Частотная коррекция. Назначение и классификация фильтров.

Частотная коррекция. Назначение и классификация фильтров. Теория

Доброго всем здравия! Хорошего настроения и отличного звука!

Встретилась мне тут недавно статья, где обсуждались такие вопросы как: частоты, фильтры, частотная коррекция, сведение звука в студии. Статья была почти научная. Какие-то вещи мне были уже известны давно. Другие понятия я вновь открыл для себя, но с другой стороны. Многое стало ещё понятнее и проще в понимании. Решил, что поделюсь с вами этой информацией.

Предупреждаю — слов будет  достаточно много (около 3000), так что, если тема интересна, запаситесь терпением и почитайте, картинок может и не будет. Профессионалам это уже давно известно и возможно они сочтут это словоблудием. Тогда пусть так и думают, и проходят мимо.

На страницах нашего сайта, и ещё больше — на множестве других разных сайтов, можно найти ответы на интересующие нас вопросы. На сайте МузМедиа.инфо много уже написано про фильтры, кроссоверы, так как сайт изначально задумывался — рассказывать про это, про доработки, про разработки, прослушивание и про использование акустики и любой звуковоспроизводящей аппаратуры.

Есть у нас свой опыт. А так же — описываем опыт и мнение других, таких же — как мы. Потому, повторения, уточнения и более глубокие «разборы» были и будут. Сегодняшняя статья не повторение, но разъяснение, описанное немного научным языком. Конечно, постараюсь от себя, внести более понятные слова и изложить мной прочитанное боле понятным языком. Но как пойдет…

Пролог

Кстати, то что вы сейчас прочитали, как называется? Как думаете? Вступление. Начало. Введение. Вводная часть. Предисловие.  Пролог. Прелюдия. Присказка. И ещё несколько слов, понятие которых сведено к одному смыслу, коротко рассказать — о чем статья. Это я к чему.

Написание хорошей статьи (интересной и полезной) сегодня — является непростым делом. А плохих статей — просто огромное множество. Сам наталкиваюсь иногда на статьи, которые читать не просто неинтересно — противно. Они бывают напичканы рекламой, которая просто мешает читать. Бывает «статья» собранная «ботами» и склеенная в одно огромное полотно, которому конца нет. И зачастую, такие «статьи» ставятся поисковиками на первые места. На самом деле там есть искомая информация, но пока её найдешь (получишь), приходится пролистывать почти до конца. А иногда и ответа там не находишь. Бывает очень обидно, что теряешь много времени на поиск хорошо изложенной информации.

Наши статьи не отличаются краткостью, признаемся честно. Хочется подробнее рассказать, поделиться в деталях. Ведь сайт изначально задуман как информационный (не обучающий), и в основном — для начинающих меломанов, для людей, которые интересуются музыкой, качественным воспроизведением любимых исполнителей на своей радиоаппаратуре. И на это не всегда хватает пару предложений. Посему, попробуем вернуться к нашей теме, к нашей беседе.

Вступление по теме

Сегодня пробежимся по понятию — Частотная коррекция. Сюда так же попадает подраздел — «о классификации фильтров». В интернете, в среде меломанов и аудиофилов в частности, ведется непрекращающийся спор — какое оборудование может и вносит искажения в звуковой сигнал.

Так и что может являться источником звуковых искажений? Плохие динамики, наличие или отсутствие ватина в акустике, неправильно рассчитанные фазоинверторы или срезы кроссоверов, неподходящие к акустике усилители, эквалайзеры, сами транзисторы или микросхемные сборки в усилителях…?? Где причина?

Частотная коррекция — понятия

Что мы можем понимать под понятием — частотная коррекция звукового сигнала? Если коротко, то это:

  • изменение его частотной или фазовой характеристики;
  • сужение или расширение динамического диапазона;
  • применение амплитудной, частотной или фазовой модуляции;
  • удаление шумов;
  • создание задержек по времени затухающих копий этого сигнала.

Цель коррекции звука

Может это чисто техническая задача — согласовать параметры самого сигнала с характеристиками электроакустического тракта. Иначе скажу: привести в согласие акустику и весь звуковой тракт усилителя, в том числе проигрывателя с исходным звуковым треком.

Так же, техническая коррекция звука всегда нужна при настройке звукового оборудования в специальном помещении: будь это комната для прослушивания у вас дома; звуковая комната для записи инструментов (запись в студии); театральный зал; концертный зал, много ещё когда.

А может цель коррекции — специальный художественный ход. Это может быть задумка звукорежиссера при записи фонограммы. Он может использовать различные звуковые эффекты: тремоло, вибрато, хор, эхо, реверберация и много других. Так же, режиссер наверняка воспользуется эквалайзером (любым или несколькими сразу), для придания отдельным инструментам и всему произведению специфичного, задуманного самим режиссером звука.

Способы корректировки звука

В наш век компьютеров и «цифры» — коррекция всех звуковых сигналов может производиться в цифровом виде. Этому помогают мощные процессоры и устройства на их основе. Цифровые процессоры сегодня устанавливаются и в специальную звуковую аппаратуру (в театрах, кинозалах, в домашних ресиверах..). Изготавливаются специальные звуковые платы для компьютеров, где специальный процессор занимается обработкой звука и ни чем более, и он будет гораздо быстрее и качественнее работать со звуком, нежели работает штатный звук компьютера. В сотовых телефонах часто встраивают дорогостоящие процессоры, которые позволяют даже в таком простом и маленьком устройстве получить отличный звук.

Было время, когда студия для записи звуковых фонограмм могла занимать десятки квадратных метров помещений. А нынче — один ноутбук может легко справиться с теми и другими проблемами. Естественно, цена получаемых треков в этой студии должна была значительно снизиться, так как не нужно было огромное количество аппаратуры, примочек, фильтров и эквалайзеров, огромных катушечных многоканальных магнитофонов с 5 сантиметровой лентой. Всё заменяет один, не очень дорогой компьютер. Конечно, он будет снабжен специальной звуковой картой, на мощном процессоре.

Все эти достоинства снижают (должны снижать!) себестоимость самой записи, облегчают работу звукорежиссеру, позволяя ему делать с исходными записями всё что ему захочется! Все делается в нескольких программах, которые доступны в понимании простому любителю и, немного продвинутому в компьютерном вопросе, школьнику.

Эта технология позволяет выполнять любые сложные и очень сложные коррекции звука, преобразования, создавать и применять, и отменять невозможные ранее звуковые эффекты.

Ранее, вспомнить если времена на «заре» электронной музыки, почти каждый эффект в музыкальном треке создавался на отдельном устройстве, на разных синтезаторах, к примеру. А потом всё эти отдельные треки сводились в один. Каждая такая установка стоила очень много денег и использовать её мог далеко не каждый музыкант. Кстати, воспроизводить специфичные звуки, которые использовались в треках известных позже музыкантов, создавались не самими музыкантами, а инженерами, которые могли извлекать странные и необычные звуки из тех огромных электрических машин, напичканных лампами, транзисторами и имеющих отличные от других подобных машин (синтезаторов) свойства.

Именно по причине громоздкости и неудобств, а так же, резкого технологического прорыва, цифровая техника практически полностью вытеснила из студий звукозаписи старые аналоговые устройства. Практически во всем мире, все студии звукозаписи перешли на этот вид обработки звука. Хотя некоторые продолжают извлекать звуки и обрабатывать звук через эти «древние машины» и тем имеют популярность.

Цифровая обработка

Это просто, удобно, быстро и качественно. Цифровая обработка звука может быть организована как программно, так и аппаратно. Как это понять?

Аппаратная обработка

Это использование специализированных звуковых плат, на мощном процессоре. Это могут быть платы для бытового компьютера, для профессионального микшерского пульта, для отдельного блока в стойке звукорежиссера. Так же, сейчас набирают популярность наружные (внешние) звуковые платы, которые подключаются к компьютеру через usb порт и позволяют быстро и качественно обрабатывать и получать отличный звук.

Технология дошла до такого, что хороший аналоговый звук можно получить с компьютера через маленькую «карточку», которая размером с обычную флешку. Подключил к ноутбуку или компьютеру, а на выходе получаешь хороший аналоговый звук.

Программная обработка

В этом случае речь идет о программном обеспечении, с помощью которого можно без особых усилий обработать нужный звук до желаемых результатов. Такие программы называются — Звуковые редакторы.

На рынке программного обеспечения множество вариантов. Есть и совсем профессиональные, которые стоят немалых денег, но есть и практически бесплатные, или вовсе — Free (безоплатные). Возможности у всех разные, предназначение тоже — специфичное. Некоторые, как студийный магнитофон — позволяют записывать треки на несколько каналов одновременно, а потом производить с отдельными семплами или каналами нужные манипуляции.

Существует некий, негласный список подобных программ, которые используются чаще других. И на то имеются причины. Цена программы — здесь не показатель. Всё в возможностях программы и её назначения. Так же они различаются в качестве обработки звукового потока (сравните MP3 и Flac файлы — это про то качество).

Есть программы попроще, так сказать — для бытового использования. А есть и просто профессиональные, возможности которых вовсе не нужны простому меломану-музыканту, который решит обрабатывать свои треки. Он, воспользовавшись простой программой, удовлетворит свои желания — сделает свою музыку красивой и интересной.

Все эти виды обработки звукового сигнала могут проводиться в режиме реального времени — это когда идет запись с микрофона (поёт солист) и всех используемых инструментов по отдельности на отдельные каналы в звуковом редакторе. В этот момент звукорежиссер может настроить уже нужный ему звук, эффект и записать трек именно такой.

Но есть и другой вид обработки, когда коррекция применяется к уже записанной фонограмме. Такой вид коррекции используется когда производится мастеринг фонограммы, когда она готовится к тиражу. В этом случае можно проводить обработку звука не спеша, скрупулезно пробуя возможные варианты звучания. Можно легко «откатиться назад» и начать всё заново — это очень удобно.

Так же, при записи трека, может использоваться Midi-клавиатура. В результате, звукорежиссер, инженер и продюсер (иногда всё это в одном лице) может создавать треки, не имеющие ничего общего с исходным записанным звуком. Это можно назвать — произведением искусства: подбор, сведение всех сегментов записанных на разных дорожках, в виде семплов, и сбор в одно временное событие. Каждая часть отдельных звуковых семплов должна идеально подходить друг к другу.

Чтобы всё это свести в одну фонограмму, сделать из набора звуков — произведение, нужно немного быть и художником, и инженером, и ученым. Без знаний простых и сложных физических основ производимых манипуляций со звуком — ничего не получится. К тому же, нужно знать электронное оборудование и уметь им пользоваться.

Всё это была как бы преамбула. Теперь непосредственно — о частотной коррекции, замолвим словечко.

Частотная коррекция

Что такое — частотная коррекция? В пару слов можно сказать, что это понижение или повышение уровня спектра некоторых частей звукового сигнала в нужных полосах. При этом, используются фильтры без внесения каких либо новых составляющих спектра.

Для какой цели нужна значительная частотная коррекция? Она необходима звуковоспроизводящей аппаратуре, в помещениях с плохими акустическими характеристиками. В таких помещениях обычно устраивают разные музыкальные концерты, театры в том числе. Так же, часто требуется частотная коррекция в помещениях где прослушивают какие либо звукозаписи.

Как упомянуто было ранее в данной статье — частотная коррекция, очень часто, бывает просто необходима в помещениях, где плохие акустические характеристики.

К примеру, в каком нибудь зале «Дома культуры» имеются голые окрашенные стены и бетонный пол. Окна в таком помещении, части мебели, могут начинать издавать дребезжащие звуки или появится странный гул. От этого, сами исполнитель на сцене и слушатели в зале могут перестать различать слова песни.. Подобные проблемы с восприятием звуковой картинки могут возникать и в салоне вашего авто.

Аппаратура частотной коррекции является важной составляющей между звучанием звуковоспроизводящей системы и откликом самого помещения. Корректоры используют во всех студиях звукозаписи. Они помогают решить много технических вопросов:

  • ограничение полосы звукового тракта;
  • подавление сетевых наводок по питанию;
  • подавление низкочастотных шумов;
  • коррекция АЧХ микрофонов;
  • настройка и коррекция акустических систем;
  • коррекция акустических характеристик помещений.

Всё чаще и активнее частотная коррекция применяется при сведении и мастеринге фонограмм. Таким образом упрощается работа звукорежиссера и решаются многие творческие проблемы. Несложно создаются новые звуковые эффекты, имеющимся — придаётся новый звук и качество.

Устройства и фильтры частотной коррекции

Сейчас, частотная коррекция звуковых сигналов осуществляется с помощью достаточно сложных и зачастую специфичных устройств и фильтров. Эти устройства могут быть: и как отдельная аппаратура, и как программный продукт. Приведу небольшой список вариантов фильтров и устройств:

  • фильтры ограничения полосы частот;
  • полосовые фильтры;
  • фильтры плавного подъема и спада АЧХ;
  • фильтры «присутствия» — графические эквалайзеры;
  • параметрические эквалайзеры;
  • параграфические эквалайзеры;
  • кроссоверы.

Все эти фильтры и устройства, которые можно использовать при частотной коррекции, можно разделить — на аналоговые и цифровые. Аналоговые фильтры могут быть пассивными или активными, это смотря по каким схемам и на каких элементах они построены.

Линейные и нелинейные фильтры

Так же, фильтры (по принципу работы) можно разделить на линейные и нелинейные.

  • Линейный фильтр — динамическая система, применяющая некий линейный оператор ко входному сигналу для выделения или подавления определённых частот сигнала и других функций по обработке входного сигнала.
  • Нелинейный фильтр — устройство для обработки сигналов, выход которого не является линейным оператором от входного сигнала.

Да, тут без научных терминов сложно как-то сказать иначе, это нужно понять, хоть немного…

Рекурсивные и нерекурсивные фильтры.

Все аналоговые фильтры являются рекурсивными, цифровые фильтры могут быть как рекурсивными, так и нерекурсивными.

Рекурсивный фильтр — с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтр) — линейный электронный фильтр, использующий один или более своих выходов в качестве входа, то есть образует обратную связь. Примерами БИХ-фильтров являются фильтр Чебышева, фильтр Баттерворта и фильтр Бесселя.

Нерекурсивный фильтр — с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр, FIR-фильтр) — один из видов линейных электронных фильтров, характерной особенностью которого является ограниченность по времени его импульсной характеристики (с какого-то момента времени она становится точно равной нулю). Такой фильтр не имеет обратной связи, как рекурсивный.

Основные используемые рекурсивные фильтры, по виду передаточной функции, выделяют следующие качественные фильтры:

  • фильтры Бесселя – обладают наиболее гладкими АЧХ и ФЧХ (особенно в полосе пропускания), однако крутизна спада АЧХ у них наименьшая;
  • фильтры Баттерворта – имеют более крутой спад АЧХ (6*N дБ/октаву, N — порядок фильтра) и менее линейную ФЧХ;
  • фильтры Чебышева – имеет еще более крутой спад АЧХ, однако, их АЧХ не монотонна, а имеет осцилляции заданного уровня в полосе пропускания, либо в полосе подавления. ФЧХ фильтров Чебышева немонотонна и имеет пик вблизи частоты среза. При задании меньших пульсаций фильтра крутизна спада АЧХ уменьшается, и фильтр Чебышева превращается в фильтр Баттерворта;
  • эллиптические фильтры – обладают наиболее крутым спад АЧХ, но имеют пульсации АЧХ как в полосе пропускания, так и в полосе подавления. ФЧХ эллиптических фильтров не монотонна. При повышении требований к пульсациям этот фильтр превращается в фильтр Чебышева.

Фильтры при частотной коррекции.

В зависимости от того, какие частоты будут пропускаться фильтром при частотной коррекции, их можно разделить на несколько групп. Визуальное отображение частотных характеристик этих фильтров будут приведены на рисунках ниже, в тексте — частотные характеристики фильтров, используемых в аудиотехнике.

Фильтр низких частот (Lowpass – LP) выделяет нижние частоты до частоты среза fc и подавляет частоты выше этой частоты.

Фильтр низких частот (Lowpass – LP)

 

Фильтр высоких частот (Highpass – HP) выделяет частоты выше частоты среза и подавляет частоты ниже этой частоты.

Фильтр высоких частот (Highpass – HP)

Полосовой пропускающий фильтр (Bandpass – BP) выделяет частоты выше частоты среза fcl и ниже частоты среза fch . Частоты ниже fcl и выше fch подавляются.

Полосовой пропускающий фильтр (Bandpass – BP)

Полосовой режекторный фильтр (Bandreject –BR) выделяет частоты выше частоты среза fch и ниже частоты среза fcl . Частоты ниже fch и выше fcl подавляются. Режекторный фильтр «вырезает» ненужный диапазон частот. Остаётся спектр звуковых волн «до» и «после» частотных точек среза.

Полосовой режекторный фильтр (Bandreject –BR)

Узкополосный пропускающий фильтр (Resonator filter) пропускает частоты в узкой полосе вблизи частоты среза fc . Узкополосные пропускающие фильтры пропускают только определенный диапазон звуковых волн, но поглощая при этом диапазон частот выше точки среза и диапазон немного ниже этой точки. Так формируется выделенная полоса пропускания частот.

Узкополосный пропускающий фильтр (Resonator filter)

Узкополосный режекторный фильтр (Notch filter) подавляет частоты в узкой полосе вблизи частоты среза fc . Узкополосные режекторные фильтры «не трогают» спектр звуковых волн, кроме как в определенной точке среза. Получается как бы «провал» в диапазоне частот — поглощение определенного участка звукового спектра.

Узкополосный режекторный фильтр (Notch filter)

Всепропускающий (сквозной) фильтр — фазовый фильтр (Allpass filter). Он пропускает все частоты, не изменяя в них ничего, но изменяет фазу выходного сигнала. «Сквозной фильтр» всех частот — это фильтр обработки сигнала, который пропускает все частоты с одинаковым коэффициентом усиления, но изменяет соотношение фаз между различными частотами. Большинство типов фильтров уменьшают амплитуду, то есть величину, подаваемого на него сигнала для некоторых значений частоты, тогда как фильтр всех частот пропускает все частоты без изменения уровня.

Вид ФЧХ всепропускающего фильтра при различных значениях параметра «коэффициент усиления»:

  • ФЧХ всепропускающего фильтра. Красным выделен график при k=0, в результате получаем линейную ФЧХ, и при k=0,9.

ФЧХ всепропускающего фильтра при k=0.9

  • ФЧХ всепропускающего фильтра. На этом графике показаны ФЧХ при k= -0.9 до 0.

ФЧХ всепропускающего фильтра при k= -0.9

Таким образом делаем вывод, что всепропускающий фильтр первого порядка не искажает амплитудный спектр сигнала, но имеет нелинейную ФЧХ, зависящую от параметра k.

Заключение

Частотная обработка сигнала при помощи фильтров – всегда была сложная, дорогостоящая и очень трудоемкая, а так же и затратная процедура. Но, относительно с недавнего времени, эти работы можно проводить при помощи цифровых устройств. Ранее использовать различные эффекты звучания и проводить частотную коррекцию можно было только на аналоговой аппаратуре.

Аналоговая аппаратура требовала огромное количество активных и пассивных элементов, к которым предъявлялись высокие требования, точность всех параметров при их изготовлении. Так же, большинство аналоговых фильтров вносят в сигнал сдвиг во времени, изменение масштаба времени, сдвиг спектра сигнала, дифференцирование сигнала (чем медленнее во времени изменяется входной сигнал, тем лучше дифференцирование)..

Использование цифровых устройств позволяет гораздо меньше зависеть от элементной базы аппаратуры и качественно обрабатывать сигнал. Такие устройства позволяют точно оцифровать звук и имеется возможность, без существенных искажений, воспроизводить его. К тому же, для проведения множества различных манипуляций со звуком не нужно менять само оборудование.

Для цифровой обработки, проведения множества манипуляций, требуется много времени, но гораздо меньше чем с использованием аналоговой техники.  Все эти работы можно проводить когда удобно и сколько нужно, к тому же — всегда можно «откатить назад» все изменения, чего нельзя сделать с аналогом.

Но есть минус — некачественное или просто очень примитивное цифровое оборудование может вносить в звук помехи, искажения,  нечто своё. Для простого примера — мы можем сравнить файлы МР3 с битрейтом 128 и 320 кбит\с и всё становится понятно о чем я пытаюсь сказать.

Но эта проблема будет вам недоступна, если вы используете современное оборудование, в котором используется (например в современных эквалайзерах) 24-разрядное квантование и частота дискретизации достигает 96 и 192 кГц. К тому же, технологии не стоят на месте и цена на более совершенное и качественное оборудование постоянно снижается, что позволяет использовать его любому меломану или музыканту.

Резюме

Надеюсь вам было всё понятно — что такое частотная коррекция? ну или почти всё. Главное понимать, как работают фильтры при частотной коррекции, что бы их правильно и без ущерба для звука применять.

Повторюсь ещё раз, что не каждому профессионалу в звуке, особенно с большим опытом, удается объяснить простым языком «банальные вещи». Такие люди «говорят на другом уровне» и всё банальное для них — это «тёмная тьма» для многих других.

Подпишитесь и получите оповещение о выходе новой статьи. Положите в закладки и заходите почитать, как будет время или интерес появится.

Прошу не принимать все сказанное — как науку, просто имейте ввиду.


Есть ещё интересные темы, которые хочется обсудить, спорные моменты, музыкальные треки, на которые хотелось обратить ваше внимание. Не отходите далеко, а лучше подписывайтесь на наши новости.

Будем рады вашему вниманию и комментариям. Вам не трудно — проголосуйте за эту статью. Буду примерно знать ваше мнение о сказанном.

Всего знать — не дано никому, потому многие учатся до конца своих дней, если им это интересно. Так и мы, стараемся познать и поделиться своими размышлениями.

Хотите поделиться своим опытом, знаниями — напишите и мы обязательно примем меры к изучению информации. Вы сможете выразить своё мнение или вы захотите стать автором статей прямо на нашем сайте! Не забываем про Авторские права.


Хотите поделиться мнением о прочтенном на этой страничке — очень будем рады! Оставьте свой отзыв или напишите пожелания в форме ниже.

Возможно, некоторые фото или тексты, для данной статьи, взяты из открытых источников интернета, для примера и ознакомления. Если не указано иное, то не претендуем на авторство оных. Так же, использовано немного своих, можете пользоваться. В случае, если нарушены чьи-то права — сообщите об этом в комментариях.

МузМедиа
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.

 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: