большой комнате звук должен немного попутешествовать, прежде чем отразится, поэтому интервал времени между звуком и ранним отражением будет значительно длиннее, чем в маленькой комнате. Спустя короткое время отражения станут слишком плотными и хаотичными, чтобы восприниматься по отдельности, но ранние отражения, немедленно следующие за началом звука, являются для ушей и мозга ключом к пониманию типа пространства, в котором находится звук.

Оставляя без внимания отражения от пола, никакие ранние отражения не могут быть услышаны, пока они не достигнут ближайшей стены или другого препятствия и отразятся в сторону слушателя. Начальная задержка между прямым звуком и первый отраженный звук являются важными ключами к пониманию размеров комнаты - если отражение возвращается как четкое эхо, значит, отражающая поверхность твердая и плоская. Более рассеянное эхо (с менее выраженными индивидуальными отражениями) предполагает неровную поверхность.

Поглощение звуковой энергии

Все материалы имеют тенденцию отражать одни звуки эффективнее, чем другие, в большинстве случаев высокие частоты поглощаются более легко, чем низкие. Это обеспечивает более длинную реверберацию на низких частотах. В очень больших пространствах эффект поглощения воздухом высоких частот увеличивает эту тенденцию, придавая реверберационному хвосту "раскатистое", или рокочущее звучание.

Исходя из этого, мы можем вывести, что для создания натурально звучащей реверберации, реверберационный звук надо пропустить через фильтр высоких частот, чтобы удалить самый верх, которого не существует в природе. Кроме того, содержание высоких должно уменьшаться по мере звучания "хвоста". На практике, подобная фильтрация происходит во время кольцевых задержек, которые формируют "хвост" обработанного сигнала в целом. Только специальные (не существующие в природе) реверберационные эффекты, или симуляция необычных сред (кафельные комнаты) требуют отражений со значительным количеством высокочастотной энергии.

Искусственная реверберация

Записывающие студии первоначально использовали "живые" комнаты, пружинные и пластинные ревербераторы, чтобы добавлять искусственную реверберацию на записях, но сегодня почти повсеместно используются цифровые приборы. Тем не менее, цифровые ревербераторы на самом деле сложнейшие приборы, наиболее успешные модели которых разработаны в тесном содружестве науки и искусства. Где-то между 1000-м и 3000-м отдельным эхом важна каждая доля секунды, чтобы создать ощущение естественной реверберации, и расстояние между этими отражениями должно быть по возможности произвольным, иначе результат будет очень неестественным.

Хорошее подобие ранних отражений можно создать, используя прибор задержки с функцией multitap, где регулировкой уровней tap можно получить разное время задержек. Эти отражения дают первоначальное представление о размере комнаты и ее типе, но в реальной жизни они не просто прямое эхо - их частотное содержание формируется поверхностями, от которых они отражаются, также они в некоторой степени рассеиваются, так что каждое отражение на самом деле является группой отражений, а не отдельным событием. Насколько хорошо это может быть достигнуто в цифровом виде - зависит от мощности обрабатывающего процессора, поэтому в дешевых процессорах или плаг-ин'ах ранние отражения звучат слишком чисто и ненатурально. Во многих случаях, эффект диффузии ранних отражений должен слегка окрасить их, а не добавлять очевидные временно-пространственные артефакты - когда добавляются многочисленные аналогичные сигналы, фазовый сдвиг производит эффект комбо-фильтра, который изменяет частотную составляющую звука. То же самое верно и относительно отражений от пола. Lexicon - это одна из компаний, которая подошла к вопросу отражений с большей глубиной, поэтому их имитация небольших помещений звучит наиболее убедительно.

Что происходит потом, зависит от того, кто разрабатывал прибор. Большинство моделей формируют ранние отражения, а затем запускают их снова в серию кольцевых задержек и фильтров для симуляции сложности поздних этапов реверберационного хвоста. Установить кольцевые задержки так, чтобы правильно воспроизвести произвольную энергетическую плотность, весьма трудная задача, и она включает в себя множество настроек.

Некоторые компании, особенно Lexicon и TC Electronic, используют полностью отдельные процессоры - один для генерирования ранних отражений, и другой для плотного ревера, который идет за ним. Хотя это и не абсолютно реальный путь, которым возникает реверберация, но он производит наиболее правдоподобные результаты, и допускает пользователя к более свободному редактированию параметров, так как в этом случае ранние отражения и хвост реверберации не так тесно связаны друг с другом.

Параметры реверберации

Важные параметры реверберации, находящиеся под контролем пользователя: тип ранних отражений (early reflection), время предварительной задержки (pre-delay), общее время затухания (decay time) и высокочастотное ослабление (high-frequency damping). Есть еще много других, и они могут быть или не быть доступны пользователю, но эти - самые важные на большинстве программируемых приборов.

Тип ранних отражений создается разработчиками, чтобы эмулировать холлы, комнаты, камеры, пластины, кафельные комнаты и т.д. и, хотя их общая длительность может быть установлена через некоторые параметры комнаты, разновидность этих параметров установлена заранее. Чем пространственней ранние отражения, тем больше виртуальный размер комнаты. Данные, из которых создаются ранние отражения, отличаются в зависимости от того, в каком месте комнаты находится слушатель, поэтому некоторые производители предлагают на выбор позиционирование. Как правило, ранние отражения достигают слушателя в дальнем конце концертного зала несколько позже, чем слушателя в первых рядах.

Предварительная задержка также влияет на субъективный размер комнаты и это просто задержка между прямым звуком и началом ранних отражений. Это самый простой путь создать иллюзию размера комнаты и также помогает отделить сухой звук от реверберации, хотя помните, что реальная комната всегда звучит с некоторой окраской из-за отражений от пола, которые могут достигать слушателя раньше отражений от боковых стен. Тем не менее, наши уши настроены больше слышать боковые отражения, и возможно, это одна из причин, почему мы так легко поддаемся на эти упрощенные иллюзии. Более длинное время pre-delay может быть полезно для использования вместе с вокальной реверберацией, чтобы сохранить ясность вокала.

Большое общее время затухания может наводить на мысль о больших средах, но оно значительно зависит от ранних отражений, которые предшествовали им. Для примера, очень отражающая, маленькая кафельная комната может иметь почти такое же время затухания, как большой холл, но природа ранних отражений и яркость последующего хвоста дают нам ключи к пониманию фактического размера комнаты. С моей точки зрения, эффективность, с которой прибор может эмулировать маленькую комнату, которая не имеет очевидных реверберационных свойств, выделяет этот прибор из числа проходных моделей.

Высокочастотное ослабление создает в реверберационном хвосте время затухания высоких частот меньшим, чем общее время затухания. Это эмулирует путь, каким материалы в реальных комнатах поглощают звук, хотя некоторые приборы имеют также независимую регулировку ослабления низких частот - для создания спецэффектов, или для имитации сред, которые отражают только высокочастотные звуки. Например, покрытый деревом холл может отражать средние и высокие частоты весьма эффективно, и поглощать низкие частоты, так что, если вы хотите сымитировать такой деревянный холл, вы должны ослабить низкие частоты в хвосте и немного высокие, чтобы скопировать поглощение шторами, мягкой мебелью и воздухом.

Выбрав соответствующие ранние отражения для формирования среды, которую вы хотите сымитировать, затем установив другие параметры, доступные вам, вы будете удивлены результатом. На самом деле, некоторые установленные параметры для небольших пространств, которые я пробовал на лучших приборах, звучат более мертво, чем изначально приходящий в них сигнал. Это почти полностью из-за того, что малая комната окрашивает (фильтрует) звук. И мы все знаем, как здорово звучат параметры большого холла или кафедрального собора, но я не знаю, в каких музыкальных применениях такие экстравагантные установки могут понадобиться. Большинство полезных наборов находятся где-то между двумя экстремальными точками.

Большинство алгоритмов, представляющих ревербератор, включают установку размера комнаты, которая на самом деле прячет в себе много параметров, изменяющихся одновременно. Фактически, есть много алгоритмов, объединяющих название "реверберация", но они доступны только разработчику, так как только он понимает, что они делают.

Углубляясь в реверберацию

Кроме выщеупомянутых установок, некоторые приборы включают в себя дальнейший слой регулировок, доступных пользователю. Например, мы говорим о высоко- и низко-частотном ослаблении, но кто решает, в каком месте начинаются и заканчиваются высокие и низкие частоты? Ответ - в том, где алгоритм установил точку перехода между высокими и низкими, которая может или не может быть достигнута юзером. Там, где может, частотный переход может корректироваться, что, в свою очередь, изменит окраску реверберационного хвоста.

Плотность реверберации (reverb density) - еще один часто доступный параметр, и хотя некоторые производители используют несколько другие описания, density обычно имеет отношение к плотности отражений, создающих реверберационную составляющую звука. Чем плотнее каждое отражение, тем больше плотность. Низкая плотность может производить грубое звучание реверберации на ударных звуках, но часто красиво звучит на вокале и неударных звуках. Высокоплотная реверберация имеет тенденцию звучать более натурально на барабанах и перкуссии.

Связанная с плотностью диффузия (diffusion) определяет степень, в которой отражения увеличиваются в плотности после исходного звука. Большая, квадратная комната с плоскими поверхностями покажет сравнительно низкий процент диффузии в сравнении с такой же по размерам комнатой, наполненной неплоскими поверхностями, это является причиной, почему концертные залы строят часто с колоннами и нишами. Это дает способность контролировать форму кривой времени затухания, так как во многих реальных пространствах время затухания не обязательно простая экспоненциальная кривая. Большинство специалистов по акустике верят, что форма кривой времени затухания очень важна, и что многие хорошо звучащие пространства показывают двойное затухание, разделенное коротким плато. На тех приборах, которые генерируют ранние и поздние отражения разными методами, этого также можно достигнуть, задерживая поздние отражения относительно ранних отражений, что придаст некоторое изменение форме кривой времени затухания. Это может быть также возможно через установку параметров, которые формируют хвост поздних отражений.

Звуковые различия

Реверберационные алгоритмы от разных производителей звучат по разному по ряду причин, большинство из которых сводится к мощности процессора и методу разработки алгоритма. Большинство алгоритмов реверберации включают в себя сложную цепь резонаторных задержек, чтобы увеличить сложность хвоста, но если они не выставлены тщательно, различные частотные затухания приводят к некорректному изменению показателей, вызывая эффект металлического звучания. Это может быть хорошо, если вы использовали алгоритм plate, но совсем нежелательно в симуляции естественной комнаты. Большая мощность процессора позволяет дизайнерам использовать больше строительных блоков, но искусство точной настройки по-прежнему остается наиболее важной частью процесса.

Один очень простой тест, который каждый может сделать, чтобы выяснить качество прибора, состоит в том, чтобы направить на прибор сигнал, увеличив количество обработанного сигнала до максимума, и послушать результат. Если прибор хорошо сконструирован, характер и присутствие исходного сигнала все еще определяется, даже если вы слушаете 100% обработанный сигнал, но в менее удачных приборах сигнал "wet-only" получается отчасти разрозненным. Также пропустите отдельные удары рабочего барабана через прибор и послушайте, нет ли неестественного металлического звона в пресетах room и hall. Кафельные комнаты и "пластины", с другой стороны, должны показать некоторый элемент звона, эмулируя, как это происходит с реальной вещью. Я также прослушиваю длинные ревера, где хвост дрожит, зацикленный между 0.5 и 2 секундами. Затухание в большой комнате тоже не вполне ровное, но закройте глаза и проверьте, что сымитированная версия хотя бы вероятна.

Одна разработка компании Lexicon, которая теперь используется и другими производителями, включает параметры "вращение и брожение" (Spin and Wander). Они модулируют время кольцевых задержек в пределах определенного резонатора, чтобы предотвратить статические построения, которые могут вызвать звон. В физических терминах, это родственно непрерывному перемещению стен и объектов в комнате на короткое расстояние. Хотя настройка этого параметра очень тонкая, он производит богатый, мягкий ревер. Конечно, любая модулированная задержка включает и модуляцию высоты тона, так что параметры Spin and Wander лучше свести к нулю на таких инструментах, как классическое фортепиано, где слушатель не должен слышать сдвиг тона. Эффект этот не так явно слышен, как хорус, потому что все эти маленькие модуляции происходят в реверберации, а не перед ней или после нее, но некоторое мерцание может быть обнаружено на звуках с фиксированной частотой. Длительные звуки также могут обнаружить этот эти модуляции - если длинный растянутый звук играется в реверберационном пространстве, результирующие отражения в итоге достигают устойчивого состояния, так что исходный звук плюс отраженный производят одиночный, неменяющийся сигнал. Если модуляция применяется там, где она никогда не может быть, тренированное ухо сразу это замечает.