了解自然和数字混响

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数字信号处理对我们将音乐元素置于不同 "空间 "的能力产生了深远的影响。




混响是音频数字信号处理效果中最有趣的方面之一。它是一种非常适合数字处理的处理形式，而在模拟电子设备中却完全不实用。正因为如此，数字信号处理对我们将音乐元素置入不同 "空间 "的能力产生了深远的影响。



在数字处理之前，混响是通过在物理延迟元件的两端使用换能器（主要是扬声器和麦克风）来产生的。这种延迟元件通常是一组金属弹簧、一块悬挂的金属板或一个真实的房间。而且，这些混响 "空间 "并不十分便携；弹簧混响是唯一切实便携的选择，而且一般都能负担得起，但就声音而言，它们是最不可接受的。



本文由 EarLevel Engineering 提供。
首先简单了解一下什么是混响： 自然混响是声音从密闭空间的表面反射出来的结果。声音以每秒 1100 英尺的速度从声源发出，撞击墙壁表面，并从不同角度反射出去。其中一些反射会立即传到你的耳朵（"早期反射"），而另一些则会继续从其他表面反射，直到传到你的耳朵。坚硬且巨大的表面（例如混凝土墙）会以适度的衰减反射声音，而较软的表面则会吸收大部分声音，尤其是高频成分。房间的大小、墙壁和房间内容物的复杂程度和角度以及表面的密度共同决定了房间的 "声音"。



在数字领域，原始延迟时间仅受可用内存的限制，反射的数量和频率相关效应的模拟（滤波）仅受处理速度的限制。
  


模拟混响的两种可能方法
让我们来看看数字模拟混响的两种可行方法。混响是一种时间不变的效果。这意味着，无论你何时演奏一个音符，都会得到相同的混响效果。(这与时变效果（如镶边）不同，时变效果的输出声音取决于音符与镶边扫频的关系）。


时变系统完全可以通过其脉冲响应来描述。你是否曾走进一个空旷的大房间--体育馆或大厅--聆听过它的声音特征？你可能会发出短促的声音--拍一下手就很好--然后听着混响逐渐减弱。如果是这样，你就在聆听房间的脉冲响应。


脉冲响应可以说明房间的一切。只需拍一下手，你就能立即知道混响的强度和消失的时间，以及房间听起来是否 "不错"。根据脉冲响应，你的耳朵不仅可以很容易地对房间进行分类，而且我们还可以对混响产生的录音进行复杂的信号分析。事实上，脉冲响应可以说明一切。


其工作原理是，理想形式的脉冲是一种在所有频率上携带相同能量的瞬时声音。以混响的形式返回的是房间对瞬时全频率突发的响应。



脉冲及其响应


在现实世界中，拍手、爆裂的气球、爆炸的鞭炮或电弧的啪啪声都是脉冲。如果将由此产生的房间响应数字化，并在声音编辑程序中查看，它看起来就像衰减的噪音。在一开始的一些密度积累之后，它会平滑地向零衰减。事实上，声音更平滑的房间会显示出更平滑的衰减。


在数字领域，我们很容易意识到，响应的每个采样点都可以看作是脉冲的离散回声。在理想情况下，脉冲是一个单一的非零采样点，因此不难理解，一系列采样点--在房间里播放的声音--将是每个单独采样点在各自时间的响应之和（这被称为叠加）。


换句话说，如果我们有一个数字化的脉冲响应，我们就可以很容易地将精确的房间特性添加到任何数字化的干声中。将脉冲响应的每个点乘以采样的振幅，就得到了房间对该采样的响应；我们只需对想要 "放入 "该房间的每个声音采样做这样的处理即可。这样就得到了一堆重叠的响应，我们只需将其相加即可。


简单。但计算成本极高。输入的每个采样都要分别乘以脉冲响应的每个采样，然后加到混音中。如果我们有 n 个样本需要处理，而脉冲响应有 m 个样本长，我们就需要执行 n+m 次乘法和加法。因此，如果脉冲响应为三秒（一个大房间），而我们需要处理一分钟的音乐，那么我们需要进行大约 350 万亿次乘法和相同数量的加法（假设采样率为 44.1KHz）。


如果你想让电脑计算一天才能听到结果，这也许可以接受，但这显然不能用于实时效果。太可惜了，因为它在多个方面都很有潜力。特别是，如果你有世界上任何房间的脉冲响应，你就能准确地模拟出它们，而且你还能很容易地生成自己的人工脉冲响应，从而创造出自己的 "房间"（例如，一个简单的衰减噪声序列就能产生平滑的混响，尽管它很有个性）。


实际上，还有一种更实用的方法。我们一直在讨论时域处理，将两个采样信号相乘的过程称为 "卷积"。时域中的卷积需要很多运算，而频域中的等效卷积则大大减少了运算量（时域中的卷积相当于频域中的乘法）。


数字混响的实用方法
我们所熟知和喜爱的数字混响采用的是另一种方法。基本上，它们使用多重延迟和反馈来建立一系列密集的回声，并随着时间的推移逐渐消失。这些功能模块是众所周知的，它们之间的变化和堆叠方式才是数字混响单元的特色所在。

最简单的方法是使用单个延时器，将部分信号反馈到延时器中，产生渐弱的重复回声（反馈增益必须小于 1）。混合使用不同大小的类似延时器可增加回声密度，使其更接近混响效果。例如，根据质数使用不同的延迟长度，可以确保每个回声都位于其他回声之间，从而提高回声密度。

实际上，这种简单的安排效果并不好。要形成平滑的混响墙，需要太多的硬回声。此外，简单的反馈就是梳状滤波器的配方，会产生频率抵消，从而模仿房间效果，但也会产生振铃和不稳定。虽然这些梳状滤波器很有用，但单靠它们并不能产生令人满意的混响效果。


梳状滤波器混响元件

通过正向（反向）和反向馈入，我们填补了频率抵消，使系统成为一个全通滤波器。全通滤波器的回声效果和以前一样，但频率响应更加平滑。全通滤波器具有随频率变化的延时效果，可以抹去输入信号的谐波，更接近真实的混响音效。将这些串联、并联、甚至嵌套的梳状和全通循环延时以及其他元素（如在反馈路径中模拟高频吸收的滤波）组合起来，就形成了最终的产品。

全通滤波器混响元件

我就说到这里吧，因为关于这个问题有很多现成的文章，这里只是一个介绍。就我个人而言，我在Hal Chamberlin 的《微处理器的音乐应用》和比尔-加德纳（Bill Gardner）的相关著作中找到了足够的信息供我进行实验。

编者注：本文最初发表于 1997 年，但其中的信息在今天仍具有相当的现实意义。


出处：https://www.izotope.com/en/learn/what-digital-reverb-actually-does.html