Гребенчатая фильтрация и как ее избежать
Инженерам при настройке систем профессионального звука приходится в числе прочих факторов учитывать линейное искажение сигнала, называемое гребенчатым фильтром. О том, чем вызывается гребенчатая фильтрация и как ее нейтрализовать, рассказывается в статье АРСТЕЛ.
Что такое гребенчатая фильтрация
Гребенчатый фильтр — это линейное искажение сигнала, возникающее в результате взаимодействия двух и более копий одного и того же сигнала, приходящих в точку приема с небольшой временной задержкой друг относительно друга. Звук суммируется с самим собой в течение короткого временного интервала: от менее 1 мс до примерно 25 мс. Результатом этого взаимодействия является характерная частотная характеристика, напоминающая зубья гребенки, где усиление и ослабление сигнала чередуются на определенных частотах. При задержке в 1 мс тембр звука окрашивается. При задержке в 50 мс ухо начинает воспринимать задержанный звук как эхо, что становится еще более заметным при задержке в 100 мс. Кроме того, для реализации гребенчатой фильтрации уровни сигналов должны отличаться друг от друга не более чем на 10 дБ.
Это явление повсеместно встречается в акустике, аудиотехнике, радиосвязи и цифровой обработке сигналов и может проявляться по двум причинам:
- из-за отражений
- потому что открыто более одного микрофона, которые улавливают один и тот же сигнал в разных местах
Гребенчатая фильтрация, вызванная отражениями
Звук отражается от твердых поверхностей, таких как пол, стена, окно, и даже от поверхности воды.
Музыкальные инструменты при записи: фортепиано, виолончель, контрабас, бас-бочка и т. д. — могут выступать в роли отражателей. Кроме того, корпуса акустических систем могут создавать проблемы при гребенчатой фильтрации.
При звукозаписи во время киносъемки может возникнуть проблема с записью диалогов, если люди разговаривают у окна, будь то в комнате, машине или другом месте.
Отражение от близлежащих поверхностей вызывает гребенчатую фильтрацию.
Верхний микрофон направлен своим «глухим» концом на источник звука, и улавливается лишь небольшая часть звука.
Внизу отражающая поверхность заставляет звук отражаться обратно в чувствительную часть микрофона (по оси).
Корпус гитары помещается перед микрофоном перпендикулярно направлению звукового поля. Теперь звук отражается обратно в микрофон с задержкой.
Гребенчатая фильтрация, вызванная несколькими открытыми микрофонами
Другая причина появления гребенчатой фильтрации — использование нескольких микрофонов одновременно. В ток-студии иногда можно услышать, что микрофон ведущего звучит немного грязно, в то время как микрофон гостя звучит гораздо чище. Почему? Ведущий говорит громко, поэтому голос ведущего улавливается двумя микрофонами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Голос гостя улавливается только ближайшим микрофоном, поскольку другой микрофон находится дальше и даже приглушается.
Кроме того, фильтрация может возникать при использовании микрофонов для панельных дискуссий или хорового пения. Эта проблема существует даже при использовании гарнитурных микрофонов на сцене: голоса двух стоящих рядом актеров могут быть уловлены обоими микрофонами.
Негативные явления от гребенчатой фильтрации
«Окрашивание» звука. Звук становится неестественным, «металлическим», «роботизированным», «полым» или бубнящим. Одни частоты подчеркиваются, другие исчезают.
Потеря разборчивости. В речи и вокале провалы в АЧХ могут приходиться на критически важные для разборчивости частоты (1-4 кГц).
Искажение стереокартины. В стереосистеме отражения могут разрушить точную локализацию источников звука.
Проблемы при сведении музыки. Инструменты теряют свою естественность и живость, их сложнее «вписать» в микс.
Акустические методы борьбы с гребенчатой фильтрацией
Поглощение. Использование поглощающего материала на отражающей поверхности. Размещение акустических панелей, басовых ловушек и ковров в точках первых отражений (на стенах сбоку и позади мониторов, на потолке). Это ослабляет амплитуду отраженной волны, сглаживая провалы в АЧХ. Однако иногда достаточно повернуть/переместить отражающий элемент и перенаправить отражения.
Рассеивание (Diffusion). Установка диффузоров. Они не поглощают звук, а разбивают его на множество слабых, приходящих в разное время отражений, что разрушает когерентность и предотвращает глубокую интерференцию.
Положение относительно поверхности. В некоторых случаях микрофон можно разместить настолько близко к отражающей поверхности, что задержка между прямым и отраженным звуком исчезнет. Таким образом, он становится микрофоном граничного слоя.
Ослабление. Если несколько открытых микрофонов вызывают гребенчатую фильтрацию, существует правило: ослабьте задержанный звук, улавливаемый микрофоном, как минимум на 10 дБ, чтобы свести к минимуму проблему гребенчатой фильтрации.
Правило 3:1. Золотое правило гласит, что соседний микрофон должен находиться как минимум в три раза дальше (при условии, что чувствительность и усиление обоих микрофонов одинаковы). Выбор направленных микрофонов может помочь, но всегда следует отдавать приоритет лучшей позиции.
Электронные и программные методы предотвращения гребенчатой фильтрации
Функция задержки (Delay). Если гребенчатый фильтр вызван разностью хода между источниками звука, ее можно компенсировать цифровой задержкой. Прием используется для выравнивания во времени прихода звуковых сигналов от двух источников. Цифровой микшер или процессор позволяет добавить задержку (в миллисекундах) на тот канал, сигнал на который приходит раньше. Метод позволяет бороться не с самим эффектом, а с его причиной — временным рассогласованием.
Функция Automixer. Борется с ГФ в ситуации с одновременной работой нескольких микрофонов: система постоянно анализирует уровень сигнала на всех каналах одновременно. Общий коэффициент усиления всех каналов нормирован так, чтобы суммарный выходной уровень оставался примерно постоянным, независимо от того, сколько микрофонов активно. Если говорит один человек, его канал получает максимальный коэффициент усиления (например, 0 dB), а каналы, на которых нет основного говорящего, сильно ослабляются (например, на −15, −20 dB). Это означает, что их сигнал (который является задержанной копией и вызывает гребенку) практически не попадает в микс. Убирается сама возможность для интерференции.
Всепропускающие фильтры (All-Pass Filters). Их можно назвать фазовыми корректорами. Они сдвигают фазу сигнала на определенную величину, не изменяя его амплитудную характеристику (громкость не меняется), превращая деструктивную интерференцию в конструктивную или, как минимум, значительно ослабив ее глубину.
Fir-фильтр. Гребенчатый фильтр создает на АЧХ серию пиков и провалов. Обычные (IIR) эквалайзеры, выравнивая АЧХ, вносят собственные фазовые сдвиги, которые могут создать новую гребенку или усугубить существующую. FIR-фильтр можно использовать как эквалайзер с линейной фазой, чтобы поднять эти провалы и срезать пики. Линейно-фазовый FIR-EQ выравнивает АЧХ, не внося фазовых искажений. Звук становится чище и точнее.
Компания АРСТЕЛ имеет большой арсенал аппаратуры, способствующей уменьшению негативного эффекта гребенчатого фильтра:
- Направленные микрофоны: ручные кардиоидные MH-80 и суперкардиоидные микрофоны SCM-6000V, MD-110V, MD-510V ослабляют воздействие боковых звуковых волн;
- Цифровой микшер AFDM-024: автомикшер и настройка задержек на всех каналах
- Цифровые микшеры AFDM-116 и AFDM-232: настройка задержек на всех каналах
- Звуковой процессор AFSP-188 имеет функции автомикшера, всепропускающие фильтры и компенсацию задержки
- Цифровые усилители AFDA-1600Q и AFDA-500D имеют Fir-фильтр, всепропускающие фильтры и задержку
- Звуковой процессор DSP-48: функции Fir-фильтр, задержка
- Звуковой процессор AFSP-026: настройка задержек на всех каналах
- Звуковой процессор AFSP-148: всепропускающие фильтры и задержка
