ЦИФРОВЫЕ ЭФФЕКТЫ
Вступление
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 таких 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 сэмплирования (дискретизации)
Процесс измерения и перевода в цифровой вид отдельных частей входного сигнала называется сэмплированием. Делается множество срезов сигнала; высота этих срезов измеряется. Срезы (сэмплы) 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 в данной книге. Основные понятия таковы: для правильного воссоздания сигнала на выходе частота сэмплирования 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 с, потребуется память, в которую записываются эти 30 000 сэмплов. 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 сэпмлам, 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 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 1 с), 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 МИДИ (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 МИДИ-управление устройством цифровой задержки позволяет присвоить эффект определенному тембру синтезатора. Если вы сменили инструмент, эффект будет автоматически вызван по МИДИ. Этот процесс более подробно описан в глава о МИДИ.