Понятие и критерии естественной эквализации музыкальных сигналов

returns.sound@gmail.com

eLibrary AuthorID: 4006-3956

ORCID: 0000-0002-4481-5776

Дмитрий Таранов –  кандидат технических наук по специальностям «Акустика» и «Радиотехника» (ИРТСУ 2014),

практикующий студийный звукоинженер, автор учебного пособия для высших учебных заведений 

«Основы сведения музыки. Часть 1. Теория»

Дмитрий Таранов

Зачастую в звукорежиссуре процесс эквализации сигнала ассоциируется с постобработкой посредством такого небезызвестного устройства как эквалайзер. Однако на практике темброформирование инструмента или голоса начинается задолго до процесса его обработки на этапе сведения.

Основная часть звуковых сигналов фиксируется посредством микрофонной записи. Это утверждение может показаться несколько устаревшим в современной практике: не обязательно записывать акустические инструменты, например, ударные, при наличии сэмплерных библиотек, не обязательно традиционным образом фиксировать звук электромузыкальных инструментов, таких как электрогитара, при наличии цифровых гитарных решений и т.д. 

Но если взглянуть на вопрос комплексно, можно прийти к выводу, что сэмплерные библиотеки акустических инструментов были так или иначе изначально зафиксированы посредством микрофонов и микрофонных массивов, а в гитарных процессорах система кабинет-микрофон является конечным звеном темброформирущего тракта. Поэтому микрофоны, пусть и виртуальные, в большинстве случаев участвуют в процессе формирования звука.

Не фиксируются микрофонами только сигналы, с нуля синтезируемые в осцилляторах – звуковых генераторах – синтезаторов. Как правило, это простейшие волновые формы: синусоидальная, треугольная, пилообразная и т.д. При этом не стоит забывать, что большую часть синтезаторов на рынке представляют т.н. ромплеры – синтезаторы, где в качестве осцилляторов используются заранее записанные короткие волновые формы (т.н. мультисэмплы), большинство из которых также изначально были зафиксированы посредством микрофонов.

Чрезмерное злоупотребление постэквализацией, впрочем, как и любым другим прибором звуковой обработки, зачастую приводит к субъективному ощущению переобработанного тембра – тембра, звучащего не просто неестественно, а даже в некоторой мере искусственно. По отношению к переобработанным тембрам слушатель может нередко употребить такие эпитеты как «пластмассовый», «картонный», «ненастоящий» и т.д. В связи с этим еще на этапе звукофиксации следует уделять максимальное внимание такому явлению, как естественная эквализация сигнала.

Итак, нами был рассмотрен подход к априорной оценке большинства звуковых сигналов как записанных посредством микрофона или микрофонной системы; давайте остановимся на этом тезисе подробнее.

Микрофон является первым звеном в цепи естественной эквализации звукового сигнала. На этой стадии естественная эквализация насчитывает четыре основных этапа:

• выбор микрофона;

• положение микрофона;

• эффект близости;

• акустические свойства помещения.

Рассмотрим каждый этап подробнее.

Выбор микрофона

Различные микрофоны отличаются друг от друга по целому ряду параметров. Одним из наиболее важных параметров отличия микрофонов является его амплитудно-частотная характеристика, во многом формирующая характерный «звук» того или иного микрофона. Немалую роль в данном процессе играют и нелинейные искажения, вносимые микрофоном на этапе записи источника звукового сигнала. В связи с этим их принято объединять с АЧХ микрофона в общее понятие начального этапа естественной эквализации сигнала. Каждый микрофон обладает собственной АЧХ (а также нелинейными искажениями, вносимыми им в сигнал), часто представляемой в виде графика, напоминающего кривую эквализации.

На рисунке 1 отчетливо виден характерный подъем в области 5 кГц, который может быть успешно использован для придания музыкальному инструменту или голосу «презенса» («эффекта присутствия»), а также закрепление области частот выше 10 кГц, что обязательно скажется на субъективном ощущении «воздуха» в тембре фиксируемого источника звука.

Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика микрофона Союз 017 FET

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика микрофона AKG D112

Такой микрофон логично применять, например, при записи эстрадного голоса или акустической гитары, и совершенно нецелесообразно применять при записи, к примеру, большого барабана. Для его записи гораздо эффективнее использовать микрофон, оптимизированный для записи низкочастотных сигналов, такой, как AKG D112.

Именно подбор «правильного», подходящего конкретному источнику звука сигнала микрофона на этапе его фиксации является первым и важнейшим этапом темброформирования му-
зыкального сигнала в записи. Ценовая категория микрофона при этом имеет лишь косвенное отношение к финальному звуку источника; то, насколько микрофон «подходит» тому или иному голосу или музыкальному инструменту является несоизмеримо более важным критерием его выбора. Главное правило в данном случае – категорически не стоит надеяться на постэквализацию при фиксации источника звукового сигнала. Исходный записанный материал должен быть тембрально максимально похож на требуемый финальный результат.

Также в этом вопросе могут быть полезны моделирующие микрофонные системы, такие как Slate Digital VMS или семейство Universal Audio Sphere, представляющие собой программно-аппаратные комплексы, целью которых является запись источника на собственный микрофон с изначально заданными параметрами и последующего применения к полученной записи специального программного обеспечения, призванного смоделировать тот или иной классический или современный микрофон. 

Типичной ошибкой в данном случае будет считать, что подобные технические решения просто копируют АЧХ исходных микрофонов посредством, например, свертки записанного сигнала с некоторыми опорными импульсными характеристиками. Процесс моделирования в таких системах включает в себя в том числе внесение тождественных конкретной модели микрофона соответствующих нелинейных искажений в зависимости от характера входного сигнала, а также копирование непосредственно динамических свойств оригинальных устройств, что является более сложным процессом, чем просто постэквализация исходного сигнала. 

По этой же причине распространенный миф о том, что достаточно эквализировать сигнал, записанный одним микрофоном для достоверного копирования звука другого микрофона, не имеет никаких оснований. Постэквализация не «превращает» один микрофон в другой, и в связи с этим выбор «правильного» микрофона на этапе записи остается актуальным по сей день.

Так или иначе, формирование требуемого тембра музыкального инструмента или вокала строго на этапе его записи в полной мере достижимо не в каждом случае. Основная цель подбора конкретного микрофона в процессе фиксации источника звука – максимально сократить количество требуемой последующей звуковой обработки на этапе сведения.

Положение микрофона

Выбор положения микрофона обуславливается несколькими акустическими закономерностями, связанными в первую очередь с особенностями распространения звуковых волн.

При отдалении от слушателя (или в случае звукофиксации – микрофона) спектр источника звука теряет часть своей высокочастотной составляющей. Аналогичный эффект происходит при азимутальном повороте микрофона относительно источника (как на рис. 3) или при блокировке микрофона физическим объектом на некотором расстоянии от источника.

Рис. 3. Естественное затенение сигнала, вызванное азимутальным поворотом микрофона:

0⁰ для кривой 1, 90⁰ для кривой 2

Данное явление носит название естественного затенения сигнала и в случае отдаления микрофона или поворота его относительно источника звукового сигнала выражается в специфическом частотном спаде в верхней части частотного спектра приблизительно от 4,5–5,5 кГц.

Например, если используемый микрофон является избыточно «ярким» для данного конкретного вокалиста, и замена его на более «темный» не представляется возможной, – наиболее верной стратегией записи будет отдалить микрофон от вокалиста (если запись производится в заглушенном помещении), отвернуть его по горизонтальной оси, а также, по возможности, использовать более плотный поп-фильтр.

Эффект близости

Эффект близости выражается в усилении НЧ-составляющей сигнала при приближении микрофона к источнику звука. Данный эффект наблюдается только с направленными микрофонами: кардиоидными, суперкардиоидными, двунаправленными и т.д. Чем ближе диаграмма направленности микрофона к двунаправленной – тем больше проявляется эффект близости при записи.

Кроме того, проявление эффекта близости наиболее явно при прямой направленности микрофона на источник. При повороте микрофона от источника звука эффект близости уменьшается.

Рис. 4. Зависимость эффекта близости от диаграммы направленности микрофона и расстояния до источника звукового сигнала

Итак, эффект близости наблюдается только у направленных микрофонов. Объясняется это тем, что из-за явления дифракции звук достигает мембраны микрофона как с фронтальной, так и с тыльной стороны. Разница давлений между фронтальной и тыльной сторонами (т.н. градиент) создает движение мембраны микрофона. Расстояние от передней до задней ее части, как правило, находится в пределах 1–2 см. На низких частотах, длина волны которых может достигать нескольких метров, перепад давления в пределах 1–2 см от общей длительности звуковой волны невелик. На более высоких частотах эта разница увеличивается.

Помимо градиента на эффекте близости также сказывается действие закона обратных квадратов. В области акустики закон обратных квадратов гласит, что интенсивность звука уменьшается примерно на 6 дБ (т.е. в два раза) при удвоении расстояния от источника звукового сигнала. Соответственно, с приближением к источнику интенсивность звука возрастает в той же пропорции. Предположим, ширина капсюля микрофона составляет 1 см. При нахождении источника звука на расстоянии S>>1 м от него, разница в давлении на фронтальную и тыльную сторону диафрагмы микрофона не будет существенной. Однако при приближении источника звука к капсюлю на расстояние 1 см расстояние от фронтальной стороны диафрагмы до тыльной будет уже отличаться в 2 раза. Соответственно, разница давлений составит 6 дБ, что скажется на усилении НЧ-составляющей сигнала, т.к. первичный градиент слабо проявляется в этом частотном диапазоне.

На практике управление эффектом близости может решить спектральные проблемы источников звукового сигнала в низкочастотной области. Например, если звукоинженеру кажется тонким и необъемным звук электрогитары, фиксируемый из гитарного кабинета микрофоном (пусть и виртуальным в случае использования ампсима) – не стоит надеяться на постэквализацию на стадии сведения. Стоит приблизить микрофон по отношению к кабинету, если это позволяет его расположение. Аналогично, если малый барабан при записи слушается чрезмерно объемно и «бубняще» – лучший способ борьбы с этим явлением в данном случае – отодвинуть микрофон от барабана для ослабления эффекта близости. Разумеется, эти примеры являются гипотетическими, а использование эффекта близости может применяться по отношению к любому источнику звукового сигнала в зависимости от целей и задач темброформирования конкретного музыкального инструмента или голоса.

Акустические свойства помещения

Несмотря на то, что современные реверберационные алгоритмы позволяют моделировать практически любые параметры замкнутых помещений и создавать весьма убедительный эффект реверберации, некоторые звуковые сигналы по сей день фиксируются с захватом натурального пространства, где в реальном времени производится запись (например, при записи акустических ударных, академических инструментов и т.д.). 

Для чего это делается? В традиционной звукорежиссуре принято считать, что незаглушенное помещение, в котором производится запись, специфическим образом тембрально реагирует на конкретный звучащий в нем акустический сигнал, обогащает звук источника тембрально, делая его «большим» и «объемным». Реверберационные алгоритмы при этом сосредоточены в первую очередь на моделировании процесса отражения и переотражения звуковых волн от поверхностей помещения, не уделяя должного внимания тембральной составляющей.

На практике захват естественного акустического пространства позволяет использовать «звук» помещения, зафиксированный в виде монотрека, либо стереопары, в качестве дополнительной степени свободы естественной эквализации, которая добавляет возможность управле-
ния общим объемом звучания того или иного музыкального инструмента. Это крайне положительно сказывается на «тонко» звучащих тембрах, компенсировать спектральные свойства которых на постэквализации практически невозможно из-за слабо выраженного в их спектре диапазона частот, отвечающего за общий объем.

Разумеется, подобная методика нереализуема в заглушенных помещениях и применима в первую очередь в «живых», т.е. незаглушенных комнатах.

Стоит отметить, что для достижения ощущения натурального пространства на стадии постобработки теоретически могут применяться т.н. техники ремайкинга, требующие соответствующего программного обеспечения, однако технические средства, используемые в этом случае, далеки от совершенства и совсем не универсальны. В связи с этим их подробное описание не входит в цели и задачи данной статьи.

Перечисленные этапы естественной эквализации сигнала позволяют сократить количество требуемой последующей эквализации, однако это не означает, что эквализация на стадии сведения полностью теряет свою актуальность. Цель естественной эквализации – свести использование постэквализации к минимуму и как следствие – избежать эффекта переобработки при сведении.