Фаза звуковой волны
Для описания относительных временных свойств двух звуковых волн (или разных частей одной волны) вводится понятие фазы звуковой волны.
На первом графике показаны две волны, которые полностью совпадают друг с другом. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе или «софазны».
На третьем графике в том месте, где у одной волны находится область высокой плотности, у другой — область низкой плотности. В этом случае говорят, что волны находятся в противофазе.
При этом, если волны одинаковые, происходит их взаимное уничтожение.
Средний график показывает некое промежуточное положение. В этом случае говорят, что фаза одной волны сдвинута относительно другой.
При обработке звука, фазовые искажения являются одним из ее важнейших инструментов.
Механизм пространственной локализации звука
Использование понятия фазы помогает понять механизм определения пространственного положения источника звука.
Установлено, что мозг реагирует не столько на относительную громкость, регистрируемую каждым ухом, сколько на фазу волны. По изменению фаз мы можем судить и о перемещении источника звука.
Если один и тот же сигнал подать одновременно в левое и правое ухо с разной громкостью, то мы услышим звук со стороны того уха, где он звучит громче. Этим приемом часто пользуются при панорамировании.
Теперь проведем эксперимент с фазой. Создадим в редакторе дорожку со звуком и продублируем ее. Первую спанорамируем влево, вторую — вправо, а громкость сделаем одинаковой. При воспроизведении мы услышим звук точно по центру. Так и должно быть.
А теперь во вторую дорожку введем очень короткую задержку. Для этого можно подвинуть объект вправо или воспользоваться специальным ползунком или полем для ввода чисел, который есть в некоторых редакторах. Пусть это будет 3 мс, 1 мс или даже меньше. Что произошло? Звук переместился влево!
Слуховая система определяет направление на источник звука не только по громкости. Если объект находится слева от нас, то до левого уха звук проходит меньшее расстояние, чем до правого. Значит, левое ухо этот звук услышит раньше, чем правое. И пусть вас не смущает то, что величина этой задержки ничтожно мала, нашей слуховой системе ее вполне хватает, чтобы правильно сориентироваться.
Как это происходит? Сигнал из левого и правого уха попадает в подсознание. Если упростить, то подсознание делает следующее: «ага, в левом и правом ухе звуки очень похожие, значит, это один и тот же звук; но в левое ухо звук пришел немного раньше, поэтому источник этого звука находится слева». В результате такой работы мы получаем информацию: слева что-то звучит.
Максимальная разница во времени прихода звука возникает тогда, когда источник звука находится точно слева или справа от нас. В этом случае звук, чтобы попасть во второе ухо, должен пройти расстояние, равное полукругу головы, в среднем это 26 см. Звук преодолевает этот путь примерно за 0,7 миллисекунды. Еще раз: максимальное время запаздывания между одним и другим ухом составляет всего 0,7 миллисекунды.
Если источник звука находится перед нами, но смещен с оси симметрии, то задержка будет гораздо меньше. Мы оперируем значениями в десятые и сотые доли миллисекунд.
Эквалайзеры и фазы
Эквалайзер является базовым инструментом при обработке звука. Им пользуются все продюсеры, но не каждый знает, как именно он работает и почему существуют мифы про него.
Мы не будем сегодня говорить, как «нужно» эквализировать, потому что исключительно правильной методики для этого нет. Если звучит красиво и вам нравится, значит, всё сделано правильно. Будет рассматриваться лишь техническая составляющая эквалайзера, а также пара интересных нюансов при эквализации.
Что такое фаза
В различных материалах часто упоминают, что при «излишней» эквализации портится фаза звука, но мало кто говорит, почему так происходит и какие у этого последствия. Для начала выясним, что такое фаза.
Согласно ресурсу wikisound, фаза — это положение звуковой волны относительно нулевой амплитуды в определённый момент времени.
Как эквалайзер работает со звуком
Для того, чтобы изменять звук, эквалайзеру приходится подмешивать копию входного сигнала с задержкой / опережением фазы, которая зависит от изменяемой вами частоты и уровня дБ*. Именно поэтому громкость изменяется.
Говоря простым языком, эквалайзер меняет фазу для того, чтобы влиять на громкость (АЧХ).
Обычно внутри плагина изменения фазы не отображаются, но во встроенном в REAPER эквалайзере мы можем видеть, что на самом деле происходит.
Чтобы продемонстрировать изменение фаз, мы взяли синус на частоте 130гц (белая точка) и применили к нему эквализацию с картинки ниже. Стоит точка на частоте 1240гц с усилением 20дБ. Как можно видеть по оранжевой полоске, фаза воспроизводится с видимым опережением, при этом громкость изменилась незначительно.
Изменения фазы показываются оранжевой полоской
Плохо ли то, что фаза в принципе изменяется? Нет. Более того, вы это очень вряд ли услышите, только при внушительных изменениях. На картинке снизу наглядно показано, как эквалайзер повлиял на фазу и начало нашего синуса.
Сигнал с эквализацией находится сверху. Снизу оригинал.
Обстоятельство, при котором точно стоит обратить внимание на фазовые изменения — фильтры High Cut и Low Cut.
Срез на 300гц с добротностью* 12дБ/о
Чем ниже частота, тем ниже добротность* (далее — Q) фильтра стоит выбирать в связи с пост-звоном, и тем, какое количество фазовой информации этот фильтр затрагивает. Однако это не касается сигнала, которого не слышно. На сверх низких частотах, ~10гц и ниже, можно спокойно делать очень резкие срезы — это ни на что не повлияет.
Звон* эквалайзера
Если вы выберете высокое значение Q на эквалайзере и будете обрабатывать им сигнал, то услышите характерный призвук. Это называется пост-звон. Возьмём небольшой отрезок из нашего синуса выше и применим к нему brickwall фильтр на частоте 80гц.
Кусочек синуса
На бесплатном анализаторе s(M)exoscope он выглядит следующим образом:
Кусочек синуса без обработки
Применяем эквалайзер и видим эффект пост-звона:
Высокая добротность фильтра Low Cut
Чем сильнее срез, тем больше пост-звона вы получите. При обычной эквализации его не слышно, потому что он настолько незначительный, что перекрывается обрабатываемым сигналом.
Как сохранить фазу эквализируемого сигнала
Для того чтобы максимально сохранить фазу сигнала и «естество» звука, следует использовать мягкие штрихи, брать shelf-фильтры вместо обрезных там, где это возможно, ослаблять «ненужные» частоты (потому что при уменьшении громкости, искажений/звона меньше).
Если вы сделаете визуально одинаковую эквализацию разными фильтрами, например shelf-ом замените обрез — это ничего не изменит. Суть именно в том, чтобы работать более аккуратно с частотами и громкостью
Пример обычного увеличения громкости:
Пример ослабления частот вместо усиления:
Shelf-фильтр вместо обрезного:
Также стоит упомянуть, что без необходимости/желания вырезать нижние частоты на звуках, где он не создаёт проблем, нет смысла. Shelf-фильтра на -30дБ как на скрине выше будет более, чем достаточно. Вырезать что-то стоит тогда, когда ничего не спасает.
Линейно фазовый эквалайзер
В какой-то момент был придуман алгоритм, который призван решить проблемы, вносимые обычным эквалайзером, его назвали линейно* фазовым.
Работает он по следующему принципу:
Сигнал эквализируется как обычно, но затем компенсирует задержки фаз в обе стороны. Это добавляет значительное отставание звука и требует намного больше ресурсов для вычислений, чем обычный эквалайзер, поэтому использовать его, например, во время живых выступлений не получится.
Касательно задержек*, современные DAW вовсю компенсируют их автоматически. Например, на форуме Image-Line сказано , что FL Studio с версии 20.7 способна делать это автоматически. Также на это способен уже упомянутый в статье REAPER . В Ableton Live есть ручной режим компенсации задержек, не известно, работает ли это автоматически. Особенно сильно жаловались пользователи Studio One, не первый год жалующиеся на то, что разработчики с этим ничего не делают.
Звон в линейном эквалайзере
Пост-звон в линейном эквалайзере никуда не делся, а также за счёт всех компенсаций задержек он дублируется в начало сигнала и воспроизводится раньше, чем наш звук. Явление назвали пред-звон*.
На этой страничке мы нашли отличный тест пред-звона в режиме линейного эквалайзера, и прикладываем его к тексту, чтобы показать зависимость от параметров в нашей статье
Был взят square* импульс длиной 20мс, потому что на нём чётко видно, как съедается транзиент* сигнала из-за пред-звона.
Влияние усиления и ослабления громкости на пред-звон
Была зафиксирована постоянная Q*=1, для демонстрации, что усиление производит более заметный звон, чем срез.
Пиковый* эквалайзер с усилением 20 дБ:
peaking-boost-400hz-20db-q1
Пиковый эквалайзер с усилением 10 дБ:
peaking-boost-400hz-10db-q1
Пиковый эквалайзер с усилением -20 дБ:
peaking-cut-400hz-20db-q1
Пиковый эквалайзер с усилением -10 дБ:
peaking-cut-400hz-10db-q1
Влияние частоты на пред-звон
При усилении 15 дБ и Q=1 произведён тест, показавший, что более низкие частоты производят более заметный звон.
Пиковый эквалайзер на частоте 100 Гц:
Пиковый эквалайзер на частоте 500 Гц:
Пиковый эквалайзер на частоте 2500 Гц:
Влияние Q на пред-звон
При усилении в 15дБ и постоянной частоте 200гц демонстрируется, что более высокие значения Q делают звон более заметным.
Пиковый эквалайзер с Q=5:
Пиковый эквалайзер с Q=1:
Пиковый эквалайзер с Q 0,2:
Взаимосвязь между Q и пред-звоном сложна. Увеличение Q удлиняет его продолжительность, но уменьшает амплитуду.
Продолжительность звона, как правило, представляет собой большую проблему, но вы должны внимательно прослушивать Q там, где много атак (снейр, кик, хеты)
Кстати, вот как «звенит» наш кусочек синуса в линейном режиме.
Исходя из небольших тестов выше, можно сделать вывод, что использовать такой эквалайзер, например, на мастере — очень тонкая работа. Если ваш трек не насыщен атаками, или вас не пугает этот звон — дерзайте ��.
Итог
Эквалайзеры — это супер мощный и необходимый каждому продюсеру инструмент, но очень сложный по своему устройству. Без знания, как он работает, очень легко потеряться в процессе написания и сведения музыки, потому что эквализация очень сильно влияет на весь ваш творческий процесс. Как говорится, это база.
Стоит ещё раз повторить, что не стоит пугаться фаз, их изменений и всего, что мы описали в этой статье. Главное — экспериментируйте и ищите свой звук. Не важно, каким способом и методами вы к нему пришли!
Терминология, используемая в статье*
Транзиент — переходной процесс сигнала. Обычно так называют сверхбыстрые всплески громкости в начале каждого звука.
Добротность — (Q — quality) в контексте статьи обозначает величину наклона на фильтрах эквалайзера.
На фото пример большой добротности (слева), и маленькой (справа).
ИЗУЧАЕМ: ЗВУКОВАЯ ВОЛНА
Бой часов, пение птиц, речь человека и музыка — все эти явления можно обобщить одним словом «звук». Физика трактует звук как порождаемые некоторым источником колебания воздуха, на которые реагируют наши слуховые органы чувств.
О звуке подробнее
Итак, любой звук — это колебание воздуха. Если ввести в качестве дополнительного параметра одну из координат окружающего пространства, то совокупность колебаний каждой частицы на выбранном направлении образует звуковую волну. Если источник звука представить в виде точки, то звуковые волны можно уподобить лучам, которые от него распространяются во все стороны. Звук приводит в движение молекулы воздуха, которые начинают циклически перемещаться, изменяя механическое давление. Причем молекулы практически не перемещаются относительно своей первоначального местоположения.
Как человеческое ухо реагирует на звук?
Если на пути звуковой волны встречаются механические препятствия, то наблюдаются ее неоднократные переотражения. Колебания частиц воздуха, находящихся поблизости барабанной перепонки, изменяют воздушное давление. На барабанной перепонке имеется множество нервных окончаний, которые изменения давления трансформируют в понятный нашему мозгу сигнал.
Главные характеристики звуковых волн
Если графически отобразить звуковую волну, то получится простейшая гармоническая функция — синусоида. Хотя реальный сигнал, соответствующий этой функции, очень сложно встретить в реальном мире, для начального ознакомления с физической природой звуковых волн он вполне пригоден. Каким бы не был сложным звук, его всегда можно представить в виде математической суммы таких вот простых функций. Однако все слагаемые будут отличаться своими параметрами — частотой, фазой и амплитудой.
Что такое частота звука?
Физическая величина, численное значение которой соответствует числу колебаний за некоторый временной интервал. В привычной нам системе СИ этот интервал равен 1 секунде. А единицей измерения частоты является 1 Герц (одно колебание в секунду). Диапазон восприятия человеческого уха составляет от 20 Гц до 20кГц. А какие звуки лежат за границами нашего восприятия? Это так называемые инфразвук (частота меньше 20 Гц) и ультразвук (с частотой выше 20 кГц).
Амплитуда отвечает за громкость звука, причем здесь наблюдается прямая зависимость: растет амплитуда, увеличивается громкость и наоборот. Громкость тоже имеет свой диапазон, причем довольно широкий — от еле слышного поскребывания мыши под полом до оглушающих раскатов грома. Единицей измерения громкости является децибел, причем его значение может отображать как амплитуду, так и мощность звукового сигнала. Подробнее об этом речь пойдет далее.
Фаза — относительная характеристика, поэтому ее нужно замерять относительно другой звуковой волны. Когда речь идет о фазе, то всегда подразумевается наличие как минимум двух волн. Рассмотрим пример: есть 2 волны с одинаковой частотой. Если они находятся в фазе, то на графике это сразу видно — у них совпадают координаты максимумов, минимумов и нулей. Фаза измеряется в градусах и может принимать значения от нуля до 360. Крайние значения имеют свои собственные названия — 0 говорит о том, что волны находятся в фазе, а 360 — наоборот, в противофазе. Иногда говорят, что волны синхронны (в первом случае), и асинхронны (при фазе, равной 360-ти градусов). Как фаза связана с амплитудой? Ответ на этот вопрос несложен: усиление звука происходит только тогда, когда волны в фазе. Противофазные сигналы взаимно подавляют друг друга, обращая (в теории) амплитуду каждого в абсолютный нуль. На практике это явление может приводить к нежелательным последствиям. Например, отраженная от стен помещения звуковая волна начинает подавлять звучание источника. Нередко пропадание звука наблюдается при совмещении двух звуковых каналов в микшере для стереоскопического воспроизведения.
Что такое децибел?
Децибелы — это единицы, в которых измеряются сразу 2 физических величины: давление и напряжение. В первом случае речь идет о звуке, а во втором — об электричестве. Математически децибел описывается как логарифм от результата деления двух величин. А теперь запомните важный нюанс — для получения децибела следует взять логарифм по основанию «10» или десятичный (сокращенно десятичный логарифм обозначают 2-мя буквами латинского алфавита — «lg»). Децибелы введены для удобства пользования, так как шкала звукового давления расходится в очень больших пределах. Разница между тихим и громким звуком огромна и может достигать миллионов единиц. А введение логарифмов сокращает этот диапазон до привычных десятков и сотен. Поэтому в любой инструкции к современной звуковой аппаратуре все данные, имеющие отношения к усилению или ослаблению звука, приводятся в децибелах (дБ или dB).
Децибел децибелу рознь
Существуют несколько модификаций относительных единиц измерения уровня звука. Самых распространенных 4 и о них стоит поговорить подробнее.
1. дБм(dBm) — последняя буква обозначает милливатты, а значит речь идет о мощности. Правда, мощности электрического сигнала, в который был преобразован звуковой. Децибелы по мощности широко используются при описании характеристик электронной аппаратуры профессионального класса, а также в телефонии.
2. dBu (русск. дБн или дБu) — применяется для измерения амплитуды электрического сигнала (напряжения). Измеренное напряжение делится на эталонное значение (0.75 В), а затем логарифмируется. Сегодня этот подход не актуален, встретить значение dBu в паспорте современной электронной звуковой техники практически невозможно — повсеместно используется dBm как более удобный.
3. dBV(дБВ) — отличие дБВ от единицы измерения, описанной выше, заключается в эталонном напряжении — оно равно 1 Вольту. В отличие от dBu, единица dBV часто используется для описания технических возможностей как бытовых, так и полупрофессиональных звуковых устройств.
4. дБFS — кардинально отличается от всех децибелов, описанных выше. Две последние буквы FS являются сокращением английского слова fullscale, которое переводится как «полная шкала». Причиной ввода дБFS стало активное внедрение цифровых технологий в сферу звуковоспроизведения и звукозаписи. Ведь цифровой сигнал не имеет критерия оптимального напряжения, и для него можно выбрать любое из цифровых значений в заданном диапазоне. Максимальное значение звукового сигнала, преобразованного в «цифру» и не порождающего никаких искажений, соответствует 0.0 дБFS.
Важное отличие рассмотренных выше стандартов для измерения аналоговых сигналов по напряжению (dBu, dBV) от дБFS, заключается в том, что у них динамический диапазон не имеет запаса после нулевого значения.
Фаза звукового сигнала — что это такое?
Звуковой сигнал можно изобразить в виде волны. В случае совпадения пиков и спадов двух волн говорят, что они в фазе. Пример, где в одной фазе четыре волны:
Несовпадение пиков и спадов волн называется фазовым сдвигом или смещением фазы:
На рисунке выше видно, как эти волны сдвинуты относительно друг друга. Это два сигнала, имеющие одинаковую частоту колебания, но сдвинутые по времени. Исправить данную проблему можно, сместив один сигнал к другому так, чтобы их фазы совпали.
Сигналы в фазе только тогда, когда фазы их обоих совпадают.
Существует еще одно явление, называемое противофазой, что подразумевает противоположность фазы одного сигнала фазе другого.
В одном и том же месте у одного сигнала на волновой форме находится пик, а у другого виден спад:
Фазовый сдвиг может появиться при записи одного источника звука с помощью двух микрофонов.
Сдвиг приведет к появлению в звучании характерных искажений и перепадов громкости, а сдвиг фазы на 180 градусов (противофаза) — к полному исчезновению звука при воспроизведении в моно.
Смещение фазы можно проверить с помощью воспроизведения строго по центру панорамы двух сигналов с одинаковой громкостью и последующего медленного повышения громкости одного из них.
Если при этом будет наблюдаться не нарастание общей громкости двух сигналов, а ее понижение, то можно с уверенностью говорить о сдвиге сигналов между собой по фазе.
