Роль фазовых соотношений сигналов в звукозаписи Часть 2

Автор: Александр Михлин

Вычисление времени задержек исходя из расстояний между микрофонами

Итак, теоретически убедившись в пользе компенсации задержек, перейдем к практическому воплощению этой технологии.

Как вычислить необходимую задержку? Обратимся к рис. 1

Рис.1. Вычисление задержек

На рисунке изображены главный и индивидуальный микрофоны. Требуется вычислить время, на которое нужно задержать сигнал индивидуального микрофона, чтобы он совпал по времени с сигналом главного.

Обозначим искомое время задержки буквой t, скорость звука – v. Тогда наша задержка вычисляется, как отношение расстояния между головками микрофонов d к скорости звука v: t= d/v

Теперь перейдем к вычислению расстояния d. Просто измерить это расстояние на практике будет довольно сложно. Гораздо легче применить несколько простейших формул геометрии и задействовать расстояния, более удобные для измерения.

Итак, как видно на рис. 1, d – это гипотенуза прямоугольного треугольника с катетами h3 и L. По теореме Пифагора, d2=L2+h32. Отсюда d=√L2+h32. Но расстояние h3 опять же проблематично измерить на практике.

Из рисунка видно, что расстояние h3 можно по лучить, если вычесть из высоты стойки главного микрофона H высóты сцены и стойки индивидуального микрофона hs

и h2. Таким образом, h3 = H – hs — h2. Тогда, подставив это в предыдущую формулу, получим d: d=√L2+(H−hs−h2)2 , а общая формула выглядит так:

t = √L2+(H−hs−h2)²/v

Таким образом, на записи нужно измерить следующие расстояния: высоту каждой из стоек (H и h2), высоту сцены – hs и горизонтальное расстояние между стойками L. Подставив значения в формулу, получим искомый результат. При многомикрофонной записи высота стойки индивидуального микрофона и расстояние между стойками замеряются отдельно для каждого микрофона.

Способ определения времени задержек с созданием кратких импульсов рядом с микрофонами

Этот способ прост и эффективен тем, что не требует никаких формул и расчетов. С другой стороны, он работает, только если запись (или последующее сведение) проводится с использованием компьютерной программы, визуально отображающей форму звуковой волны. К таким программам от носятся, например, AvidPro Tools, Apple Logic, Steinberg Nuendo, Merging Pyramix, Magix Sequoia и т. д.

Нужно выкроить 5-10 минут до или после записи, взять предметы, которые при ударе друг о друга издают громкий звук с острой атакой, и, включив запись, пройтись по очереди по всем местам установки микрофонов, «простукивая» предметами рядом с каждой головкой. Проделывая эту процедуру, мы имитируем звук, издаваемый инструментом, для которого этот микрофон поставлен. В результате стук записывается на ближние микрофоны, а также, с задержкой, на главные. Выглядит это примерно так, как на следующей картинке (рис. 2).

Рис. 2. Задержка между импульсами на дорожках разных микрофонов

Эта задержка видна на графике в программе, и мы можем, подвинув дорожки, компенсировать ее.

Приведенный на рисунке замер был сделан при записи рояля. Стояло две пары микрофонов, стук был произведен в непосредственной близости от головок ближних микрофонов.

Собственно компенсация задержки в случае «простукивания» при наличии одной из упомянутых выше программ – операция несложная. При сведении требуется, разгруппировав дорожки, максимально точно совместить аналогичные места сигналов разных пар. В результате получилось то, что изображено на рис. 3.

Рис. 3. Синхронизация импульсов разных треков с по мощью горизонтального совмещения

Если задержки при записи вычислялись так, как описано в первом способе, то при сведении потребуется подвинуть каждую дорожку на соответствующее ей временное значение.

Ситуация немного осложняется, когда запись и сведение производятся без использования компьютера, к примеру, запись ведется на многодорожечный аналоговый магнитофон, а сводится на микшерном пуль те. Сейчас такое встречается редко, но все же бывает.

Если микшерный пульт цифровой и имеет возможность введения индивидуальных задержек для каждого канала, достаточно вычислить их, используя первый способ из предыдущего раздела, и ввести в память пульта.

Если же пульт аналоговый, потребуются специальные внешние приборы – линии задержки. Они включаются в insert микшерного пульта и позволяют задержать сигнал на определенное время.

Анализ результатов применения техники на примере различных записей

Перейдем к исследованию техники компенсации задержек на практике.

Для исследования были взяты записи различных составов и жанров. Запись производилась в многодорожечном режиме, компенсация была произведена по второму способу – в конце каждой из сессий были записаны кратковременные им пульсы рядом с каждым из микрофонов, затем в студийных условиях было проведено сравнительное исследование звучания с использованием задержки и без нее. Результаты исследования представлены ниже вместе со ссылками на звуковые примеры.

Постараемся выяснить:

• влияет ли компенсация задержки на тембр инструментов, преодолевается ли при этом эффект гребенчатой фильтрации?
• улучшает (или ухудшает) компенсация задержки пространственное впечатление от записи, ощущение глубины звуковой картины?
• меняется ли баланс записи при применении компенсации задержки?
• меняется ли значение пикового уровня вследствие сфазирования сигналов различных микрофонов при компенсации задержки?

Также выясним общие закономерности применения этой технологии:

• виды сигналов, на которых техника наиболее эффективна;
• диапазон задержек (и расстояний), компенсация которых дает наилучшие результаты;
• оптимальное время задержки – совмещать точно или давать задержку чуть больше вычисленной.

Итак, начнем с малых составов.

Кларнет и аккордеон. Как видно из микрофонной карты (рис. 4), использовалась пара главных микрофонов и индивидуальные микрофоны на каждый инструмент. Солисты на записи находились правее центра зала в связи с особенностью расстановки микрофонов.

Рис. 4. Запись кларнета и аккордеона

В конце записи был произведен стук в местах нахождения исполнителей. Затем, на сведении, сигнал главной пары и индивидуальных микрофонов был совмещен как без задержки, так и с различными ее вариантами. (Трек 1 содержит сигнал только главной пары, трек 2 – сигнал толь ко ближних микрофонов в балансе между собой).

Трек 1

Трек 2

На треке 3 сигналы смешаны в некоторой пропорции. Задержка отсутствует. Благодаря индивидуальным микрофонам, план инструментов приблизился, но сохранилась и общность от главной пары. Тембровых искажений в результате гребенчатой фильтрации незаметно.

Трек 3

Трек 4, компенсация применена – сигналы индивидуальных микрофонов максимально точно совмещены с сигналом главной пары. При этом соотношение уровней оставлено без изменений. При прослушивании сразу очевидно приближение инструментов по плану – как будто индивидуальные микрофоны были добавлены по уровню. При этом нет ощущения потери пространственного впечатления, звук как будто просто фокусируется и становится более отчетливым. Возникает желание изменить баланс главной и ближней пары, так как кажется, что ближнего сигнала много. Тембры в сравнении с треком 3 более глубокие и естественные – вероятно, сказывается преодоление эффекта гребенчатой фильтрации.

Трек 4

Теперь попробуем подвигать по времени выровненные относительно главной пары индивидуальные микрофоны.

Трек 5 – индивидуальные микрофоны сдвинуты еще на одну миллисекунду дальше от носительно главных. Но звуковая картина кардинально меняется! Происходит расширение базы, уменьшается заполнение центра, как будто стало больше противофазных составляющих. Отдаляется план инструментов, меняется тембр – пропадает глубина, подчеркивается высокая середина в звучании, а область 200…250 Гц проваливается. Итак, трек 5 – это пример воздействия эффекта гребенчатой фильтрации на звучание. Тембры здесь оказались искажены, изменение временнóго соотношения сигналов дало сильное изменение в звучании.

Трек 5

При дальнейшем передвижении индивидуальных микрофонов с интервалов в одну миллисекунду в первые 5…10 миллисекунд заметно довольно сильное изменение звучания при каждом шаге. Меняется общая тембровая окраска записи – пропадают или выделяются те или иные области частот, что хорошо иллюстрирует гребенчатую фильтрацию. План инструментов также немного меняется, соответственно немного варьируется и пространство.

По достижении задержки в десять миллисекунд начинается изменение звука в сторону отдаления плана и увеличения пространства. Эффект сходен с изменением параметра pre delay в приборах обработки. Увеличение его значения дает похожий результат – «раздвижение стен».

При задержке 25…30 мс уже отчетливо проявляется «двоение» – это то временнóе соотношение, когда наша слуховая система уже идентифицирует два отдельных и не сливающихся сигнала.

Трек 6

Трек 6 иллюстрирует дополнительную задержку 2 мс. Тембры изменились, но не так сильно, как при задержке в 1 мс. Изменилось и ощущение панорамы – она стала более узкой, кларнет сместился к центру, пространства стало чуть меньше.

Трек 7

Трек 7 – задержка 3 мс. Изменения звука схожи с изменениями при задержке в 1 мс, но здесь это смягчено и не так явно выражено. Не так сильно ухудшились тембры, не настолько явно проявляется противофаза.

Треки 8, 9, 10 – задержки 5, 10, 20 мс соответственно. Очевидно дальнейшее отдаление планов и обеднение тембров. При задержке 20 мс уже почти ощутимо раздвоение источников звука.

Трек 8

Трек 9

Трек 10

Еще один важный вопрос – изменение пиковых уровней. При сведении фрагментов в стереофайлы была замерена амплитуда получающихся фрагментов. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

Пример	Пиковый уровень (дБ)
Без задержки	-5,24
Точное выравнивание	-4,23
+1 мс	-5,96
+2 мс	-5,12
+5 мс	-7,03
+10 мс	-5,72
+20 мс	-5,58

С одной стороны, повышение пикового уровня при выравнивании приведет к общему повышению уровня фонограммы. Однако в результате выравнивания изменился баланс пар микрофонов, и возникло желание уменьшить уровень индивидуальных микрофонов – таким образом, повышение уровня будет отчасти скомпенсировано.

Теперь – о задержке, введенной при выравнивании сигналов микрофонов. Индивидуальные микрофоны были сдвинуты приблизительно на 6 мс (~2 метра, пройденных звуковой волной).

Итак, на примере этой первой записи стала очевидна польза компенсации задержки. Точно выровненный фрагмент звучит наиболее ясно и прозрачно, на втором месте – оригинальный вариант без задержки. Прежде всего, эта ясность обусловлена преодолением гребенчатой фильтрации – тембры звучат глубже и полноценней, проясняется общая картина – пропадает «туманность». При этом меняется баланс пар микрофонов, возрастает пиковый уровень.

Также заметны общие закономерности процессов, происходящих при дальнейшем изменении времени задержки – в целом ухудшение звучания в сравнении с оригинальным и точно совмещенным вариантом.

В следующих примерах проверим выводы и посмотрим, как компенсация задержки проявляет себя при других составах и расстановках микрофонов.

Вокал и рояль. Запись вокала не зря избрана в качестве одного из примеров. Человеческий голос – инструмент, звучание которого мы знаем лучше других (так как этот «инструмент» есть в каждом из нас), и поэтому сразу замечаем, если в нем что-то не так. Не зря различные приборы обработки чаще всего тестируются именно на примере вокала (рис. 5).

Рис. 5. Запись вокала и рояля (вид сверху)

Как видно из микрофонных карт ситуация аналогична предыдущему примеру – стояли главная пара и по паре индивидуальных микрофонов на вокал и на рояль.

Сразу хочу обратить внимание на особенность постановки главных микрофонов – они стояли выше, но не намного дальше индивидуальных. Здесь есть важное для нас отличие от постановки, когда главная пара стоит дальше и ниже. При постановке, как на рисунке, кратчайший путь достижения главной пары звуковой волной – напрямую наверх, как показано пунктирной линией.

В случае же когда микрофоны стоят в одной горизонтальной плоскости (или почти в одной), то кратчайший путь звука к главной паре лежит через микрофоны индивидуальной пары. Это не волновало бы нас, если бы не которые источники звука не имели свойство перемещаться во время записи (рис. 6).

Рис. 6. Запись вокала и рояля (вид сбоку)

Что же происходит при таком перемещении? Меняется временнóе соотношение между парами микрофонов. При данной постановке, когда микрофон находится выше оси излучения источника, при движении певицы по сцене расстояние до главной пары и индивидуальных микрофонов изменяется не одинаково.

В отношении индивидуальной пары расстояние меняется сильнее – так как источник движется вперед-назад относительно нее. Относительно же стоящей высоко главной пары расстояние меняется незначительно. Таким образом, фазовое соотношение пар микрофонов все время изменяется. И если в варианте без компенсации задержки это может, в зависимости от расстояний между микрофонами, не сильно отразиться на звуке, то при скомпенсированной задержке, как мы выяснили в предыдущем примере, даже изменение соотношения на 1 мс приводит к непредсказуемым результатам.

Остается добавить, что в нашем примере вокалистка была как раз довольно подвижной, поэтому можно проверить на практике верность предположений, изложенных выше.

Итак, на треке 11 записано отдельно звучание главной пары, на треке 12 – только индивидуальные микрофоны на вокал.

Трек 11

Трек 12

При эксперименте не использовались микрофоны рояля, так как рояль достаточно хорошо звучит на главных микрофонах.

Трек 13 – совместное звучание двух пар без применения компенсации задержки. Вокал приблизился, запись уже звучит приемлемо.

Трек 13

Трек 14 – индивидуальные микрофоны вокалистки совмещены с главной парой по методу «стука», как и в предыдущем примере. На мой взгляд, улучшился тембр вокалистки, он стал более естественным и наполненным. На треке 13 в сравнении с этим вариантом голос звучит как будто тоньше – сказывается вычитание низкой середины вследствие гребенчатой фильтрации. Благодаря этому голос лучше тембрально вписывается в фонограмму, сочетаясь с глубоким тембром рояля.

Трек 14

Но вместе с тем план голоса стал менее стабильным – вокалистка то приближается, то удаляется. В варианте без задержки это было не так явно, план был более-менее стабильным, здесь же каждое движение вокалистки ощущается гипертрофированно. Кроме того, на вдохах слышно изменение тембра в течение вдоха – эффект, немного напоминающий фленджер. Вероятно, эти особенности связаны с особенностью постановки микрофонов, о которой было сказано выше. По этому в данной ситуации звукорежиссеру предстоит выбор – улучшенный в целом тембр или нестабильность плана и тембра.

Трек 15

При дальнейшем увеличении задержки происходят явления, очень похожие на описанные в предыдущем примере. Трек 15 – здесь добавлена задержка 1 мс, заметно ухудшение тембра и фазовой совместимости записи.

Трек 16 – добавлено 2 мс задержки – звучит лучше, чем предыдущий вариант, но все равно не так прозрачно, как точно скомпенсированный.

Трек 16

Обратимся теперь к таблицам пиковых уровней (табл. 2, 3).

Таблица 2

Пример	Пиковый уровень (дБ)
Без задержки	-11,54
Точное совмещение	-13,30
+1мс	-11,52
+2мс	-12,45
+5мс	-11,15

Таблица 3

Пример	Пиковый уровень (дБ)
Без задержки	-4,99
Точное совмещение	-5,09
+1 мс	-5,55
+2 мс	-5,03
+5 мс	-5,64

Интересно, что в этом примере точно задержанный вариант не отмечен самым высоким пиковым уровнем, а, напротив, имеет самый низкий уровень. Возможно, это связано с тем, что при такой постановке главная пара не находится на основной оси направленности певицы. На главный микрофон попадают сферические, а не плоские волны, природа сигнала на ближней и главной паре оказывается различной, и, возможно, как раз с этим связано отсутствие увеличения уровня при сложении сигналов пар. Компенсированная задержка в этом примере составила около 5 мс.

Итак, пример подтвердил основные тезисы, кроме того, мы обнаружили проблему, которую надо иметь в виду при компенсации задержки – перемещение источника сигнала. В определенных ситуациях это может сыграть свою роль.

Рояль соло. Рояль – еще один инструмент, чрезвычайно чувствительный к фазовым искажениям. Малейшие недостатки тембра этого инструмента тут же становятся заметны, на записях рояля хорошо слышны все виды искажений.

Распространенная ситуация при записи рояля – звукорежиссер ставит две пары микрофонов, звучащих отлично по отдельности, но при смешивании тембр портится…

Обратимся к микрофонной карте (рис. 7).

Рис. 7. Запись сольного рояля

Ситуация вновь аналогична: две пары микрофонов, главная и индивидуальная. Вновь в конце записи рядом с индивидуальными микрофонами был произведен импульс, который использовался затем для экспериментов.

На треке 17 помещено звучание главной пары, на треке 18 – ближней пары. Трек 19 – обе пары совмещены. Рояль приблизился, при этом сохранилось и ощущение расстояния до инструмента.

Трек 17

Трек 18

Трек 19

Трек 20 – импульсы точно совмещены, задержка скомпенсирована. Картинка как будто сфокусировалась. Пропала мутность, рояль приблизился по плану, проявился глубокий нижний регистр. Вновь эффект гребенчатой фильтрации оказался преодолен. При этом вновь изменился баланс пар микрофонов – для достижения такого плана, как был, звукорежиссеру теперь надо уменьшить уровень индивидуальной пары. Но улучшенный тембр при этом будет сохранен.

Трек 20

При передвижении ближней пары с шагом в миллисекунду происходят изменения, схожие с тем, что было в предыдущих примерах, поэтому подробно описывать эти изменения здесь не будем.

Отметим лишь, что только точно совмещенный вариант имеет принципиальное отличие в лучшую сторону от остальных – более яс ный, прозрачный звук. На треках 21…23 представлены варианты +1 мс, +2 мс и +5 мс.

Трек 21

Трек 22

Трек 23

Измерение уровней в данном случае показывает незначительное отличие совмещенного варианта от оригинального. Также отметим величину скомпенсированной задержки. В данном случае она составила 4 мс.

Ударная установка. Ударная установка – это один из немногих инструментов в эстрадной звукозаписи, который практически постоянно записывается с использованием многомикрофонной техники. Количество микрофонов на ударные начинается с двух-трех и может достигать очень большого числа – звукорежиссер, помимо микрофона на каждый барабан, может ставить отдельные микрофоны на каждую тарелку, микрофоны overhead, одну или несколько пар микрофонов комнаты.

Также иногда к каждому барабану дополнительно подставляется по микрофону снизу, в некоторых случаях на большой барабан ставится по несколько микрофонов.

Учитывая, что все микрофоны находятся на небольших расстояниях друг от друга, а громкость звучания установки может быть очень высокой, становится ясно, что это инструмент, очень серьезно подверженный описанным выше искажениям. Отчасти именно с целью минимизировать такие сложения при записи установки широко применяются динамические микрофоны, набирающие меньше ненужного сигнала.

В качестве замены микрофонной карты, приведу здесь таблицу микрофонов (табл. 4), использовавшихся на исследуемой записи.

Таблица 4. Микрофоны, использованные при записи демотреков ударных

Инструмент	Микрофон
Bass drum	AKG D-112
Snare drum	Shure SM57
Hi-Hat	Neumann KM-184
Alt Tom 1	Audix D2
Alt Tom 2	Audix D2
Floor Tom	Audix D4
Overhead	Neumann KM-184
Rooм	Neumann TLM-103

Как видно, стояло десять микрофонов, из которых ровно половина динамические. Так же в этой расстановке есть две пары конденсаторных микрофонов – микрофоны overhead и микрофоны комнаты (Room). Через эти микрофоны ударная установка звучит целиком, поэтому интересно узнать, как их смешивание с индивидуальными микрофонами повлияет на звук и к чему приведет компенсация задержки между индивидуальными микрофонами и микрофонами room/overhead.

Отметим также важное отличие от предыдщих примеров – расстояния между микрофонами. Здесь они меньше, чем между микрофонами в предыдущих записях. По этому исследовать влияние компенсации задержки тем более интересно.

Особое внимание обратите на звучание малого барабана, так как этот инструмент всегда очень важен, и его прозрачное, полноценное звучание является неотъемлемым компонентом хорошей записи.

Отмечу также, что для получения представления о конечном звучании примеры даны с применением частотных и динамических обработок, использованных при сведении песни. Пространственные же обработки, в целях большей ясности эксперимента, были отключены.

Итак: трек 24 – сигнал только малого барабана, трек 25 – микрофоны overhead, трек 26 – микрофоны room. Трек 27 – смешаны сигналы большого и малого барабанов, overhead и room – так, как это было сделано при сведении. Несмотря на то, что индивидуальные микрофоны придают конкретность малому и большому барабанам, а overhead и комнаты дают пространство и компактность установке, все же ощущается размытость малого барабана и тарелок, недостаточная близость плана малого барабана. При этом пространственность для такой музыки подходящая и не хочется, чтобы в результате компенсации она была потеряна.

Трек 24

Трек 25

Трек 26

Трек 27

Трек 28 – сигналы с overhead и room сдвинуты точно под удар малого барабана. В данном случае не потребовалось специального удара после записи – сам удар по малому барабану является достаточно пиковым звуком, чтобы сыграть роль референсного при выставлении задержки.

Трек 28

Что изменилось в звуке? Малый барабан попал в фокус – вышел на первый план, при этом ушел лишний отзвук, который замутнял его тембр, а сам тембр приобрел глубину, которая в первом варианте пропадала, видимо, из-за фазовых сложений. Обратим также внимание на звучание тарелок, в том числе ride, – оно стало более прозрачным и высоким, ярче слышен момент удара по тарелке. В целом звуковая картин ка претерпела очень серьезные изменения – стала более собранной, сохранив при этом пространственность, которую дает комната. В результате компенсации даже приглушился некий призвук малого барабана, который отчетливо слышен на первоначальном варианте.

Посмотрим, что про исходит при отодвигании по времени микрофонов overhead и room.

Трек 29: добавлена задержка +1 мс, и малый барабан стал не таким отчетливым, но в остальном звучание приемлемо.

Трек 29

Трек 30: +2 мс – еще большее размытие малого барабана, появляется отзвук-«хвост».

Трек 30

Трек 31: +5 мс – увеличивается пространственное впечатление, малый барабан довольно сильно отдалился.

Трек 31

Трек 32: +10 мс – уже почти отчетливо ощущается двоение малого барабана. С дальнейшим увеличением задержки малый барабан все яснее «раздваивается».

Трек 32

Мне кажется, не большая задержка в пределах 5…7 мс здесь может быть творчески использована звукорежиссером как средство для увеличения пространства, если четкость малого барабана не так уж важна.

Скомпенсированная задержка для этого примера составила ~2 мс для микрофонов overhead и ~9 мс для микрофонов room.

Теперь обратимся к таблице уровней (табл. 5).

Таблица 5

Пример	Пиковый уровень (дБ)
Без задержки	-1,40
Точное  совмещение	-0,65
+1 мс	-1,69
+2 мс	-2,05
+5 мс	-2,02
+10 мс	-1,55

Результаты измерений вполне предсказуемы и логичны. Во многих эстрадных фонограммах большой и малый барабаны являются инструментами, формирующими пиковый уровень. Здесь же компенсацией задержки мы подчеркнули этот пик, что вызвало повышение уровня на величину в районе 1 дБ.

Итак, пример ударной установки отчетливо показал действие компенсации задержки. В результате этой операции был преодолен эффект гребенчатой фильтрации при сохранении пространства, кардинально улучшилось общее звучание фонограммы.

В случае ударной установки стоит отметить еще один вариант использования компенсации задержки – когда используется два (или более) микрофона на большой барабан.

При сложении таких сигналов очень часто страдает нижняя часть спектра большого барабана, по этому звукорежиссеры в таких ситуациях часто «пододвигают» сигналы друг под друга, чтобы получить максимальную сфазированность.

(Окончание следует…)