Устройства динамической обработки

Основными устройствами для работы с уровнями фонограммы являются устройства динамической обработки. Принцип действия этих устройств заключается в анализе уровня входящего в них аудио-сигнала и изменении этого уровня по некоторому закону. Основными параметрами устройств динамической обработки являются передаточная характеристика и время атаки/восстановления.

Передаточная характеристика (не путать с амплитудно-частотной характеристикой) - это зависимость желаемого выходного уровня звука от входного уровня. В соответствии с передаточной характеристикой, устройство динамической обработки определяет тот коэффициент усиления, который нужно применить к входному сигналу в каждый момент времени. Пример передаточной характеристики показан на рис. 2. Такое устройство динамической обработки называется компрессором; оно пропускает без изменения звуки с амплитудой до -20 дБ и уменьшает амплитуду всех звуков выше -20 дБ. Таком образом, компрессор делает громкие звуки тише, сужая динамический диапазон фонограммы.

Рис. 2. Передаточная характеристика компрессора. Порог равен -20 дБ, степень компрессии 2:1

Перелом в передаточной характеристике называется точкой пеергиба (knee). Входной уровень, соответствующий колену, называется порогом (threshold). Угол наклона передаточной характеристики выше порога определяет степень сжатия (ratio, степень компрессии). Степень сжатия 2:1 означает, что при увеличении входного уровня на 2 дБ выше порога выходной уровень вырастет лишь на 1 дБ. Если степень сжатия равна единице, то уровень звука при прохождении через прибор не изменится. Если она стремится к бесконечности, то устройство будет ограничивать амплитуду выходного звука значением порога. Такие устройства называются лимитерами, они ограничивают динамический диапазон. Если же степень сжатия меньше единицы, например 1:1.5, то это значит, что когда входной уровень превышает порог, устройство будет повышать выходной уровень по сравнению с входным. Такие устройства называются экспандерами, они расширяют динамический диапазон. Существуют и другие типы устройств динамической обработки: гейты, дакеры, левелеры и пр., со своими специфическими передаточными характеристиками и параметрами работы.

Иногда передаточная характеристика сглаживается, чтобы в ней не было острых углов (рис. 3). Этот режим называется soft knee или soft threshold (мягкий порог). Компрессор с мягким порогом начинает немного уменьшать уровень сигнала еще до достижения им величины порога.

Рис. 3. Мягкий порог

Работу устройства динамической обработки можно описать следующей схемой. Устройство следит за входным уровнем и в соответствии с ним регулирует выходной уровень, т.е. применяет к входному сигналу некоторую амплитудную огибающую (коэффициент усиления), меняющуюся со временем. Для хорошего звучания результирующего сигнала нужно соблюсти несколько условий. Самое главное из них таково: амплитудная огибающая должна быть гладкой, без разрывов и, по возможности, без изломов. Действительно, если амплитудная огибающая имеет разрывы, то выходной звук тоже будет иметь разрывы в форме волны, слышимые как щелчки и треск. Изломы в амплитудной огибающей также будут приводить к искажениям выходного сигнала.

Для сглаживания амплитудной огибающей в устройствах динамической обработки имеются два параметра: время атаки (attack, время срабатывания) и время восстановления (release). Они определяют скорость реакции устройства на изменения входного уровня. Время атаки показывает, за какое время устройство реагирует на превышение порога (атаку), а время восстановления показывает, за какое время устройство реагирует на возвращение входного уровня обратно под порог.

Рис. 4. Звук до и после обработки компрессором

Пусть на вход компрессора подается сначала слабый сигнал, не превышающий порога, а затем - атака, превышающая порог (рис. 4). В соответствии с передаточной характеристикой, компрессор должен пропустить слабый сигнал без изменения, а уровень громкого сигнала (атаки) - ослабить. Время атаки указывает, за какое время компрессор изменит свой коэффициент усиления от единичного до результирующего, предписанного передаточной характеристикой. Если вслед за громким сигналом входной уровень снова опускается ниже порога, то компрессор переходит в стадию восстановления и снова увеличивает свой коэффициент усиления до единичного. Время, за которое коэффициент усиления вернется к единичному значению, и будет временем восстановления.

Определения времени атаки и восстановления могут различаться у разных производителей. В некоторых устройствах под временем восстановления понимается не полное время возвращения коэффициента усиления, а время его возвращения, скажем, до половины обратного пути. Часто коэффициент усиления возвращается к исходному значению по экспоненте, и в этом случае лишь второе определение имеет смысл. В некоторых устройствах время атаки задается скоростью изменения коэффициента усиления (дБ/сек) или, наоборот, временем изменения коэффициента усиления на 6 дБ.

Время атаки и время восстановления измеряются в миллисекундах и могут меняться в широких пределах для различных приборов динамической обработки и в зависимости от конкретных задач. Так, например, в компрессорах обычное время атаки - порядка 10...100 мс, а типичное время восстановления - порядка 100...1000 мс. Ясно, что чем больше время атаки и восстановления, тем медленнее будет меняться во времени амплитудная огибающая, тем более гладкой она будет. Однако при большом времени атаки компрессор будет пропускать короткие атаки, превышающие порог, т.к. не будет успевать на них реагировать. Это может быть нежелательным, например, для лимитеров.

Еще один параметр, встречающийся в процессорах динамической обработки, - это задержка перед восстановлением (release delay или hold). Этот параметр задает время, через которое начинается стадия восстановления после спада входного уровня ниже порога. Другими словами, этот параметр позволяет отложить восстановление на некоторое время. Это может быть полезно, когда превышения порога в сигнале идут периодически, друг за другом. В этом случае задержка восстановления поможет избежать постоянного переключения компрессора между режимами атаки и восстановления и уменьшить изломанность амплитудной огибающей.

Теперь о том, каким образом приборы динамической обработки определяют уровень входного сигнала. Обычно это делается одним из двух способов и похоже на функционирование индикаторов уровня: пиковых и среднеквадратичных. Первый способ - детектирование мгновенных пиковых значений во входном сигнале. Второй - усреднение мощности во времени, т.е. вычисление RMS. Пиковый способ часто применяется в лимитерах, где бывает необходимо ограничить пиковые значения сигнала каким-то порогом (например, перед выдачей сигнала в радиолинию или записью на CD). RMS-способ чаще применяется в компрессорах для выравнивания громкости аудио, т.к. громкость сильнее связана со среднеквадратичной, нежели с пиковой, мощностью.

Пиковая мощность превышает RMS, и это нужно учитывать при настройке прибора. Также ясно, что вычисление RMS-мощности требует некоторого временного интервала для интегрирования мощности, и поэтому время реакции устройства на изменения входного уровня не может быть намного меньше, чем это время интегрирования. Другими словами, RMS-компрессор может пропустить кратковременные пики сигнала, практически не успев снизить коэффициента передачи.

Еще одна часто встречающаяся возможность процессоров динамической обработки - это side-chain - дополнительный управляющий вход для звукового сигнала. Когда эта функция задействована, прибору на вход подаются два сигнала: через основной и управляющий входы. При этом "управляющий" сигнал используется только для определения по нему входного уровня и управления уровнем основного сигнала в соответствии с передаточной характеристикой.

С помощью side-chain можно достигнуть некоторых интересных эффектов. Если на side-chain подать тот же сигнал, что и на основной вход, то устройство будет вести себя как обычно, без side-chain. Если же на side-chain подать другой сигнал, то устройство будет обрабатывать основной сигнал, руководствуясь амплитудным профилем управляющего сигнала. Например, если на side-chain подать сигнал, пропущенный через эквалайзер с частотной характеристикой, обратной кривым Флетчера-Мэнсона (кривые равной громкости слуха), то амплитуда управляющего сигнала будет более правильно отражать реальную громкость основного сигнала. И устройство динамической обработки будет при обработке основного сигнала руководствоваться реальной громкостью исходного сигнала, а не его амплитудой. С помощью такого приема можно более правдоподобно выравнивать громкость вместо амплитуды.

Подчеркнем, что сигнал, подаваемый на side-chain, никак не влияет на тембр (частотный баланс) основного обрабатываемого сигнала. Он только управляет амплитудной огибающей.

При работе со стерео-записями процессоры динамической обработки обычно действуют в режиме linked channels, т.е. применяют одинаковые амплитудные огибающие к левому и правому каналам. В противном случае нарушается стереопанорама.

В заключение общей части о динамической обработке отметим, что хотя с помощью компрессоров были созданы лучшие записи мировой звукорежиссуры, неосторожное обращение с компрессором способно безвозвратно испортить хорошую запись. Ошибочно считать, что действие компрессора можно отменить экспандером. Если динамика потеряна, то расширять уже нечего. Кроме того, и компрессоры, и экспандеры обладают некоторой инерционностью, что делает невозможным точное восстановление динамики.