音频效果器中的混响与延时

张建平 图 2 图 1 音频效果器中的混响与延时 　　目前音频效果器在电台、电视台以及歌舞厅等 应用十分广泛 ,它对美化音乐、歌声、语音的音色、进 行艺术的再创作、产生特殊的音响效果都起着非常 重要的作用。然而 ,笔者经常遇到一些人 ,常把延时 与混响混为一谈。为此 ,笔者认为有必要谈谈它们 的区别与应用 ,有不对之处望同仁批评指正。 在物理学中 ,延时与混响是两个不同的概念。 在音响设备中有分立的延时器与混响器 ,也有将延 时电路与混响电路结合在一起 ,制成一体化的设备。 把音频信号储存在电子器件中 ,延迟一段时间后 ,再 传送出去的电子设备叫做延时器 ;而混响器是在延 时电路中将延时输出的信号再反馈回输入端 ,进行 多次延时处理得到回声效果 ,这种回声效果也就是 混响效果 ,它是模拟室内声波衰减特性的一种装置。 延时器 延时器也称时间延时器或延迟器 ,大致可分 BBD式延时器与数字式延时器两类。典型的 BBD 式延时器的方框图如图 1 所示 ,由低通滤波器、BBD 延时电路、时钟滤波器和时钟信号发生器等组成。 低通滤波器是用来滤除高频杂波 ;时钟信号发生器 与 BBD 延时电路共同完成音频信号的延时 ,延时时 间的长短由 BBD 的位数决定。目前 BBD 的位数最 少为 3 位最多为 4096 位 ,因此使用一只 BBD 器件能 够获得 30μs～204ms 的延迟时间。时钟滤波器是用 来滤除经延时后的音频信号中的时钟杂波。 数字延时器与 BBD 延时器相比 ,具有延时时间 范围宽、工作频带宽、动态范围大等特点。近年来数 字延时器得到广泛的应用 ,其基本原理如图 2 所示。 当音频信号从输入端 ,先经低通滤波 ,然后送入 A/ D 转换器 ;经 A/ D 转换输入的模拟音频信号被转换成 数码信号。由 CPU 控制数码信号存入到动态存储 器 (DRAM)中 ;CPU 再经过设定的延迟时间后 ,逐一 读出原存入的数码信号 ,并送入 D/ A 转换器 ,将数 码信号转换成模拟信号 ;此信号再经低通滤波后 ,滤 除高频噪声成分后 ,输出已延时的音频信号。 延时器在音频信号处理中有许多重要而特殊的 用途 ,是制造混响器、回声信号的核心部件。作为直 接应用有以下几方面 : ⑴用来消除回声 ,提高扩音清晰度 在一个没有经过声学处理的厅堂听 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 或演 唱 ,大家可能有这样的体验 ,其报告者或演唱者的声 音含混一片 ,根本听不清报告说了些什么和唱了些 什么 ,这是因为其厅堂的混响时间太长造成的。混 响时间与语言清晰度之间的关系如 图 3 所示。其解决的办法就是使用 电子延时器 ,只要精确调整各个延 时器的延迟时间 ,使扬声器的声波 差不多同时到达观众 ,能获得很好 的扩声效果 ,如图 4 所示。 音响技术　2000/ 4 专业音响 4221　　　 图 3 图 4 图 5 图 6 ⑵根据延时的时间不同可产生各种效果 产生各种效果 (合唱、镶边、回音)是将原音信号 分成两路 ,一路信号经过延时器进行延时处理 ,另一 路信号是不经过延时处理的直达信号 ,两路相加后 输出 ,如图 5 所示。细心的读者可以看出图 5 实际 上就是一个梳状滤波器。延时信号与直达信号混合 后的输出波形如图 6 所示 ,其波形很像一把梳子。 由此得名梳状滤波器。 由于延迟信号和直达信号混合后 ,存在着相位 差 ,合成信号总是在某些频率点上相互增强形成峰 点 ,而在一些频率点上互相抵消形成谷点 ,并且相邻 峰点或谷点之间的频率间隔 f 为一常数 ,在数值上 与延迟时间成反比 ,即 f = 1/ T。式中 ,f 为峰与峰或 谷与谷之间的频率间隔 ; T 为延迟时间。从式中可 以看出 ,改变延迟时间就能改变滤波特性 ,而峰谷幅 度相差的大小由延迟声和直达声混合的比例决定 , 两者的混合比例为 1∶1 时相差最大 ,此时谷点幅度 为 0 ,峰点幅度则比混合前的直达信号或延迟信号 高 6dB。 如果对延时时间进行调制 ,则梳状滤波器的频 率特性将随调制信号规律变化 ,峰点频率和谷点频 率将在信号频谱范围内上下扫描变动 ,如此往复循 环使音频频谱结构不断变换 ,这种效果称之为“镶 边”效应。 镶边效果在流行音乐中常常可听到 ,例如使声 音发扁 ,可应用到吉它的伴奏中。如果在动画片中 机器人说话 ,语音的镶边效果就显得非常重要。一 般镶边效果的延时时间为 20～30 ms。 如果延时时间在 25～50 ms以上时 ,仍不进行 调制 ,人们会感觉到存在滞后的声音 ,它与原音叠 加近似于同时发音 ,所以常常用来产生合唱效果。 如果延时时间 (延时时间不调制 ,无反馈) 在 50 ms 以上时 ,其延迟声音便清晰可辨 ,此时处理的效果 为“回音”,它主要用于对乐曲的声部进行艺术渲 染。 ⑶可以使声像定位 ,具有层次感 在录音后期制作中 ,须将各种乐器配置在不同 位置上 ,声像电位器虽然可以把各乐器声部横向移 动到任何位置 ,但解决不了层次问题 ,利用延时器就 可以很好地解决这个问题。 ⑷美化音色 对语言、音乐信号加以润色 ,可改善它们的厚度 和力度感 ,使声音甜润悦耳。 在直达声之后紧接一个延迟声 ,只要延时时间 选择的恰当 ,声音信号的清晰度就不会受到影响 ,厚 度和力度感都会得到明显的改善 ,听起来甜润悦耳。 延迟时间的长短与声音信号高低和节奏快慢有关 系。频率低 ,节奏越慢 ,延迟时间可以适当取长 ;反 之 ,延时时间取短些。对于语言声音信号 ,男声延时 时间约为 40 ms ,女声延时时间约为 20～30 ms。 采用混响的方法也可以提高厚度感 ,但清晰度 音响技术　2000/ 4专业音响 4222　　　 　　 图 7 图 8 图 9 损失较大 ,力度感也有所下降。因此 ,如果对清晰度 要求较高 ,或信号本身就不够清晰 ,采用延时方法处 理就比混响方法好。 ⑸可以产生模拟立体声效果 一些单声道的节目 ,可以使用延时器来制作出 立体声信号 ,如图 7 所示 ,直达信号和延时信号相加 后作为 R 通道信号 ,相减后作为 L 通道信号。每路 信号都有典型的“梳状滤波”特性 ,但是作为立体声 信号输出后 ,聆听到左右声道声场展宽了 ,音色柔和 浑厚 ,模拟立体声效果可以达到以假乱真的程度。 混响器 混响器是在延时电路中把延时器输出信号再反 馈回输入端 ,进行多次延时处理 ,以模拟厅堂声波衰 减特性的一种装置 ,其原理图如图 8 所示。从图 8 可以看出 ,音频信号延迟 7s 后 ,再反馈回输入端。 只要反馈回路增益 GAIN < 1 就可以模拟出厅堂声 波衰减特性。图 9 是输出音频信号的频谱特性。如 果将反馈断开就是一个延时器 ;延时器加入反馈信 号就是混响器。所以 ,有一些电子延时混响器 ,设有 反馈控制旋钮 (FEEDBACK) 。当关掉反馈控制旋钮 就工作在延时状态 ;当打开反馈控制旋钮就工作在 混响状态。混响时间 T60与延时时间的关系为 T60 = - 60t 20lgG = - 3t lgG 式中 ,T60为混响时间 ,t 为延时时间 ,G为反馈回路增 益 ( G< 1) 。从上式可以看出 ,在反馈回路增益一定 的条件下 ,延时时间越大 ,混响时间就越长 ;延时时 间越小 ,混响时间就越短。在延时时间一定的条件 下 ,反馈回路增益大 ,混响时间就长 ;反馈回路增益 小 ,混响时间就短。 从图 8 可以看出 ,混响处理的另一个调整难度 就是 ,直达声与混响声的混合比例。一般混响处理 的混响/ 直达声比例都不是 100 % ,也就是说 ,其直 达声比混响效果声的响度要高得多 ,此时其混响效 果的混响时间就需用“等效混响时间来计算混响时 间”,即 Te = 112T60 112 + T60lg 1 + AA 式中 ,Te 为等效混响时间 ; T60为混响器混响时间 ;A 为混响信号功率与直达信号功率之比。 当混响比例 (混响与直达声) 大时 ,等效混响时 间就长 ;当混响比例小时 ,等效混响时间就短 ,也就 是说 ,房间变小。 在调整混响时间时一般电子设备上 ,有混响声 与直达声的混合比、反馈与延迟时间的调整旋钮。 然而它们三者既有相似的作用 ,又有各自的特点。 例如 ,要增强混响声的成分 ,既可增大混响声与直达 声的比例 ,也可增加反馈深度 ,或增长延迟时间 ;但 混响时间过长 ,对清晰度影响较大 ,反馈过深还会使 声染色失真增大 ,延迟时间过短又会产生刚响失真。 因此 ,这三者应反复调整 ,并通过试听来确定最佳混 响时间 ,当然这需要经验的积累。 混响器可以美化音乐音色 ,产生特殊音响效果 , 进行音响艺术的再创作时 ,在现代音响作品中得到 了广泛的应用。一般来说 ,音乐信号宜用混响器处 理 ,话音信号则宜用延时器处理。由于人们的听觉 已习惯根据直达声与第一个反射声波之间的时间 差 ,来判断厅堂的大小或环境的空旷程度 ,因此用延 时器与混响器配合使用可以得到意想不到的效果。 这样可以模拟空间的大小或环境的空旷程度 ,对音 音响技术　2000/ 4 专业音响 4223　　　 图 10 乐的处理更加生动 ,而且融和感更强 ,更富有层次 感 ,因此被广泛用于各种场合 ,例如卡拉 OK歌舞 厅、电台、电视台等 ,如图 10 所示。 一般来说 ,混响处理的调整应遵循以下原则 : ⑴不严重破坏音源的清晰度 ; ⑵不严重破坏音源的节奏感 ; ⑶不宜产生明显的声染色 ; ⑷残响不宜严重掩蔽音源。 实例介绍 最后简单介绍一下数字混响器 (DSP) 。DSP 指 的是数码声场处理技术 ,其英文全称是 Digitl Sound2 Feild Processing ,DSP 是英文缩写。DSP 是雅马哈公 司的技术专利 ,雅马哈的音响工程师通过对世界一 些著名的音乐厅、歌剧院、体育场等各种不同的空间 音响资料进行了测量和采录 ,载入了雅马哈自行开 发的大规模集成电路 (LSI) ,通过 DSP 模式转换 ,再 将芯片中储存的音场融入音乐中的一项技术。数字 混响器具有频率范围宽、混响时间能连续调整、动态 范围宽等优点。 雅马哈 SPX900 专业混响器 ,具有 50 种工厂预 制的效果程序 ,可以精确地模仿产生自然混响和早 期反射、延迟与回声 ,以及高精密压缩器和激励器等 效果。本机的预制效果程序可以进行编辑 ,也可以 被重新命名 ,并存储到本机内部的 49 个 RAM 存储 器中去。下面是雅马哈 SPX900 型数字效果存储器 预调程序 ,供读者参考。 (1) REV 　厅堂 (2) REV 　厅堂与选通 (3) REV 　房间 1 (4) REV 　房间 2 (5) REV 　房间 3 (6) REV 　白房间 (7) REV 　声音 1 (8) REV 　声音 2 (9) REV 　金属板 (10) REV 　金属板和选通 (11) REV 　管道 (12) REV 　峡谷 (13) REV 　地下室 (14)振动回波测距 (15)选通混响 (16)程序回波测距 (17)延迟 L、R (18)延迟 R、C、L (19)回复选通 (20)立体声混响 (21)立体声突缘 (22)合唱 1 (23)合唱 2 (24)立体声相位调整 (25)震音 (26)交响 (27) ADR 　噪音选通 (28)音调变化 1 (29)音调变化 2 (30)音调变化 3 (31)单声道音调 (32)凝固 (33)声像 (34)触发声像 (35)压缩器 (36)失真 (37)激励器 (38)复合 (39)混合 (回响和混合) (40)复合 (合唱和混响 1) (41)复合 (合唱和混响 2) (42)复合 (合唱和混响 3) (43)复合 (交响加混响) (44)复合 (交响加混响) (45)复合 (激励加混响) (46)复合 (激励加混响) (47)金属板加厅堂 (48)回波测距加混响 (49)回响加混响 …□ 音响技术　2000/ 4专业音响 4224