PETELIN.RU | Статьи | Знал ли Пушкин о реверберации?
реверберация,ревер,reverb
PETELIN.RU > Статьи > Знал ли Пушкин о реверберации?

Уроки музыки на компьютере

Урок 17.
Знал ли Пушкин о реверберации?

Юрий Петелин

Однажды я задался вопросом о том, всегда ли люди замечали звуковые эффекты, которые, в принципе, вечно существуют в реальных природных условиях. Сомнения здесь вполне уместны. Это сейчас в эпоху электронной музыки ее создатели утрируют эффекты, применяют их "в лошадиной дозе", и электронные СМИ информируют о них слушателей и зрителей. А в естественной обстановке звуковые эффекты не встречаются столь часто и не бывают столь подчеркнутыми. У людей предыдущих поколений не было соответствующего слухового опыта. Возможно, они не замечали эффектов, попросту не обращали на них внимания, потому что не знали и не думали о них. Но как проникнуть в акустический мир тех веков, когда звук еще не умели записывать? А не попробовать ли сделать это, анализируя литературное наследие гениев прошлых эпох? Например, Александра Сергеевича Пушкина…

Тексты произведений Пушкина - подобие фонограмм, дошедших к нам из времен, когда методы регистрации звука еще не были изобретены. Причем, это лучшие образцы "звукозаписи" тех времен. Конечно, для серьезного исследования всех стихов, поэм, сказок, повестей и романов Пушкина потребовалось бы очень много времени и специально разработанные методики, которые бы позволили получить количественные оценки. Я же ограничился качественным, можно сказать, эмоциональным подходом и проанализировал только наиболее крупные стихотворные творения Пушкина. И что получается? Все ситуации, где в его произведениях могла бы присутствовать реверберация или хотя бы эхо, Пушкин описывает словами, в которых нет и намека на подобные звуковые эффекты: выстрел на дуэли Ленского и Онегина совершенно не впечатляет: "Онегин выстрелил… Пробили __Часы урочные: поэт __ Роняет молча пистолет, __ На грудь кладет тихонько руку…". Черномор в сопровождении свиты входит в чертог к плененной Людмиле, вот уж где все должно реверберировать, гудеть - и не гудит: "Безмолвно, гордо выступая, __ Нагими саблями сверкая, __ Арапов длинный ряд идет…". Получается, что даже гениальный Пушкин не знал о звуковых эффектах? Знал. И в конце статьи я приведу доказательство этому. А сейчас отложим в сторону "дела давно минувших дней, преданья старины глубокой" и вернемся в век компьютерный к теме статьи, к реверберации.

В наши дни реверберация (Reverb) относится к наиболее интересным и популярным звуковым эффектам. Сущность реверберации состоит в том, что исходный звуковой сигнал смешивается со своими копиями, задержанными относительно него на различные временные интервалы. Этим реверберация напоминает дилэй (см. "Магия ПК", №1/2003). Отличие заключается в том, что при реверберации число задержанных копий сигнала может быть значительно больше, чем для дилэя. Кроме того, при реверберации, чем больше время запаздывания копии сигнала, тем меньше ее амплитуда (громкость). Впечатление от эффекта зависит от того, каковы временные промежутки между копиями сигналов и какова скорость уменьшения уровней их громкости. Если промежутки между копиями малы, то получается собственно эффект реверберации. Возникает ощущение объемного гулкого помещения. Звуки музыкальных инструментов становятся сочными, объемными с богатым тембровым составом. Голоса певцов приобретают напевность, некоторые недостатки, присущие им, становятся менее заметными.

Если промежутки межу копиями велики (более 100 мс), то правильнее говорить не об эффекте реверберации, а об эффекте "эхо". Интервалы между соответствующими звуками при этом становятся различимыми. Звуки перестают сливаться, кажутся отражениями от удаленных преград.

Пусть, например, первичный аудиосигнал, излученный акустической системой, представляет собой короткий импульс, а сама акустическая система расположена на сцене. Первым ушей слушателя, сидящего в зале, достигает прямой звук. Этот сигнал приходит к слушателю по кратчайшему пути, поэтому интенсивность его больше, чем интенсивности других сигналов. Прямой сигнал несет информацию только о расположении источника звука справа или слева от слушателя.

Несколько отстав от прямого сигнала, к слушателю приходят ранние (первичные) отражения. Эта составляющая звукового поля претерпевает одно-два отражения от ограждающих поверхностей (стен, пола, потолка). Взаимодействуя с ограждающими поверхностями, звуковая волна не только отражается от них, но и отдает им часть своей энергии. Энергия расходуется на нагрев поверхностей. Поэтому интенсивность ранних отражений меньше (но не на много) интенсивности прямого сигнала. Ранние отражения проявляются как ясно различимые эхо-сигналы. Временные промежутки между ними достаточно велики, т. к. велики разности длин путей, по которым сигналы доходят до слушателя. Например, волна может отразиться от боковой или от тыльной стены. Возможно, что часть волн, относящихся к ранним отражениям, испытают не одно, а несколько отражений. Ранние отражения содержат в себе информацию не только о месте расположения исполнителя, но и о размерах помещения. Именно ранние отражения вносят наибольший вклад в пространственное ощущение акустики зала. К ранним отражениям относят те копии первичного сигнала, которые отстают от прямого сигала не более чем на 60 мс.

Вторичные и последующие (поздние) отражения - это звуковые волны, многократно отраженные от каждой из поверхностей. По мере увеличения числа переотражений их интенсивность заметно уменьшается. Кроме того, изменяется спектральный состав звуковых колебаний. Дело в том, что из-за различий в конфигурации отражающих поверхностей и в свойствах материалов покрытий разные спектральные составляющие аудиосигнала отражаются не одинаково. Какие-то из них поглощаются сильнее, поэтому затухают быстрее.

По мере возрастания номеров вторичных отражений они рассеиваются, их число увеличивается. Постепенно они перестают восприниматься как отдельные звуки, сливаются в один сплошной постепенно затухающий отзвук. Это и есть собственно реверберация.

Теоретически затухание звука длится бесконечно. На практике для того, чтобы можно было сравнивать между собой различные реверберационные процессы (а главное реверберационные свойства помещений), введено понятие времени реверберации. Время реверберации - это такое время, за которое уровень реверберирующего сигнала уменьшается на 60 дБ.

Основным элементом, реализующим эффект реверберации, является устройство, создающее эхо-сигнал. Интересна история развития таких устройств.

Наряду с эхо-камерами, об одной из которых я рассказал в "Магии ПК" №11/2002, для имитации реверберации использовали стальные пластины, точнее довольно-таки большие по размеру листы. Колебания в них вводили и снимали с помощью устройств, по конструкции и принципу действия похожих на электромагнитные головные телефоны. Для получения удовлетворительной равномерности амплитудно-частотной характеристики толщина листа должна быть выдержана с точностью, которую не позволяют достичь обычные технологии проката стали. Реверберация здесь не трехмерная, а плоская. Сигнал имеет характерный металлический призвук.

В середине 60-х годов для получения эффекта реверберации стали применять пружинные ревербераторы. С помощью электромагнитного преобразователя, соединенного с одним из концов пружины в ней возбуждаются механические колебания, которые с задержкой достигают второго конца пружины, связанного с датчиком. Эффект повторения звука обусловлен многократным отражением волн механических колебаний от концов пружины. Качество звука в пружинном ревербераторе чрезвычайно низкое. Пружина воспринимает любые колебания воздуха и пола, между акустической системой и пружиной существует практически неустранимая обратная связь, звук имеет ярко выраженную "металлическую" окраску. Время реверберации не регулируется.

На смену этим несовершенным устройствам пришли ревербераторы магнитофонные (см. "Магию ПК" №1/2003). Принцип формирования эхо-сигнала в магнитофонных ревербераторах состоит в том, что исходный сигнал записывается на ленту записывающей магнитной головкой, а через время, необходимое для перемещения данной точки ленты к воспроизводящей головке, считывается ею. Через цепь обратной связи уменьшенный по амплитуде задержанный сигнал вновь подается на запись, что и создает эффект многократного отражения звука с постепенным затуханием. Качество звука определяется параметрами магнитофона. Недостаток магнитофонного ревербератора заключается в том, что при приемлемых скоростях протяжки ленты удается получить только эффект эха. Для получения собственно реверберации требуется либо еще сильнее сблизить магнитные головки (чего не позволяет сделать их конструкция), либо значительно увеличить скорость движения ленты.

С развитием цифровой техники и появлением интегральных микросхем, содержащих в одном корпусе сотни и тысячи цифровых элементов задержки, появилась возможность создавать высококачественные цифровые ревербераторы. В таких устройствах сигнал может быть задержан на любое время, необходимое как для получения реверберации, так и для получения эха. Ревербератор отличается от цифрового устройства, реализующего классический дилэй, только тем, что содержит обратную связь (feedback), необходимую для формирования затухающих повторений сигнала. Такие ревербераторы широко используются сейчас музыкантами и звукорежиссерами.
Цепь обратной связи отсылает часть сигнала с выхода обратно в линию задержки, тем самым получается повторяющееся эхо. Коэффициент обратной связи должен быть меньше единицы, иначе каждое новое эхо будет возрастать по уровню, а не затухать. Может получиться эффект подобный самовозбуждению акустической системы.

В некоторых виртуальных ревербераторах предусмотрен модулятор фазы. Его действие проявляется в том, что при коротком времени затухания возникает едва заметное изменение тона.

Во многих программах, предназначенных для синтеза голосов новых музыкальных инструментов, смоделирован и эффект реверберации, как бы реализуемый с помощью того самого стального листа.

Наблюдая такое развитие средств реверберации, можно предположить, что когда-нибудь появятся и математические модели пружинных и магнитофонных ревербераторов. Ведь совсем не исключено, что есть люди, испытывающие ностальгические чувства по отношению к звукам музыки, окрашенным дребезгом пружин или шипением магнитной ленты.

Реверберация в Cool Edit Pro 2

В звуковом редакторе Cool Edit Pro 2 имеется несколько вариантов ревербераторов. Я остановлюсь только на самом интересном из них, в котором реализована виртуальная эхо-камера. Универсальная реверберация Full Reverb используется в Cool Edit Pro 2 для того, чтобы в деталях моделировать акустическое пространство. Эффект обладает некоторыми уникальными возможностями:

  • Реалистичное моделирование сигналов ранних отражений;
  • Изменение размеров и акустических свойств имитируемого помещения;
  • Моделирование любого материала отражающей поверхности;
  • Изменение поглощающих свойств пространства внутри помещения;
  • Коррекция частотного спектра сигнала реверберации с использованием трехполосного параметрического эквалайзера.

Командой Effects > Delay Effects > Full Reverb… открывается окно эффекта Full Reverb, содержащее три вкладки: General Reverb (рис. 1), Early Reflections (рис. 2) и Coloration (рис. 3).


Рис. 1. Вкладка General Reverb окна эффекта Full Reverb

Сначала рассмотрим элементы окна эффекта, общие для всех вкладок.

В группе Mixing Section имеются следующие элементы, которые регулируют:

  • Original Signal (dry) - уровень необработанного сигнала;
  • Early Reflections - уровень ранних отражений;
  • Reverb (wet) - уровень сигнала, обработанного эффектом.

Опция Include Direct - сдвиг фаз звуковых колебаний в левом и правом каналах в целях согласования направлений прихода ранних отражений сигнала с положением источников звука на стереопанораме.

Флажок Combine Source Left and Right - объединение левого и правого каналов источника звука перед обработкой эффектом с целью сокращения времени вычислений. Стереообраз источника звука при этом разрушается. Флажок Bypass - отключение эффекта (передача сигнала в обход него).

В списке Preset содержатся имена, под которыми в программе сохранены заранее созданные схемы эффекта (пресеты). Здесь же можно сохранить и наиболее удачные сочетания параметров эффекта, найденные лично вами. Нажав кнопку Add, вы откроете окно диалога, в котором следует указать имя нового пресета. Для удаления выделенного имени пресета из списка следует нажать кнопку Del.

Кроме неизменной части, окно эффекта содержит три переключаемые вкладки: General Reverb, Early Reflections и Coloration. Рассмотрим их.

На вкладке General Reverb (рис. 1) имеются элементы регулировки основных параметров реверберации:

  • Total Length - общее время реверберации;
  • Attack Time - время достижения максимального уровня эффекта;
  • Diffusion - величина, характеризующая поглощающие свойства среды распространения звука;
  • Perception - параметр восприятия реверберации: от размытого звука, характерного для его отражения от большого числа близкорасположенных препятствий, до ясно различимого многократного эха;
  • Set Reverb based on Early Reflection Room Size - автоматическое согласование общих параметров реверберации с параметрами ранних отражений, помещения и среды распространения.

Вкладка Early Reflections представлена на рис. 2.


Рис. 2. Вкладка Early Reflections окна эффекта Full Reverb

Перечислю параметры, устанавливаемые на вкладке Early Reflections:

  • Room Size - объем помещения в кубических метрах;
  • Dimension - отношение ширины помещения к длине;
  • Left/Right Location - точка локализации источника звука на стереопанораме;
  • High Pass Cutoff - частота среза фильтра, пропускающего высокие частоты.

Вкладка Coloration представлена на рис. 3.


Рис. 3. Вкладка Coloration окна эффекта Full Reverb

График на вкладке Coloration - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра, через который пропускается сигнал реверберации. По горизонтальной оси отложены значения частоты, по вертикальной - значения АЧХ в децибелах. По сути дела, фильтр представляет собой трехполосный параметрический эквалайзер (см. "Магия ПК" №10/2002). Для редактирования формы графика вы можете использовать следующие регуляторы и опции:

  • Low Shelf - частота среза фильтра, управляющего прохождением низкочастотных спектральных составляющих;
  • Mid Band - центральная частота (частота резонанса) полосового фильтра;
  • High Shelf - частота среза фильтра, управляющего прохождением высокочастотных спектральных составляющих;
  • Три расположенные вертикально регулятора, которые находятся правее графика, - регуляторы уровня усиления/ослабления сигнала каждым их трех фильтров параметрического эквалайзера;
  • Q - добротность полосового фильтра; чем больше эта величина, тем острее резонансный пик у полосового фильтра (тем уже его полоса пропускания);
  • ms - время реверберации высокочастотных составляющих сигнала (чем меньше эта величина по сравнению с общим временем реверберации, тем быстрее в обработанном сигнале затухнут высокочастотные составляющие).

Как видите, этот непростой в обращении эффект позволяет воссоздавать реверберационные свойства самых различных помещений и сред распространения звука. Пройдет немного времени, и вы научитесь управляться с многочисленными регуляторами параметров эффекта. А для начала не плохо было бы познакомиться с теми наработками ваших предшественников, которые распространяются с программой в виде пресетов. Здесь вы найдете несколько вариантов концертного зала, мрачное подземелье, туннель, каньон, арену цирка, стадион. Интересно, что в одном из пресетов сохранены комбинации установок регуляторов, позволяющие изобразить звук под водой. И хотя законы физики утверждают, что в космическом пространстве звук не распространяется, для Cool Edit Pro 2 законы не писаны. По мнению авторов разработки космос буквально гудит, сотрясаясь всеми своими сферами.

Реверберация в SONAR 2

Программа SONAR 2 не является исключением: в ней тоже есть реверберация, и тоже не в единственном числе. Разработчики, как правило, не склонны удалять из новых версий программ старые версии эффектов. А вдруг пользователи со стажем обидятся! Поэтому со временем накапливается "всякой твари по паре", а то и по тройке. В SONAR 2 и в самом деле есть целых три реверберации: Reverb(Mono) - монофоническая, доставшаяся в наследство от ранних версий Cakewalk Pro Audio, Reverb - более новая стереофоническая и FxReverb - новейшая, поддерживающая динамическое управление параметрами с помощью автоматизации.

Команда Process > Audio Effects > Cakewalk > Reverb… вызывает окно диалога Reverb, вкладка Settings которого изображена на рис. 4.


Рис. 4. Вкладка Settings окна диалога эффекта Reverb

В окне Reverb можно задать значения параметров, от которых зависит впечатление, производимое эффектом.
Dry Mix (%) и Wet Mix (%) - регуляторы пропорции микширования исходного и обработанного аудиосигналов. Decay(s) - регулятор времени реверберации.

LP Filter и HP Filter - регуляторы, с помощью которых изменяют частоту среза фильтров низких и высоких частот. Подключение фильтров осуществляется соответствующими кнопками Active. С помощью этих фильтров можно изменить форму амплитудно-частотной характеристики виртуального ревербератора и тем самым имитировать свойства помещения, влияющие на степень отражения и поглощения различных частотных составляющих спектра звукового сигнала.

Sparse echo, Dense echo, No echo - переключатели, определяющие наличие и характер ранних отражений. Если активен переключатель Sparse echo, то ранние отражения будут относительно "редкими". Такие отражения обычно возникают в большом помещении с небольшим количеством отражающих поверхностей. Переключатель Dense echo предназначен для создания "плотного эха", характерного для помещений с большим количеством отражающих звук предметов. Переключатель No echo отключает ранние отражения сигнала.

С помощью выключателя Bypass можно сравнить звучание фрагмента композиции до и после обработки (если он активен, эффект выключен).

Следующий эффект, о котором я хочу рассказать, называется FxReverb. Команда Process > Audio Effects > Cakewalk > FxReverb… вызывает окно диалога FxReverb, вкладка Settings которого изображена на рис. 5. Напомню, что в SONAR 2 в окне каждого эффекта есть и еще одна вкладка (одинаковая для всех эффектов), предназначенная для выбора опций пересчета аудиоданных на треке в процессе применения эффекта.


Рис. 5. Вкладка Settings окна диалога эффекта FxReverb

Окно диалога FxReverb заметно отличается от окон остальных эффектов серии DSP-FX. Из числа интуитивно понятных элементов вы увидите здесь только:

  • Слайдер и поле ввода группы MIX, предназначенные для регулирования пропорции между уровнями исходного и обработанного эффектом сигналов в выходном миксе;
  • Слайдер и поле ввода группы LEVEL, обеспечивающие регулирование уровня выходного сигнала;
  • Кнопку Bypass, позволяющую направить сигнал в обход эффекта.

Набор элементов для управления параметрами реверберации включает в себя слайдеры и поля ввода групп:

  • ROOM SIZE - регулировки размера того помещения, реверберационные свойства которого имитирует эффект;
  • DECAY TIME - время реверберации, фактически - глубина обратной связи; чем больше коэффициент передачи виртуальной цепи обратной связи, через которую задержанный сигнал возвращается на вход эффекта, тем дольше протекает процесс распада реверберирующего сигнала;
  • HIGH f ROLLOFF - граничная частота фильтра на входе эффекта; спектральные составляющие исходного сигнала, лежащие выше данной частоты, подавляются фильтром и не обрабатываются эффектом;
  • HIGH f DECAY - граничная частота фильтра в цепи обратной связи; спектральные составляющие обработанного сигнала, лежащие выше данной частоты, подавляются фильтром и не возвращаются на вход эффекта;
  • DENSITY - плотность ранних отражений;
  • PRE DELAY - предварительная задержка, определяющая интервал времени между появлением звука и возникновением эхо-сигнала;
  • MOTION RATE - частота модуляции, имитирующей движение источника и приемника звука относительно друг друга и отражающих звук поверхностей;
  • MOTION DEPTH - глубина модуляции.

Разработчики эффекта обращают наше внимание на то, что реализующие его алгоритмы основаны на 32-битной арифметике с плавающей точкой. Это обеспечивает высокое качество звука и минимальный уровень искажений, связанных с накоплением погрешности в процессе вычислений.

Реверберация в Cubase SX

В мощной профессиональной виртуальной студии Cubase SX средства для создания реверберации не могут отсутствовать по определению. И, действительно, плагинов, реализующих реверберацию, здесь несколько. Остановлюсь только на одном. Он называется Reverb A и отличается наглядным интерфейсом, в котором ничего не стоит разобраться даже начинающему компьютерному музыканту.


Рис. 6. Окно плагина Reverb A программы Cubase SX

Слайдером PREDELAY регулируется время запаздывания начала реверберационного процесса по отношению к породившему его звуку. Слайдер ROOMSIZE предназначен для пропорционального изменения размеров виртуального помещения. Слайдером REVERBTIME регулируется время реверберации. Самое интересное заключается в том, что все изменения любого из этих трех параметров сразу же отображаются на соответствующих картинках: звуковой импульс отдаляется от динамика или приближается к нему, "кубик" изменяется в размерах, вытягивается или "поджимается" реверберационный хвост.

Кроме того, в окне, конечно, имеются элементы управления частотой среза фильтров (группа FILTER, ручки и поля ввода High Cut и Low Cut) и регулятор Mix микширования исходного (Dry) и обработанного эффектом (Wet) аудиосигналов.

Разработчики предусмотрели несколько пресетов со стандартным набором типов реверберации. Параметры эффекта можно сохранить в файле и загрузить из него. Важно, что с помощью кнопок R и W можно организовать запись в реальном времени и последующее воспроизведение всех ваших операций с регуляторами.

Жаль, что во времена Александра Сергеевича ничего подобного не было. Представляете, какие слова он смог бы найти, для того, чтобы описать и этот объемный звуковой мир, и людей, населяющих его!

И все-таки, знал или не знал Пушкин о звуковых эффектах? Знал, но, похоже, они не были существенными составляющими его восприятия окружающего мира, поэтому он редко описывал их в своих произведениях. Хотя у Пушкина есть стихотворение, главным героем которого является…эхо:

"Ревет ли зверь в лесу глухом,
Трубит ли рог, гремит ли гром,
Поет ли дева за холмом -
На всякий звук
Свой отклик в воздухе пустом
Родишь ты вдруг…"

Когда я впервые прочитал эти строки, то подумал, что уличил Пушкина в незнании законов физики: разве может возникнуть эхо "в воздухе пустом". Ведь для его существования необходимо наличие отражающих преград. Но позже оказалось, что гений прав: в "Занимательной физике" Я. И. Перельмана мне встретилась целая статья, посвященная так называемым звуковым облакам - участкам внешне абсолютно прозрачного воздуха, которые заставляют звук отражаться, порождая "эхо от воздуха".

Подробности о работе с различными музыкальными программами вы можете найти в наших книгах.