Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Студент магістратури Барановський Д.М.

Вінницький національний технічний університет, Україна

Фізичні засади для створення акустичних ефектів

В наш час актуальними лишаються проблеми якості обробки звуку. Сучасна музична індустрія постійно потребує удосконалення пристроїв обробки звукового сигналу. І досі йде боротьба за якість звукових ефектів.

Аналіз попередніх досліджень.

У ХХ столітті було розроблено багато методів отримання реверберації, основними з них є: ревербераційна камера, пластинчатий ревербератор, пружинний ревербератор, цифровий ревербератор, згортувана реверберація. Кожен із цих методів дозволив зробити крок уперед у галузі акустики, але в той же час має свої переваги та недоліки.

Великий вклад у розвиток акустики, а саме у створення методів розрахунку часу реверберації, внесли відомі вчені У.Себін, К.Ейрінг та Д.Мілінгтон. Зусилля багатьох сучасних дослідників спрямовані на уточнення розрахункових формул. В.Абракітов є одним із таких вчених, він висунув свою методику розрахунку часу реверберації в приміщеннях.

Мета статті – огляд фізичних засад для створення акустичних ефектів, представлення вдосконаленої схеми цифрового ревербератора.

Виклад основного матеріалу.

Реверберація – це залишкове післязвуччя у закритому приміщенні, що утворюється внаслідок багатократного відбиття від поверхонь та одночасного поглинання звукових хвиль. Реверберація характеризується проміжком часу, протягом якого сила звуку зменшується на 60 дБ [1].

Хвилі - це збурювання, які поширюються з кінцевою швидкістю в просторі, і несуть енергію без переносу речовини. Звукові хвилі є частковим випадком хвильового руху, та відносяться до так званих пружних хвиль. В рідинах та газах розповсюджуються тільки подовжні звукові хвилі, в твердому середовищі - як подовжні, так і поперечні (рис.1).

Рисунок 1 – Класифікація видів хвиль за типом та напрямком збурювання.

Звукові хвилі, як згадувалося вище, здатні розповсюджуватися тільки в середовищі, що має пружні властивості. Вакуум єдине середовище, яке не є пружнім. Отже, звукові хвилі в вакуумі не розповсюджуються [2].

Людина відчуває в якості характеристики звуку саме різницю тисків, тобто звуковий тиск. Атмосферний тиск, який при звуковому збуренні збільшується або зменшується, ми не відчуваємо [3]. Кажучи більш точніше, у суб'єктивному відчутті людини вплив амплітудних характеристик за для сприйняття звукових хвиль визначає гучність звуку.

Е.Вебер довів, що приріст будь-якого відчуття (у відповідності приросту подразника) відбувається не плавно, а сходинками. Вчений також визначив величину одиниці такого східчастого графіку. Згодом Г.Фехнер довів, що форма графіка апроксимується логарифмічною залежністю (залежність Вебера-Фехнера) [4].

Аналіз наукових досліджень дозволяє констатувати дослідження довели, що слухові відчуття (у відповідності закону Вебера-Фехнера) сприймаються сходинками величиною в 1 дБ. Таким чином, застосування логарифмічних рівнів не тільки є зручним в математичному плані, але й в повній мірі відповідає психофізіологічним особливостям організму людини [5].

Рисунок 2 – Діапазон слухового сприйняття людини

Просторові характеристики визначають розподіл енергії в просторі хвилею, що розповсюджується: геофізичні координати збурювання, що переноситься даною хвилею, його конкретні геометричні параметри, просторову конфігурацію.

Основним принципом, що описує поширення хвиль, є принцип Гюйгенса-Френеля: кожна точка простору, який досягла в даний момент хвиля, що поширюється, стає джерелом елементарних сферичних хвиль. Результат інтерференції цих хвиль - поверхня елементарних сферичних хвиль, утворює хвильову поверхню [6].

Ключовим поняттям у цьому процесі виступає фронт хвилі: тобто сумарна поверхня, що оточує джерело випромінювання, утворене точками, які знаходяться в однакових фазах. Варто мати на увазі, що така уявлювана поверхня, яка може бути побудована графічно на базі відомих класичних закономірностей, є реальною для тієї ж хвилі, адже вона поширюється в повітрі чи якому-небудь іншім середовищі, переходить з одного середовища в інше і т.п.. У дійсності, вони дуже сильно розрізняються між собою. Ці перекручування і корективи визначаються, у першу чергу, характеристиками середовища поширення хвилі, що дуже сильно впливають на форму фронту, ослаблення амплітуди хвилі тощо (рис. 3).

Рисунок 3 – Фронт хвилі, що спостерігається при дифракції (крива 1) - як результат додавання цих вторинних хвиль, що надходять від джерела хвильового збурювання (крива 2).

Тимчасові характеристики визначають розподіл коливань у часі, тривалість звукових і світлових імпульсів і т.п.

Методи отримання реверберації.

Ревербераційна камера (chamber reverberator) – є основоположником і первісно використовувалась для отримання ефекту реверберації. Ця камера являє собою приміщення зі стінами що добре відбивають звукові хвилі, приміщення могло бути спроектоване нестандартної форми. Звук подавався у камеру через гучномовець, де багаторазово відбивався від стін камери, і записувався за допомогою мікрофону.

Пластинчатий ревербератор (plate reverberator) – був винайдений у 1950-х роках. Основою його конструкції є електромеханічний перетворювач, прикріплений до металевої пластини, що розміщується у металевій рамі. Перетворювач перетворює звукові коливання в коливання пластини які реєструються звукознімачем або звукознімачами (дозволяє отримати стерео сигнал) і перетворюють їх на звуковий сигнал. Пластинчастий ревербератор характеризується ясним, легко металевим звучанням. Широко використовується в поп-музиці. Зазвичай застосовують для обробки вокальних та ударних доріжок [3].

Пружинний ревербератор (spring reverberator) – пристрій, в основі конструкції якого – пружина, що починає коливатися завдяки електромагнітному перетворювачу. На протилежному кінці пружини розміщено звукознімач, що перетворює коливання пружини в звуковий сигнал. Раніше пружинні ревербератори використовувались у напів-професійному звукозаписі через їх малі габарити та низьку вартість. Також пружинні ревербератори можна зустріти в гітарних підсилювачах навіть по сьогоднішній день. Недоліком пружинного ревербератора є «мікрофонний ефект» тобто він дуже чутливий до зовнішніх впливів. Деякі музиканти використовують пружинні ревербератори для створення спец ефектів за допомогою їх струшування чи ударів по ним [7].

Цифровий ревербератор (digital reverberator) – пристрій в основі якого лежить цифрова обробка звуку. Прості алгоритми реверберації використовують зворотній зв'язок для розгалужених ліній затримки, завдяки чому генерується велика кількість затухаючих повторень вихідного звуку. Більш складні алгоритми емалюють часову і частотну характеристики реальних приміщень.

Згортувана реверберація (convolution reverb) – реверберація отримана шляхом цифрової згортки вхідного звуку та імпульсної характеристики приміщення. Для того щоб визначити імпульсну характеристику, слід згенерувати в конкретному приміщенні широкосмуговий сигнал і записати його в режимі моно або стерео з реверберацією цього приміщенні [6].

В пристрої для створення акустичних ефектів буде використаний блок цифрового ревербератора на мікросхемі РТ2399, стандартна схема включення якої зображена на рисунку 4.

Рисунок 4 – Стандартна схема включення РТ2399

Запропонована схема не дозволяє здійснювати регулювання гучності повторів та об’єму приміщення для ведення цих додаткових функцій. В зв’язку з цим схема включення була модернізована, і має наступний вигляд.

Рисунок 5 – Модернізована схема включення РТ2399

Функція регулятора гучності повторів дозволяє гітаристам використовувати ревербератор для підкреслення сольних партій, тобто при грі соло підвищується гучність і додається сам ефект реверберації.

Сигнал, пройшовши попереднє підсилення в лівому операційному підсилювачі (ОП), потрапляє на мікросхему ревербератора, далі через резистор на правий ОП. З виходу ревербератора (14 вивід) затриманий сигнал через змінний резистор WET, роздільний конденсатор і ще один резистор потрапляє також на правий ОП, де підмішується до основного сигналу, а через змінний резистор REP іде назад на вхід мікросхеми.

За допомогою модернізованої схеми ми можемо регулювати глибину зворотного зв’язку (REP), кількість повторів сигналу, рівень (WET) затриманого сигналу. Представлена мікросхема також дозволяє регулювати час затримки, регулятор TIME, змінний резистор з виводу 6.

Висновок. Таким чином, удосконалення та модернізація пристроїв обробки звукових сигналів дозволить зробити значний крок у розвитку музичної індустрії.

Література:

1. Абракітов В.Е. Багаторазові відбиття звуку в акустичних розрахунках: Монографія, Харків, 2007. - 244-280c.

2. Leo Beranek: Concert and Opera Halls – How They Sound. USA:/ Leo Beranek // Acoustical Society of America. - 1996. – 268p.

3. L. Cremer, H.A. Müller: Principles and Applications of Room Acoustics - Londyn: Applied Science, 1982. – 100p.

4. Tomasz Hajduk. IK Multimedia Classik Studio Reverb – zestaw wtyczek pogłosowych. „Estrada i Studio”, czerwiec 2006. [dostęp 21 czerwca 2010]. – 115p.

5. DeeT's "What Compressor" Page [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://dt.prohosting.com/hacks/what.html

6. Краткий обзор основных гитарных эффектов [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://guitarline.ru/2009/12/14/kratkij-obzor-osnovnyx-gitarnyx-effektov/

7. Zoom sound laboratory [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.zoom.co.jp/english/products/