«Секретное оружие» Третьего рейха ныне доступно каждому (динамическая обработка — что это такое, зачем и как она делается)

Предлагаемый вашему вниманию цикл статей посвящен принципам действия, устройству и работе с приборами динамической обработки (компрессорами, лимитерами, экспандерами, гейтами и комбинированными устройствами).

Эти приборы, как и многое другое, были изобретены в Германии и широко использовались в немецком радиовещании (и грамзаписи), являясь одним из действенных аргументов в пропаганде германского превосходства. Не случайно разработку техники для радиовещания в фашистском государстве непосредственно курировал сам вице-канцлер Геббельс. То, какое значение гитлеровцы придавали этим техническим усовершенствованиям, наглядно показывает следующий факт: во время нашей большой дружбы с Германией в конце тридцатых годов, когда немцы охотно продавали нам образцы своей современной боевой техники (!), в отношении звукотехнического оборудования, и в особенности «ноу-хау», его применения, немецкие официальные лица из Deutchlandfiink в ответ на вопросы с нашей стороны проявляли невероятную застенчивость и «искреннее» непонимание. Воистину, это было «секретное оружие» в пропагандистской войне третьего рейха.

Но никакие секреты не вечны, тем более что после падения Германии немецкие разработки и специалисты оказались в руках победителей. Кроме того, еще до этого многое можно было почерпнуть из описаний немецких патентов и анализа сигналов их радиовещательных станций. Так или иначе, сегодня все эти достижения стали доступны каждому желающему.

Если вы просматриваете зарубежные журналы, например «EQ», «Studio Sound», «Recording», «Audio Media», «Mix», «db» etc., то, наверное, обратили внимание на то, что рекламные листки и статьи о компрессорах, лимитерах и прочих динамических «железках» занимают по объему добрую четверть номера, и трудно найти хотя бы пять - десять страниц подряд, на которых бы не попалась реклама очередного «NEW Compressed Compressor» или «Handcrafted Tubessence Compressor».

В то же время по их прочтении трудно отделаться от впечатления, что рекламные статьи, описывающие в превосходных тонах работу этих чудес технической мысли, отличаются разве что порядком перечисления предметов восторга (лампочек, ручек, кнопочек). Какую-либо более существенную информацию зачастую почерпнуть не удается - мол, купите, слушайте и восхищайтесь («Вы останетесь довольны!»)¹. В связи с этим мне показалось целесообразным в какой-то мере рассеять этот мистический туман с тем, чтобы помочь вам избежать наиболее распространенных ошибок при выборе и применении приборов динамической обработки.

Как известно, для «умного» разговора о живом звуке есть по меньшей мере три темы: микрофоны, пульты и компрессоры (далее - на усмотрение читателей...).

Без компрессоров не обходится ни одна студия, даже домашняя (если только в ней есть хотя бы один микрофон). Компрессоры и их ближние родственники - лимитеры, гейты и экспандеры (компрессоры «наоборот») представляют собой семейство приборов динамической обработки (или, как их еще называют, динамических процессоров - Dynamic Processors). Почему динамической? Потому что то, что делает с сигналом такой прибор в каждый момент времени, зависит от самого сигнала - к примеру, гейт пропускает или заглушает звук в отличие, например, от обычного эквалайзера, которому все равно, что подрезать (или поднимать) -ваш голос, рев динозавра или свой собственный шум. Еще одной особенностью приборов динамической обработки является то, что традиционный набор параметров (искажения, диапазон частот и т. д.) совершенно не отражает реальное качество звучания сигнала, прошедшего через тот или иной прибор, причем качество звука очень критично к настройке прибора. Это сильно затрудняет независимую оценку различных приборов, делая ее очень сильно зависящей от имеющегося опыта и поставленной задачи.

Среди устройств динамической обработки наиболее широко используются компрессоры, многие из которых комбинируются с лимитером и/или гейтом (правда, зачастую эти в принципе весьма полезные дополнения сделаны по «остаточному принципу», явно уступая основному прибору).

Как и полагается в таких случаях, одно и то же устройство оценивается разными людьми зачастую совершенно противоположным образом, что служит неиссякаемой темой для препирательств. Самое удивительное (и смешное), что спорщики частенько слабо представляют, что же (и как) в действительности происходит с музыкальным сигналом внутри компрессора.

Обилие ручек и кнопок усложняет обращение с аппаратом «вслепую», тем более что действие многих из них слышно не всегда (т.е. не сразу).

Сказанное выше, по мнению автора, представляет собой достаточный аргумент в пользу того, чтобы вы потратили толику времени и усилий на то, чтобы понять в деталях, как работают (и как должны работать) приборы динамической обработки, как их выбирать и настраивать для конкретного применения. Чтобы не привязывать изложение к конкретным образцам и в то же время иметь возможность проиллюстрировать описываемые возможности (а также, чтобы не быть обвиненным в скрытой рекламе или антирекламе чьих-то изделий), я решил строить изложение на примере придуманных мною абстрактных приборов, собравших в себе наиболее характерные черты реально существующих устройств от разных изготовителей. Во избежание юридических коллизий считаю своим долгом предупредить читателей, что приведенные далее утверждения отражают исключительно личное мнение автора.
Для начала хотелось бы напомнить, что первым и наиболее важным применением динамической обработки является сжатие динамического диапазона естественного сигнала с тем, чтобы уложить его в прокрустово ложе технических возможностей. Необходимость в компрессии (сжатии динамического диапазона) существует с самого начала становления индустрии радиовещания и звукозаписи, поскольку динамический диапазон входного акустического сигнала почти всегда превышал возможности той техники, которая имелась у большинства потребителей – слушателей радиопередач, коллекционеров грампластинок и магнитных лент.
Чтобы разобраться, что происходит с сигналом при динамической обработке, стоит вспомнить о таких понятиях, как уровнеграмма и динамический диапазон звукового сигнала (а не аппаратуры).

Если вы когда-нибудь видели осциллограмму (форму волны) звукового сигнала², отражающую форму быстрых колебаний воздуха во времени (т.е. звукового давления) и соответствующих им изменений напряжения на выходе микрофона, то, наверное, обращали внимание как на замысловатость, так и на некоторую похожесть формы и величины следующих друг за другом колебаний (см. рис.1).

Осциллограммы весьма подробно отображают звуковые колебания, но неудобны для изучения сравнительно больших (по времени) фрагментов звучания — на рис. 1 изображен фрагмент длительностью всего в одну сотую секунды. Другое неудобство связано с тем, что односторонний размах (его еще называют амплитудой) этих колебаний может меняться в чрезвычайно широких пределах - в сотни и тысячи раз. При этом на осциллограмме столь слабого сигнала почти невозможно ничего различить, хотя звук хорошо слышен³. Поэтому осциллограммы обычно применяются для изучения кратковременных процессов (сотые доли секунды).

В то же время вследствие инерционности человеческого слуха, реагирующего не на отдельные мгновенные изменения звукового давления, а оценивающего звуковые колебания в сумме (примерно за 1/5 секунды), столь подробно изображать кривые колебаний для целей регулирования обычно излишне. Достаточно учитывать изменения размаха (амплитуды) этих колебаний, т.е. изображать огибающую этих колебаний, которая изменяется намного медленнее мгновенных значений (см. рис. 2).

Существенно, что даже эту огибающую детально представлять обычно не нужно, поскольку при определении громкости слух человека инертен. Поэтому приборы, показывающие уровень сигнала, почти всегда усредняют его за некоторое время, обычно от 1/300 до 1/10 секунды⁴. Эта «усредненная» огибающая может быть изображена уже для гораздо большего периода времени. Если ее изобразить в логарифмическом масштабе по высоте, то получившаяся кривая называется уровнеграммой (см. рис. 3).

Рис. 3. Уровнеграмма музыкального произведения при игре «вживую»

Зачем нужен логарифмический масштаб?

Во-первых, воспринимаемая на слух громкость примерно пропорциональна не самому размаху (или мощности) колебаний, а его логарифму, иначе говоря, при регулировке «порциями» для одинакового увеличения (или уменьшения) громкости (одного и того же сигнала) нужно увеличивать (или уменьшать) его размах приблизительно в одно и то же число раз (закон  Вебера-Фихнера). Именно поэтому    величину (уровень) звуковых сигналов измеряют в логарифмических единицах – децибелах⁵ (дБ, англ. dB).

Во-вторых, наглядно отобразить тысячекратные изменения уровня можно только в логарифмическом масштабе.

Каждые 20 децибел соответствуют изменению размаха сигнала ровно в 10 раз, а его мощности - в 100 раз. Поэтому 40 децибел соответствуют 100-кратному изменению размаха сигнала, а 60 децибел - тысячекратному. Мощности при этом изменяются в 10000 и 1000000 раз соответственно (мощность пропорциональна квадрату размаха сигнала, поэтому измеритель мощности на самом деле измеряет квадратный корень из усредненного квадрата входного напряжения – отсюда и название среднеквадратичного, или RMS -Root of Mean Square измерителя). Изменению на 10 децибел соответствует десятикратное изменение мощности и примерно трехкратное изменение размаха сигнала. Двукратное изменение размаха - это 6 децибел (мощность при этом изменяется вчетверо). Один децибел - это примерно 12%-ое изменение размаха и 25%-ое изменение мощности, три децибела - это изменение размаха сигнала в 1,4 раза (и мощности - в два раза). Эти соотношения полезно запомнить, чтобы иметь возможность быстро оценить уровни сигналов и их усилений (или ослаблений). Децибелы не нужно перемножать, их нужно просто складывать или вычитать (что намного проще). Например, суммарное усиление тракта из последовательно соединенных усилителей с усилением 40 и 14 децибел составляет 54 децибела, или 500 раз (54=60-6) по напряжению. Ослабления (затухания), естественно, вычитаются.

Однако децибелы сами по себе - это относительные величины, они показывают, насколько одно больше или меньше другого, и ничего не говорят об абсолютном значении сигнала. На 40 децибел может отличаться и 10 киловатт от одного ватта, и десять ватт от одного милливатта. Чтобы иметь представление об абсолютных величинах, нужно иметь какую-то точку отсчета.

Такие точки отсчета есть, и они стандартизованы во всем мире. В первую очередь стандартизован «0 децибел» звукового давления, который примерно соответствует порогу слышимости чистого тона с частотой 1 килогерц (примерно «си» второй октавы). Обычный уровень шума в тихой студии на 15-20 децибел выше, в жилой комнате – еще на 15-25 децибел больше. Уровень звукового давления на концерте вблизи сцены может превышать 105-110 децибел, что, вообще говоря, не безвредно. Децибелы звукового давления в литературе часто обозначаются как dB SPL (от англ. Sound Pressure Level - уровень звукового давления).

Во вторую очередь стандартизованы уровни напряжений и мощностей в электрических цепях. Здесь существуют две точки отсчета: 0,778 вольт⁶ на 600 Ом нагрузке, что соответствует мощности в одну тысячную ватта - милливатт, и 1 вольт. Величины, измеренные относительно первого уровня, обозначаются как дБм (англ. dBm или dBu), а относительно 1 вольта - как дБВ (англ. dBV). Эти опорные уровни полезно запомнить, как и то, что они отличаются всего на 2 децибела (такое различие между ними в большинстве случаев не имеет значения). Довольно часто уровень, указанный относительно 778 милливольт, обозначают просто как дБ (dB), что служит источником недоразумений - имейте это в виду.

На рисунке 4 приведена очень полезная диаграмма, на которой отмечены характерные уровни напряжений звуковых сигналов.

Рис. 4. Динамические диапазоны различных устройств и входных сигналов:

1. Типичный диапазон рабочих уровней сигнала в рэковых аналоговых приборов;
2. Типичный диапазон рабочих уровней 16-битных цифровых устройств при номинальном уровне -10 dBu;
3. Тоже при номинальном уровне +4 dBu;
4. Типичные границы динамического диапазона аналоговых катушечных магнитофонов;
5. Типичные границы динамического диапазона аналоговых кассетных магнитофонов;
6. Диапазон выходных сигналов с микрофонов (пунктиром показаны пиковые значения).

Примечание: уровень – 130 дБм – это типичный уровень шума микрофонных усилителей, для приборов: нижний конец каждого столбика – это собственный шум прибора, верхний конец – это перегрузка (сильные искажения).

Еще раз напомню, что для звуковых сигналов показаны средние значения уровня сигнала, то есть то, что показывает большинство индикаторов уровня, в то время как через тракт должны без искажений проходить пиковые уровни сигнала. Типовые пороги перегрузки электронных устройств, отмеченные на рис. 4, относятся именно к пиковым уровням. Разница между пиковыми и средними уровнями зависит от характера музыки, вида инструмента и обработки, но обычно лежит в пределах от 6-8 (дудки) до 20-25 (ударные) децибел. Эту разницу принято называть пик-фактором (Crest-Factor) данного сигнала. В среднем для необработанного сигнала с микрофона эта разница составляет 12-15 децибел (4-5 раз).

Что касается времени нарастания (атаки) музыкальных звуков, то оно очень сильно зависит от источника этого звука, а также манеры игры и лежит в пределах примерно от секунды (басовые трубы органа) до десятитысячных долей секунды (хлопок в ладоши). Для большинства инструментов время нарастания укладывается в пределы от 1/5 (флейта) до 1/30 (фортепиано) секунды.

Если посмотреть на уровнеграмму «живого» сигнала, на которой одновременно отражены как пиковый, так и усредненный за некоторое время уровень сигнала (см. рис. 5, на котором в растянутом виде показан фрагмент уровнеграммы с рис. 3), можно заметить две вещи. Во-первых, на графике пиковых уровней есть много весьма кратковременных пиков, почти не влияющих на усредненный уровень и громкость, а во-вторых, диапазон изменений уровня достаточно велик и может достигать 70 и более децибел. Если мы хотим без искажений передать такой динамический диапазон, то, чтобы самые слабые звуки не «утонули» в шумах, а пики сигнала не вызывали искажений, мы должны иметь отношение максимального воспроизводимого у слушателя звукового давления к уровню шума на месте прослушивания по крайней мере на 8-12 децибел больше, чем разность между минимальным и пиковым уровнями на уровнеграмме (на рис. 3 и 5 эта разность составляет примерно 75 децибел).

Но, с другой стороны, уровень шума в городской квартире обычно намного выше, чем в концертном зале, а тем более в студии, составляя в среднем 30-35 дБ, тогда как максимальный уровень звукового давления ограничивается, как правило, протестами соседей и не превышает 80 дБ⁷. Поэтому тихие пассажи все равно будут заглушаться шумом в комнате. При отсутствии соседей появляется другое ограничение - если вы настолько подняли громкость, что теперь даже тихие места перекрывают комнатный шум, то громкие аккорды и коды ураганом извергаются из ваших динамиков (при условии, конечно, что они способны это выдержать), а вам в этот момент становится не по себе – 120 децибел звукового давления сжигают слух, и ни о каком удовольствии при этом уже не может быть и речи. И что делать в автомобиле - ведь там намного шумнее, чем в комнате?⁸.

Рис. 5. Увеличенный фрагмент уровнеграммы, приведенной на рис. 3. Штриховыми линиями показаны пиковые уровни, сплошной – усредненные за 0,1 секунды

Выход из такого положения подсказывает уровнеграмма, на которой видно, что и очень громкие и слишком тихие звуки составляют малую долю от общего времени звучания. Следовательно, если уменьшить уровень самых громких сигналов и поднять уровень самых тихих, то перепад уровней сигнала намного уменьшится и проблем станет меньше. Такая регулировка называется сжатием (компрессией) динамического диапазона и может делаться как вручную, так и автоматически, с помощью компрессора. Если произведение (и/или его партитура) знакомы звукорежиссеру, то результат ручного сжатия (Gain riding) обычно звучит натуральнее, чем при полностью автоматической компрессии, поскольку компрессор реагирует с запозданием («по факту»), тогда как человек может заблаговременно предпринять необходимые действия. Мало того, регулировка усиления - это такое же художественное средство, как педаль рояля, и игнорировать этот факт, по меньшей мере, неразумно.

С другой стороны, сжатие вручную – это очень утомительно, и кроме того, звук на выходе автоматического компрессора, как правило, «плотнее» и «мощнее», чем при ручном сжатии. Важнее всего здесь то, что микшировать некомпрессированные сигналы очень тяжело - не хватает рук (и реакции) для того, чтобы одновременно поддерживать баланс между сильно изменяющимися по уровню сигналами, дабы они не «топили» друг друга, и в то же время получить «ровную» фонограмму. Поэтому всегда, когда нужно будет сводить больше трех - четырех дорожек, есть прямой резон или сразу записать их с компрессией (что лучше в отношении влияния шума при записи и последующей обработке), или же, если вы являетесь счастливым обладателем системы записи с большим динамическим диапазоном (100 дБ и более), сначала записать все дорожки «как есть», а обработку оставить «на потом», когда ее можно будет настроить не торопясь и ничем не рискуя. Как показывает опыт, первый кандидат на компрессию - это вокал, поскольку некомпрессированный голос имеет обыкновение «тонуть» в аккомпанементе⁹. Замечу, что именно по этим причинам в особо «крутых» пультах часто встраивают компрессор-лимитер (конечно, отключаемый) в каждую входную линейку.

Следующим резервом уменьшения динамического диапазона является то, что очень кратковременные пики уровня практически не влияют на общую громкость, и если бы их можно было привести к среднему уровню, то необходимый динамический диапазон звукового давления у слушателя можно было бы сократить на те самые 8-12 децибел, на которые пиковые уровни отличаются от средних (а это порядка 10 раз по мощности!).

Вручную отследить такие пики невозможно, поэтому их «срезание» должно производиться автоматически. Простейшим способом это можно сделать с помощью безинерционного ограничителя (клиппера), который срезает верхушки волны сигнала на определенном уровне (см. рис. 6, верхняя кривая). Подобные устройства сильно искажают звук, поэтому их используют только для передачи речи, и то с «армейским» качеством. Для музыкальных сигналов пришлось изобрести более сложное устройство, быстро уменьшающее свой коэффициент усиления при превышении сигналом некоторого порогового значения, не искажая при этом формы волны. Такое устройство называется лимитером (или жестким компрессором, или инерционным ограничителем), а результат его работы проиллюстрирован нижней кривой на рис. 6.
Если лимитер работает только на пиках уровня, то его работа практически незаметна на слух: громкость остается прежней, а пиковые уровни заметно снижаются.
При более частом срабатывании лимитера звучание музыки становится монотонным и более «жестким», поскольку все громкие места начинают иметь один и тот же уровень - искажается баланс уровней, однако общая громкость (при неизменном пороге лимитирования) заметно возрастает. Этим эффектом часто пользуются для повышения субъективной громкости передач в радиовещании и при записи танцевальной поп-музыки, поскольку при прочих равных условиях среднестатистический слушатель предпочитает более «громкое» звучание, по крайней мере, первые пять минут. Монотонность тоже может иметь коммерческое значение - монотонно звучащая запись быстрее надоест, а, следовательно, быстрее будет куплена новая, вследствие чего возрастут продажи (но не факт, что именно ваших творений!).

Так или иначе, совместное применение компрессирования и срезания выбросов лимитером позволяет не только втиснуть динамику сигнала в «игольное ушко» домашнего прослушивания, но и приспособить фонограмму к проигрыванию в автомобиле или передаче по радио.

Рис. 6. Осциллограммы клиппированного (верхний луч) и лимитированного (нижний луч) сигналов

Сжатие динамического диапазона – это исторически первое и по сей день самое распространенное применение приборов динамической обработки. Однако на компрессии свет клином не сошелся, и обработка динамики сигнала отнюдь не сводится к его сжатию.

По виду выполняемой обработки динамические процессоры можно разделить на шесть основных классов:

1. Лимитеры (инерционные ограничители);
2. Компрессоры (сжиматели);
3. Гейты (пороговые шумоподавители);
4. Экспандеры (расширители);
5. Динамические эквалайзеры и микшеры;
6. «Психоакустические процессоры (энхансеры, эксайтеры и т. д.).

Четкой границы между этими классами нет, тем более что большинство реально существующих приборов сочетает в себе несколько возможных обработок. Тем не менее, рассматривать эти возможности проще по отдельности. Забегая вперед скажу, что психоакустические процессоры попали в эту классификацию потому, что по своему внутреннему устройству все они базируются на некоторой динамической обработке сигнала, хотя это далеко не всегда написано на передней панели или в описании прибора.

Сергей Агеев, дипломированный инженер
Опубликовано в журнале «Шоу-мастер», №7, 1996 год

¹ Частенько единственным довольным остается продавец, получив ваши кровные денежки.

² Если не видели - попросите любого техника показать сигнал на осциллографе. Осциллограф — это «глаза и уши» любого электронщика, так что эта демонстрация для него не составит никакого труда. Получите массу удовольствия.

³ Это особенно хорошо заметно при работе с компьютером — при просмотре волновой картинки без специального увеличения кажется, что звук временами совсем исчезает, тогда как его уровень уменьшается только на 30-40 децибел.

⁴ Время усреднения (иногда называемое временем интеграции) зависит от конструкции и назначения индикатора. В профессиональной практике обычно применяются светодиодные индикаторы с временем усреднения порядка 1/30 секунды. Усредняться может как напряжение сигнала, так и его мощность, в последнем случае результат будет лучше соответствовать ощущаемой на слух громкости. Измерители мощности сигнала называются также «истинными среднеквадратичными», или «True RMS» (Root Mean Square) измерителями (детекторами). Здесь важно отметить, что отдельные выбросы могут существенно превышать усредненное значение, показываемое индикатором, и вызывать перегрузки тракта (особенно при использовании «медленных» стрелочных приборов). По этой причине индикатор средних значений (или VU-метр) часто дополняют безинерционным (пиковым) индикатором для контроля пиковых уровней. В англоязычной литературе такой индикатор часто называют РРМ (Peak Program Meter).

⁵ Приставка «деци» связана с тем, что первоначально предложенная единица измерения — Бел (по имени изобретателя телефона — Александра Белла) оказалась слишком «крупной» для практического применения, и ее поделили на десять долек — децибелов.

⁶ По ряду причин, которых мы не будем касаться, вольтметр переменного напряжения показывает величину, примерно в полтора раза меньшую, чем среднее значение амплитуды сигнала. Так что не удивляйтесь, если кто-то Вам скажет, что полный (от вершины до вершины) размах одновольтового синусоидального сигнала составляет примерно три вольта.

⁷ Кто сомневается — пусть поупражняется на ударной остановке дома!

⁸ Величина уровня шума в автомобиле составляет от 60 до 90 дБ, в зависимости от класса машины, скорости езды и качества дороги.

⁹ Может возникнуть вопрос: почему при «живом» исполнении солист нормально слышен, хотя никакой компрессии нет и в помине? Объяснение состоит в том, что человеческий слух обладает пространственной избирательностью, имея возможность сосредоточиться на звуке, приходящем с определенного направления. Стереофония, в том ее варианте, как она реализуется с помощью панорамирования на пульте при сведении многодорожечной записи, дает на порядок худшее разделение кажущихся источников звука, вследствие чего механизм пространственного слуха работает вполсилы и слабо помогает в их разделении. Именно поэтому приходится использовать «костыли» в виде компрессии и прочих обработок для поддержки звукового образа.