Wstęp
Echo
Pogłos
Flanger
Chorus
Phaser

Wstęp

Efekty dźwiękowe takie jak echo, pogłos, chorus, flanger lub phaser są niezastąpione w produkcjach dźwiękowych. Są też częścią systemów audio powszechnego użytku.
Większość z nich jest realizowana za pomocą procesora sygnałowego, który może znajdować się w osobnym module lub też być wbudowany w urządzenie np. w klawiaturę lub moduł brzmieniowy. Typowy schemat ideowy przedstawia rys.1.

schem_system
Rys.1. Schemat ideowy systemu przetwarzania dźwięku

Procesor pobiera sygnał audio z instrumentu lub rejestratora i próbkuje go np. z częstotliwością 44,1 kHz. Następnie zostaje on przetworzony zgodnie z algorytmem procesora, zrekonstruowany do postaci analogowej i podany do kolejnego urządzenia systemu np. wzmacniacza m.cz.
W systemach cyfrowych proces próbkowania i rekonstrukcji może być pominięty , a sygnał jest transmitowany tylko w postaci cyfrowej. Trzeba jednak pamiętać o zgodności częstotliwości próbkowania poszczególnych elementów systemu, a w razie niezgodności zastosować algorytm przepróbkowywania sygnałów cyfrowych.

Efekty dźwiękowe zaczęły być częścią syntetyzerów w latach '80, kiedy to wzbogacano brzmienia fortepianu oraz sekcji smyczkowej (syntetyzowanej) za pomocą chorus'a, a w latach '90 stały się ich nieodłącznym elementem.
 

Powrót
 
Echo

Echo jest to powtarzanie oryginalnego sygnału audio po ustalonym czasie opóźnienia oraz ze stłumioną amplitudą. Efekt naśladuje odbijanie się fal akustycznych od dużych, oddalonych obiektów. Szybko powtarzające się odbicia określa się mianem echa trzepoczącego.

Realizacja pojedynczego echa jest bardzo prosta : jest to filtr FIR z jedną linią opóźniającą przedstawiony na rys.2.

Fir
Rys.2. Schemat filtru FIR

Równanie różnicowe ma postać y(n)=x(n)+ax(n-D) , gdzie D określa opóźnienie w próbkach, a współczynnik a określa tłumienie związane z odbiciem od obiektu. Transmitancja takiego filtru wynosi H(z)=1+az-D, zatem moduł widma amplitudowego posiada minima dla w=2kp/D o amplitudzie 1-a oraz maksima dla w=(2k-1)p/D o amplitudzie 1+a.

Fir-wykres
Rys.3. Moduł transmitancji filtru FIR

Do realizacji wielokrotnego echa o tych samych odstępach czasowych wystarczy filtr IIR przedstawiony na rys.4.

Iir
Rys.4. Schemat filtru IIR

Równanie różnicowe ma postać y(n)=ay(n-D) +x(n), gdzie D odpowiada czasowi pomiędzy kolejnymi odbiciami w próbkach, a a określa jak szybko echo zostanie stłumione. Transmitancja takiego filtru wynosi H(z)=1/(1-az-D) , zatem moduł widma amplitudowego posiada minima dla  w=(2k-1)p/D o amplitudzie 1/(1+a) oraz maksima dla w=2kp/D o amplitudzie 1/(1-a). Trzeba pamiętać, że filtry IIR mogą się wzbudzać, zatem a<1. W przeciwnym przypadku filtr będzie niestabilny.

Iir-wykres
Rys.5. Moduł transmitancji filtru IIR

Oczywiście aby uzyskać  efekt echa trzeba zastosować znaczne opóźnienie D = [td*fs], gdzie td>100ms, co przy częstotliwości próbkowania fs=44,1kHz daje D>4410. Jeśli opóźnienie td jest rzędu pojedyńczych ms zyskujemy tzw. filtr grzebieniowy. Można też efekt modyfikować poprzez wymianę elementu skalującego a na filtr dolno przepustowy, symulowałoby to naturalne większe tłumienie wysokich częstotliwości względem niskich.

W syntetyzerach efekt echa można również uzyskać poprzez ponowne wyzwolenie  generatora obwiedni ADSR lub generację dodatkowego kodu MIDI.
 

Przykłady dźwiękowe
wejścieEcho zastosowane do czystej gitary (2*103kB)wyjście
wejścieEcho zastosowane do gitary z przesterem (2*110kB)wyjście
wejścieFiltr grzebieniowy zastosowany do gitary z przesterem (2*38kB)wyjście
wejścieEcho zastosowane do perkusji poprawnie (146kB+170kB)wyjście
Echo zastosowane do perkusji niepoprawnie (260kB)wyjście

Powrót
 
Pogłos

Zjawisko pogłosu występuje w każdym pomieszczeniu i jest ono następstwem wielokrotnych odbić fal akustycznych od ścian pomieszczenia jak też obiektów w nim znajdujących się. Ilość odbić jest na tyle wysoka, że stają się nierozróżnialne dla ucha. A żeby określić ilościowo pogłos należy zmierzyć tzw. czas pogłosu tzn. czas po którym energia fal akustycznych odbijających się w pomieszczeniu zmaleje do -60dB w stosunku do energii panującej w tymże pomieszczeniu w momencie wyłączania impulsu testującego.
Samo zjawisko można podzielić na dwie fazy :
1. wczesne odbicia - do słuchacza docierają czoła fal po pierwszym odbiciu
2. pogłos - wtórne odbicia nie rozróżnialne dla ucha

Pierwsze realizacje tego efektu bazowały na zjawiskach mechanicznych - pogłos sprężynowy, do dzisiaj stosowany we wzmacniaczach gitarowych - oraz na analogowej pamięci taśmowej. Następnym krokiem w rozwoju były analogowe linie opóźniające zastąpione w latach 80-tych odpowiednikami cyfrowymi, a następnie zastosowano procesory sygnałowe, co umożliwiło na symulacje dowolnych parametrów zjawiska.
Jest to zjawisko bardzo ważne w akustyce. Jakość pogłosu pomieszczenia wpływa na zrozumiałość mowy i brzmienie instrumentów. Dzięki sztucznemu pogłosowi możemy wpływać na walory przestrzenne nagrań, audycji lub innych produkcji dźwiękowych.
Realizacja algorytmu realizująca pogłos składa się z kilku do kilkunastu filtrów takich jak przedstawiono w rozdziale o echu z tą różnicą, że czasy opóźnienia są krótsze. Wprowadza się też nowy rodzaj filtru - filtr wszechprzepustowy . Ten filtr działa tak jak zwykłe echo z tą różnicą, że moduł widma amplitudowego jest funkcją stałą - unikamy w ten sposób zmiany barwy dźwięku.

wszechprzepustowy
Rys.6. Filtr wszechprzepustowy

Transmitancja takiego filtru ma postać H(z)=(-a+z-D)/(1-az-D).
Ponieważ pogłos jest algorytmem złożonym zatem istnieje wiele wariantów rozwiązań. Przytoczony wariant jest algorytmem Schroeder'a.

pogłos-schem
Rys.7. Schemat algorytmu pogłosu Schroeder'a

 
Przykłady dźwiękowe
wejściePogłos zastosowany do gitary czystej (2*103kB)wyjście
wejściePogłos zastosowany do gitary z przesterem (2*38kB)wyjście
wejściePogłos zastosowany do perkusji (2*146kB)wyjście
Pogłos zastosowany do perkusji z przesadą (146kB)wyjście

Powrót
 
Flanger

Efekt Flanger jest odmianą filtru grzebieniowego, którego opóźnienie D nie jest stałe lecz zmienia się cyklicznie.

flanger-schem
Rys.8. Schemat algorytmu flanger'a typu FIR

y(n)=x(n)+ax(n-D(n)), gdzie np.D(n)=d/2(1-cos(2pFn)) , F - szybkość zmian opóźnienia (rzędu 1 Hz), d - zakres zmian.
 W ten sposób uzyskujemy dynamiczną zmianę rozkładu minimów i maksimów modułu transmitancji. Dodatkowym efektem jest lokalne w czasie "ściskanie" i "rozciąganie" sygnału. Czas opóźnienia stosowany do uzyskania flanger'a zawiera się od 1 do 5 ms. Podobnie jak dla echa stosuje się wersję FIR jak i IIR.

flanger-schem
Rys.9. Schemat algorytmu flanger'a typu IIR

Analogowe wersje tego efektu są realizowane na liniach opóźniających, a efekt zmiany czasu opóźnienia reguluje się częstotliwością próbkowania.
W wersji cyfrowej ze względu na to, iż opóźnienie musi być całkowite stosuje się odcinanie, zaokrąglanie lub interpolację próbek dla niecałkowitych opóźnień.


 
Przykłady dźwiękowe
wejścieFlanger zastosowany do czystej gitary(2*103kB)wyjście
wejścieFlanger zastosowany do przesterowanej gitary(2*38kB)wyjście
wejścieFlanger zastosowany do talerzy perkusyjnych(2*103kB)wyjście

Powrót
 
Chorus

Chorus jest to efekt imitujący grupę muzyków (śpiewaków) grających ten sam dźwięk (unisono). Ponieważ w rzeczywistości muzycy są mniej więcej zsynchronizowani  wprowadza się małe opóźnienia. Zmiany opóźnienia są losowe, co powoduje naturalność brzmienia. D(n)=d(0.5+v(n))  lub D(n)=d1+(d2-d1)(0.5+v(n))  gdzie v(n)- wolnozmienna funkcja losowa o wartości średniej równej zero.

flanger-schem
Rys.10. Schemat algorytmu chorus'a do symulacji trzech muzyków

Dostępne wersje analogowe tego efektu są to flanger'y  typu FIR o dłuższym czasie opóźnienia - od 10 do30ms.


 
Przykłady dźwiękowe
wejścieChorus zastosowany do czystej gitary(2*103kB)wyjście
wejścieChorus zastosowany do przesterowanej gitary(2*38kB)wyjście
wejścieChorus zastosowany do talerzy perkusyjnych(2*103kB)wyjście

Powrót
 
Phaser

Phaser jest efektem popularnym wśród gitarzystów oraz instrumentalistów klawiszowych. Istotą całego algorytmu jest przesuwnik fazy realizowany za pomocą filtru pasmowo zaporowego o bardzo wąskim paśmie zaporowym wokół częstotliwości wo zwanym z angielskiego notchem, przy czym częstotliwość ta zmienia się w czasie.

phaser-schem
Rys.11. Schemat algorytmu phaser'a

Dla częstotliwości "wcięcia" filtru obserwujemy raptowny skok fazy, powodujący tłumienie lub wzmocnienie sygnałów bliskich wo po zsumowaniu. Zmiana położenia na osi częstotliwości jest regulowana generatorem drgań wolnozmiennych bądź pedałem nożnym.

phaser-modul
Rys.12. Moduł transmitancji notch'a

Filtr ten można wyliczyć tradycyjnie bądź też zastosować kaskadę filtrów wszechprzepustowych o skoku fazy 180o dla wybranej, przestrajanej częstotliwości. Parametr a odpowiedzialny jest za intensywność efektu.

phaser-faza
Rys.13. Charakterystyka fazowa phaser'a

Podobnie jak we flangerze stosuje się też filtry o kilku "wcięciach", z tą różnicą, że rozkład ich jest nieregularny.
W dalszym ciągu są produkowane wersje analogowe tego efektu.

Podobną zasadę działania ma efekt wah-wah. Różnica polega na tym, że zamiast filtru pasmowo zaporowego stosujemy filtr pasmowo przepustowy.


 
Przykłady dźwiękowe
wejściePhaser zastosowany do czystej gitary(2*103kB)wyjście
wejściePhaser zastosowany do przesterowanej gitary(2*38kB)wyjście
wejściePhaser zastosowany do talerzy perkusyjnych(2*103kB)wyjście

Powrót
 
autor: Adam Michalski