关于“虚拟”建模话筒的技术发展解析

小螃蟹 · 发表于 2009-11-20 14:03:07

话筒，又称为“拾音器”，英文叫做Microphone，因此在中文里也有不少人将它直接音译为“麦克风”。它是一种将声音能量转化为电能的能量转换工具，在传统录音和音频工业刚起……

话筒，又称为“拾音器”，英文叫做Microphone，因此在中文里也有不少人将它直接音译为“麦克风”。它是一种将声音能量转化为电能的能量转换工具，在传统录音和音频工业刚起步的时候，话筒就占据重要地位，其在实际应用中处于录音信号链的最前端，拾取的微弱信号在音频制作中往往需要经过多级设备层层放大和处理，它的品质优劣在很大程度上就决定了节目后期制作的灵活性和最终成品的质量。纵观一百多年的世界录音发展史，话筒的设计和制造虽经过多次技术进步和工艺革新，人们对于艺术的思考和审美也经过了多个不同时代的演变发展，但其基本原理和最终应用目的并未产生翻天覆地的变化——录音师们经过对话筒的仔细挑选、搭配以及灵活的摆位和指向性运用，尽可能达到高保真、清晰和还原的声音质量。

在模拟录音时代，每个设备都对应着某个具体的功能：话筒、话放是用来录音的，音箱、耳机是用来监听的，均衡器、压缩器是用来处理声音的……但在当下数字时代，整个行业正在默默发生着一些天翻地覆的变化与革新，我们渐渐能看到在录音设备上各种各样的创新与尝试——加入数字技术的音频设备层出不穷，全能型录音设备和工作站百花齐放。得益于数码科技的发展，设备的体积越来越小，集成性却越来越强！由于录音工作对于话筒的依赖性极高，在行业里我们会经常看到这样的现象：不少有经验的录音师非常热衷于收藏“古董”话筒，因其“经典、复古、怀旧”的声音质感和音色特点在许多当代的话筒中已难以寻觅。但同时也催生了许多令人头疼的问题：由于技术革新和时代发展，几十年前的生产工艺早已更新换代多次，当时的元器件现在也鲜有厂家生产和提供，造成了“古董”话筒在使用和保养上的巨大难题，对于工程师们的时间、精力以及成本消耗也是非常巨大的。因此，自21世纪初开始，许多业内专业音频厂商开始在话筒的设计和制造上寻求新的机遇和突破，“虚拟”话筒技术应运而生！

如图1-图2：从传统话筒这种长圆柱形的较为统一的造型风格出发，开发者们发现，实际其内部具有非常广阔的剩余空间可供利用，为下一代的“虚拟”话筒革命奠定了基础。

实际上，将数字技术应用于话筒声音的采集和改善，并非近几年才产生。印象较为深刻的有ANTARES MIC MODEFX 十几年前就发布并不断更新到现在的一款产品。它是应用于节目后期制作中，将原始型号话筒采集到的声音信息进行后期处理，通过在插件内输入原始采集用型号和输出仿真型号来模拟成其他型号的话筒，并带来相应声音特性的一种颇为神奇的处理插件。以下是使用这款处理插件对它话筒模型库内挑选出的5只经典的录音话筒（NEUMANNM149，NEUMANN U87，AKG 414EB，SHURE SM57，COLES 4038）进行了专门的采样和模仿比对实验。

如图3-图4：比对实验中所拍摄，5只常见的经典话筒放在距离声源较平均的位置进行样本片段采集。

将5只话筒同时对声源进行片段采样，并匹配它们的增益电平，以得到相近的响度。后期将MIC MOD EFX插件分别放在5只话筒上，不断切换对比试听模仿后的声音与真实硬件话筒声音的区别。

实验结论：在MIC MOD EFX技术中，设计者主要匹配了不同话筒之间的频率响应曲线，并没有感受到对话筒的其它关键特性包括谐波失真、底噪、不同尺寸震膜本身的特点等等进行完全的模仿。这种频响匹配的方法在当今的数字音频领域里相当常见，也有不少厂家在开发这样的功能便于音频节目的后期制作使用。而问题就在于频率响应参数不能完全代表一个音频设备的全部，单纯模仿频率响应可以在听感上达到一定程度的相似性，但细节上会相差甚远。在主观聆听过程中发现，这样的模仿方式对于不同换能原理（电容式和电动式）的话筒之间的匹配，无法达到相似的结果。

近几年兴起的另一类“虚拟”建模话筒，恰好弥补了这个缺陷，并在技术上拥有更多的优势，实际应用中的体验也得到了长足的进步。它利用当下最热门的数字音频技术，给各种不同型号的“古董”话筒建立完善的物理模型库，这些物理模型包含了极其完整的话筒特性（频率和瞬态响应曲线、震膜特点、轴向响应和离轴效应、底噪、谐波失真、动态范围等等），并利用DSP数字信号处理技术在软件端进行还原和模仿，最终得到与原始经典话筒极其相近的声音特点。一套完整的“虚拟”建模话筒包含以下几个重要部件：

1.一只频响超级平直的电容话筒——与声学测试话筒功能类似，它无需带来任何声音上的渲染，只需配合厂家设计的“虚拟”话筒系统技术指标即可。

2.一台超级低染色的话筒放大器——纯净的话筒配合纯净的话放，得到极为纯净而无个性的原始声，有利于“虚拟”话筒插件后期进行完美的模仿处理。

3.一套可以模仿话筒与话放的插件——需支持各类主流音频工作站插件格式：AAX/AU/VST等等，甚至可以支持某些专注于低延迟实时信号处理的音频接口（声卡）和效果处理卡（多核心服务器）。

如图6-图7：典型的“虚拟”话筒套装，理论上具有无穷无尽的可扩展性，在软件端可以模仿无数种不同型号的经典“古董”话筒。

“虚拟”话筒的生产制造商一般会在产品的制造环节就搭配好话筒、话筒放大器部分和控制插件，也有些制造商会强强联手进行联合生产研发。让我们来看看“虚拟”话筒的一些技术细节和实际应用。

如图8-图9：典型的“虚拟”话筒都会设计成双震膜结构，因为要实现多种指向性的自由切换应用，必须使用两只同样的震膜。因此，“虚拟”话筒与典型的大振膜话筒外观非常相似，但实际应用中却拥有许多传统大震膜无法企及的优势。

如图10：由于“虚拟”话筒的双震膜设计，在输出时需要用到一对立体声，同时输出2路音频信号，以配合话筒建模插件在后期搭配出各种不同的指向性。典型的“虚拟”话筒使用平衡5芯卡侬母头来连接话筒端，另一端则分成2路传统卡侬公头来作为连接话放的端口，这时需要同时连接立体声话放的2个通道一起使用，并且厂家建议使用原厂搭配的话放进行录制，或是使用步进式、数控模拟式话放，以精确匹配2个震膜输出信号的电平值。

如图11：典型的“虚拟”话筒搭配的双通道超纯净话筒放大器，拥有超低的声音染色和超平直的频率响应，以及优秀的底噪和失真特性。

如图12：典型“虚拟”话筒在录音棚里的连接路由示例。由话筒出来的音频信号进入双通道的原厂话放或声卡，再经由声卡传输到电脑里的数字音频工作站，通过建模话筒插件进行相应的处理，得到目标话筒的音色。

如图13：基于物理建模原理的“虚拟”话筒插件，其核心是基于可编程的FPGA建模引擎，通过电脑的CPU或是带DSP芯片的音频接口进行实时运算而得出相应的声音结果。

因此，在“虚拟”话筒的世界观里，话筒拾取到的声音并不需要以“好听、悦耳”为目的，而话筒、话放的存在更多的是以一个尽可能拾取原始、平直、低噪声、无音染信号为目标，并将后期所有的经典话筒模仿工作全都交给DSP数字运算去解决。

如图14、15、16：典型“虚拟”话筒系统搭配的建模话筒插件界面。从中能看到不仅有多种多样的经典话筒类型选择，还可以将前后两只震膜模仿成不一样的话筒来混合搭配使用。除了提供传统话筒上的低切功能，插件甚至还可以在后期制作中自由调整话筒的指向性特点，从常见的全指向、心形指向、八字形指向，到介于它们中间的超心形、宽心形指向等等，以及自由调节近讲效应大小，话筒方位角等等参数。这样灵活而强大的特性，在传统的声音制作中是几乎不可想象的！

如图17、18、19：典型“虚拟”话筒的建模插件中提供的一些经典话筒列表。能从中看到除了“虚拟”话筒本身外，几乎囊括了所有经典的录音室话筒，包括U47、U67、U87、C800、M49、M50、4038、C12、121、414等等史上最经典、也是无数经典唱片中所使用过的顶级“古董”话筒。

如图20、21、22：典型的“虚拟”话筒厂商官方给出的一些使用范例图。从中能看到“虚拟”话筒在实际操作中的灵活性是相当大的。我们可以运用传统的方式来进行录音，也可以灵活使用立体声的方式去进行使用的录制和采集。这些全都得益于单只话筒内的双震膜、双输出设计，将传统录音行业里无法想象的事情变成了可能！

总的来说，“虚拟”话筒在当今数字录音时代的优势是显而易见的。它的出现让我们在节目制作中拥有以下强大的优势：

·使用我们梦寐以求的经典话筒进行录音创作。

·后期灵活自由的切换话筒型号、类型、指向性、以及自由控制话筒的每个细节声音特性（瞬态响应、谐波失真、频率响应、近讲效应等等），而不必在前期录音时就煞费苦心的考虑这些问题，也弥补了因前期话筒选择不合适而造成的种种遗憾。

·在录制人声演唱的时候，可以尽量减少为歌手挑选话筒的时间，同时也减少了歌手多次试唱带来的疲劳，节省宝贵时间，提高工作效率。

·建模话筒插件拥有离轴响应修复功能，有助于我们在后期制作中减少不必要的串音和房间声染色。

·使用1只话筒，就可以轻松录制立体声。

·弥补了传统经典话筒的高成本维修、保养等维护难题，也完美解决了由模拟硬件随着时间、空间和电压、温度湿度等条件变化而造成的声音不一致问题。

当下，传统录音棚里的大多数经典硬件都可以使用数字技术在数字音频工作站中重现出来，供我们灵活使用。几乎所有经典的均衡器、压缩器、周边效果器等数字插件版本已经层出不穷。同时，日益先进的房间模拟软件和物理建模的算法混响器甚至可以在一定程度上还原出任何房间模型。现在，最棘手话筒建模难题也被攻破，即将给我们带来一场前所未有的数字革命。而这种技术能否改变传统录音棚的录音模式呢？通过这种物理建模方式所还原出的“原始经典话筒”，是否真的就跟真实的原版话筒一模一样呢？本人认为，数字技术的发展之快是我们无法想像的，在移动互联网时代，节目制作的方式跟传统相比已经有了天翻地覆的变化，许多制作人甚至在自己家里、或是走在路上就能进行节目创作和制作，这也意味着节目制作的门槛在不断的降低，整个行业的大门正在为全世界人民而敞开。在短短几年的时间里，已经有4家国外专业厂商相继推出了“虚拟”话筒系统的解决方案，他们在研发上使用的技术在行业里也是具有绝对领先地位和优势的，本人能够预见不久的将来，随着物理建模和数字DSP算法的进一步发展，高性价比、高质量、低成本的“虚拟”话筒将会不断占据专业音频市场甚至是民用消费市场。虽然现在还是会有一些专业用户认为，“虚拟”话筒的声音并不百分百像原型话筒，但本人对这个技术是持有积极态度和足够信心的！因为只要厂商做到足够接近原版或听起来不错，就已经是胜利。而这样的技术在实际工作中带来的效率提升和工作方式的革新，必定会像当年非线性数字节目制作方式代替模拟线性制作方式一样，成为节目制作的全新发展方向！

adders · 发表于 2009-11-20 16:10:55

支持一下!

coleman · 发表于 2010-3-6 23:36:21

关于“虚拟”建模话筒的技术发展解析

7536290 · 发表于 2010-6-7 02:10:40

感谢楼主的分享。

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