音频应用之数字混响效果器的原理及应用

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数字混响效果器的原理及应用

数字混响效果器是产生各种声场信号和特殊声音效果（声源效果）的音响器材。原先主要用于录音棚和电影伴音效果的制作，现广泛用于现场扩声系统。

效果器的基本类型有声场效果和声源效果二类，一般都能存储数十种效果类型。有的效果器还有参数均衡、噪声门、延时器和压缩/限幅等多种功能。

一、室内声场的组成

听众在房间中听到的声音：来自声源的直达声、经房间周围界面多次反射的早期反射声、比直达声晚30-50ms以上的密集的多次反射声、比直达声晚100ms以上的后期反射声的回声等多种声波综合而成的声音。

1、直达声（Direct Sound）

是听众最先听到的声音。它的贡献是传递声音信息、提高声音的清晰度、提供声源的方向和声压级的主要来源。直达声声压级的传播衰减与传播距离的平方成反比，即传播距离增加一倍，声压级降低6dB，它与房间的吸声特性无关。

2、早期反射声（Early Refections Sound）

又称近次反射声，比直达声晚到50ms以内的全部反射声。它的贡献是提高声压级和声音清晰度，帮助辨别厅堂的封闭特性。它的传播衰减与反射面的吸声特性有关。耳朵无法把它与直达声区分。只有在EASE声学软件中用声线法才可计算出来。

3、混响声（Reverberation）

比直达声晚到50ms以上的多次反射声。它可帮助辨别房间的粉笔空间特性（房间容积和体形）。对音乐节目来说，混响声可增加音乐的丰满度，但在增加音乐的丰满度的同时会降低声音的清晰度和语言的可懂度，因此这个成分不可没有（太小时会使声音发“干”），但也不能过大。混响声的大小与房间的容积和周围界面的吸声特性直接有关，可用房间的混响时间RT来表示混响声的大小。混响时间是当声源停止发声后，室内声压级衰减60dB所需的时间。

二、混响效果器的基本原理

混响效果器的作用是产生声场效果和特殊的声音效果，因此它主要是对混响声及其频谱和延时进行处理，这种处理包括频谱延迟的调节、混响声频谱的处理、混响声的衰减特性和混响声与直达声的比例等等。这些参数的处理都是用一种数字信号处理模块通过机器面板上的旋钮进行参数的调节设定来完成的。

音频信号通过输入端送到衰减器R1，再经A/D变换成数字音频信号后送到数字信号处理器中进行效果处理，通过D/A变换再把混响效果声的数字信号变成模拟音频信号与直达声信号混合，构成各种效果声信号。R2和R3是调节直达声与混合声比例的衰减器。如果把直达声衰减至零，混合器的输出全部为混响声，此时称为“湿”状态；如果把混响声衰减至零，混合器的输出全部为直达声，此时称为“干”状态。

混响效果器各参数的调节均通过前面板上的旋钮进行设定，并可存储到存储器中，随时可取出使用（调用）。

MIDI（Music Instrument Digital）接口可输入外接电子音乐键盘信号（电子琴、电子鼓和节拍机等），并可对它们进行适当处理。

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数字混响效果器的原理方框图

三、效果声的两种基本类型

效果声的种类很多，如厅堂、房间、教堂、剧场、体育比赛、卡拉OK、合唱、颤音、回声、金属板混响、移相效果、闸门混响等数十种。归纳起来可分成二种基本类型：声场效果和特殊效果。

1、声场效果（混响效果）

声场效果是在现场条件下，模仿不同条件下的声场效果。如房间混响（Room）、大厅混响（Hall）、教堂混响（Church）、演播室混响（Studio）、卡拉OK混响（Kara OK）等的声场效果。主要用于现场扩声系统。在只有直达声而无混响声的室外扩声系统中声场效果可使“干”的声音变为“干”、“湿”相宜的丰满音。

主要调节参数有混响时间、混响频谱衰减、延时及“干”和“湿”声音的比例。数字信号处理器主要采用的是DSP（Digital Sound Processor）处理芯片。

2、特殊效果（声源效果）

特殊效果主要用于剧场扩声的背景效果声，乐队实况演示时的声音处理，电影录音和演播室录音的特殊声效处理等。

特殊效果声的种类很多，如Chorus（合唱）效果，Echo（回声）效果，Pitch（变调）效果，Plate（金属板）混响器效果，Phasing（移相）效果，Tremolo（颤音）效果，Flang（镶边）效果，Gate（闸门）效果。

特殊效果声的调节参数很多，它们是低频调制信号的频率、调制深度和速度（波形）、反馈深度、参数均衡器参数、闸门时间等等。

（1）Pitch（变调/移调）效果

国际上都把乐声的基音以440Hz为基准，向上或向下移动一个倍程，就会把音乐的音调移动一个八度音。一般产品的变调范围均可达到±6个音阶（±6个八度音）。

图-变调原理

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（2）Echo(回声)效果

回声是把混响频谱延迟到超过100ms,延迟时间越长,回声的间隔时间也越长。直至可以听到明显的两重声或多重声。回声效果的反馈率（0%-99%）可控制回声的次数。反馈率为0时，效果器实际上成为一个延时器；最大时，会形成无休止的回声。因此回声效果一般控制在30%左右。

（3）Chorus（合唱）效果

如果把音乐频谱用一个0.1～10Hz的超低频波形进行调制,使原来的音乐频谱跟着调制频率发生周而复始的移动,从而发生音调的周期性变化;此外,再在把这个调制频谱相对于原声频谱延迟一个时间,与原声频谱混合后,会产生不同音调的合唱效果.

合唱效果的调节参数有调制频率、调制深度和速度、频谱的延迟时间等。

（4）Plate（金属板）混响效果

模拟金属板式混响器的效果声。它的特点是清脆嘹亮，爽朗有力，给人以生机勃勃的感觉。一般用来处理对白、打击乐和吹奏乐器声音的处理。

（5）Phasing（移相）效果

将延时器后的声音与延时器的声音混合在一起，由于两个声音有时间差（相位差），迭加后某些频率相加，形成峰点，而在另一些频率相互抵消，形成谷点。使整个频率响应特性形成“梳状滤波器”的形状。

梳状滤波器效果由于频率特性发生了变化，改变了原声的声调，于是产生出一种特殊的声音效果。

通过延迟参量的调整，可控制梳状滤波器的峰与谷出现的位置。移相效果的延迟量不宜过大，它的调节范围是1～20ms。

调整直达声和延迟信号之间的混合比例，可调整梳状滤波器特性的峰与谷的差值。当两者的比例为1：1时，峰值最大可增加6dB（一倍），谷值达到-∞（完全抵消）。

（6）Flang（镶边/法兰）效果

镶边效果是用一个超低频信号对延迟时间进行调制产生的效果。这种效果可以循环反复地夸张声音中的奇次谐波或偶次谐波分量，使声音的频率发生周期性的变化，从而产生“空洞”声、“喷流声”、和“交变声”等富有幻觉色彩的声音效果。主要用于特殊声音效果的处理场合，要慎重使用。

对延迟时间进行调制的超低频信号波形即调制信号的波形共有4种：

①正弦波（Sine），具有平滑的输入和输出的变调效果。

②三角波（Triange），产生线性变调的镶边效果，在转折点附近会产生快速升高和降低的音调。

③对数形（Logarithmic）

④指数形（Exponential）

Flang（镶边/法兰）效果的的调节参数有调制频率、调制波形、调制深度、延时量和反馈率。

镶边电平/Flange  Level：控制镶边效果的整体电平，控制调节范围0～100。

镶边延迟/Flange Delay：镶边效果使用的延迟量，可调节范围为0～60ms。

镶边速度/Flange Speed：镶边的扫描速度控制，可调节范围为0～16Hz。

镶边反馈/ Flange Feedback：控制反馈到模块的输入量，可调节范围为±99%，大的反馈量可产生戏剧性的、不自然的有趣的声音。

镶边深度/ Flange Depth：超低频扫描信号对延迟调制的调制深度，调节范围为0～40ms。

除上述几种特殊效果外，还可把声场（混响）效果与特殊效果进行迭加产生更富有幻想的丰富多彩的效果声。

四、数字混响效果器的应用和连接方法

效果器在实况扩声中使用的原则是只用在对传声器输入信号（人声或乐器演奏）进行处理，因为这些声音信号经传声器拾取后没经任何处理，音色不够理想，需要时可用效果器进行润色。但对于标准的音乐节目源（CD、MD、LD等）一般都不使用效果器处理，因为这些节目源在制作时已把各声部的合成效果调到最佳状态了。

1、效果器混响时间调节的确定因素

（1）容积较大、吸声较差、房间本身的混响时间已较长时，效果器的人工混响时间应要短些，否则会影响清晰度。

（2）男生演唱时混响时间应短些，女生演唱时混响时间可长些。

（3）专业歌手演唱时，混响时间应短些或不加混响以保持原声音色的特征；业余歌手可使用较长的混响时间，以掩盖原声音色不足之处。

（4）环境噪声大的场合，混响时间可适当加长。

（5）音量较大时，混响时间可调得短一些。

2、预延时（Pre Delay）的调整

预延时是控制效果器回声（Echo）的时间间隔。它是声源直达声与第一组反射声之间的距离延时。回声是由同一声源先后到达听众耳朵的时间差超过50ms时的现象。Pre Delay主要是用来改善演唱的颤音效果。一般歌声的颤音频率范围（声音起伏的间隔时间）在0.1～0.2s之间。

3、效果器在系统应用中的连接方法

（1）插入法：利用调音台的INSERT（插入）端口，将效果器接入到系统中。效果器可插到传声器通道的INSERT端口，也可插入到传声器通道编组后的INSERT端口（此时效果器中的MIX（混合）来调节直达声（干）和混响声（湿）的比例。


图-插入法

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（2）反馈法：从调音台的AUX/After Fader（推子后的辅助输出）端口输至效果器的输入端，效果器的输出信号送到调音台的Effect Return（效果返回）输入端或Stereo In（立体声输入端），用调音台的AUX旋钮和效果器的输出电平调节电位器分别调整直达声和混响声的比例（即“干”和“湿”的比例）。

图-反馈法

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反馈法有单输入单输出、单输入双输出和双输入双输出三种连接方法，以双输入双输出效果最佳，有明显的空间感，因此在实际应用中最为常见。

（3）MIDI输入法：为加强电子乐器和鼓机（电子节拍机）等声源的特殊效果，可把这些声源直接输入效果器，经它处理后再送至调音台通道的线路输入。

图-MIDI输入法

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五、典型产品

DOD D3/D6数字混响效果器参数

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