Zvukové efekty díl 2.: Ekvalizéry
(zatím bez hodnocení)
Loading...
Šestidílný seriál „Zvukové efekty“ napsal kolega Viktor Svoboda pro server Audiocity.cz. Předchozí díly seriálu najdete zde:
Zde se podíváme na zoubek zařízením na úpravu frekvenčního spektra zvukového signálu, zkráceně ekvalizérům. Existují dva základní druhy – grafické a parametrické. Dále sem mohou svoji funkcí spadat různé filtry používající například diskrétní Fourierovu transformaci (DFT) resp. její zjednodušenou verzi Fast FT (FFT). Opět zde platí, že ve výsledku nezáleží na tom, jestli je potřebná operace dosažena pomocí elektrického obvodu nebo matematické funkce.
Grafické ekvalizéry
Jde o základní typ ekvalizéru. Naprostá většina zapojení obsahuje řadu aktivních prvků v různých dosti komplikovaných zapojeních, pro naše účely však vystačíme s rámcovým popisem.
Signál je přiveden na vstup sady pásmových propustí, za nimi následuje stejný počet potenciometrů (regulátor úrovně signálu). Signál z potenciometrů se sčítá a přivádí na výstup. Celé zapojení je provedeno tak, že při poloviční výchylce je frekvenční charakteristika nezměněna.
Na obr.1 je znázorněna frekvenční charakteristika filtru se střední frekvencí 1kHz a rozsahem regulace ±12 dB pro různé výchylky potenciometru.
Obrázek je celý v logaritmickém měřítku, takže je z něj dobře patrné, že pro úroveň –3dB (popř. +3dB, bráno od nuly) jsou jeho mezní frekvence přibližně 200 Hz – 5 kHz, tzn. 1/5 a 5-ti násobek střední frekvence. Tuto úroveň jsem zvolil pro demonstraci vlastností log. měřítka, skutečné mezní frekvence se počítají od „špičky“ a nikoliv od nuly!
Jednotlivá pásma jsou volena tak, aby při shodném nastavení úrovně dvou sousedních pásem mezi nimi nevznikala „mezera“. Jinými slovy by přenos v pásmu mezi středními frekvencemi těchto filtrů měl být konstantní. Proto je nesmyslné i u poměrně malých (např. 4-pásmových) ekvalizérů nastavovat všechno „na max“ u tahových nebo „vpravo“ u otočných potenciometrů, nebo všechno na stejnou ale vyšší úroveň, jak je občas vidět na mixážních pultech některých „zvukařů“. Výsledný efekt je totiž stejný jako celkové zvýšení úrovně signálu regulátorem hlasitosti.
V praxi se grafické ekvalizéry dělí podle počtu pásem. U profi zařízení ze rozlišují ekvalizéry podle počtu pásem na jednu oktávu (1,1/2, 1/3), kde třetinooktávový ekvalizér má 32 pásem. Ekvalizéry s menším počtem pásem se pak objevují ve vstupních jednotkách mixážních pultů, u předzesilovačů, v kytarových a jiných kombech apod.
Grafické ekvalizéry mají dvě zásadní omezení, jak je možná patrné z předchozího textu. Počet pásem, jejich šířka a střední frekvence jsou pevně dány, stejně jako rozsah regulace přenosu jednotlivých pásem. Z toho plyne jejich použití výhradně na úpravu frekvenční charakteristiky, např. pro korekci vlastností reprosoustav, poslechového sálu, dorovnání vlastností záznamu apod. Drobnou výhodu mají graf. ekvalizéry v programové podobě, kde bývá možnost nastavení rozsahu regulace. Nějaké programy umožňují i nastavení stř. frekvence jednotlivých pásem, to už se však poněkud vymyká kategorii grafických ekvalizérů.
Jejich použití pro odfiltrování nežádoucích zvuků je tedy značně omezené a ani pro to nejsou určeny.
Parametrické ekvalizéry
Jde převážně o digitální zařízení, koncipovaná spíše jako filtry. Lze u nich nastavit lib. frekvenci, přenos na této frekvenci a tzv. činitel jakosti -„Q“ (celé číslo, má vztah k šířce pásma). Čím je činitel jakosti vyšší, tím je dané pásmo užší. Tyto ekvalizéry znatelně rozšiřují možnosti použití ve funkci filtru. Ovšem mají menší počet pásem (neboli počet najednou použitelných plně nastavitelných filtrů). V nějakém PC editoru je však lze aplikovat opakovaně vždy s různým nastavením a lze tak účinně potlačit nežádoucí zvuky. Možnosti nastavení parametrického ekvalizéru ukazuje obr.2.
Nevýhodou těchto zařízení jako filtru je skutečnost, že pokud se v záznamu nalézá nežádoucí zvuk, tak obvykle nemáme možnost získat přímo údaje potřebné k nastavení parametrického ekvalizéru. Pokud se tento ruch navíc skládá jen z určitých přesných frekvencí, může být použití tohoto typu ekvalizéru nevyhovující a to ze dvou důvodů. Jednotlivých frekvencí může být poměrně mnoho a pak by postupná aplikace na všechny tyto složky trvala dlouho. Druhá podstatnější nevýhoda spočívá v tom, že pro každou střední frekvenci lze nastavit jen nenulová šířka pásma, která neobsahuje pouze jednu frekvenci a tím potlačí/zvýrazní i jiné blízké frekvence, což může být nežádoucí. Podstatného rozšíření filtračních možností se dosahuje užitím různých matematických operací (nejčastěji některého z druhu rychlé Fourierovy transformace – FFT) realizovaných prostřednictvím výpočetní techniky.
Filtry FFT
Zde se jedná výhradně o programy, popř. zákaznické integrované obvody optimalizované pro danou funkci. Většina využívá tzv. Diskrétní Fourierovy transformace, což je funkce pro převod navzorkovaného signálu coby závislosti okamžité amplitudy na čase na jinou funkci – závislost max. amplitudy sinusovky na její frekvenci. Jinými slovy dostaneme touto operací z navzorkovaného (tedy digitálního) signálu jeho spektrum. A to tím přesnější, čím více vzorků máme k dispozici. Jen připomínám, že vzorkovací frekvence CD-Audio je 44 100 Hz.
Nebudu zabíhat do matematických detailů, jen uvedu pár skutečností užitečných při používání těchto programů. Pokud máme k dispozici například 1024 vzorků signálu, dostaneme po užití DFT spektrum signálů, které sahá od nuly (stejnosměrná složka) až do vzorkovací frekvence a má také 1024 vzorků. Ty charakterizují amplitudu jednotlivých sinusovek o frekvenci 0 – fvzork ze kterých je možné zpětně složit původní signál.
Pokud byla při vzorkování signálu splněna Nyquistova podmínka (min. vzorkovací frekvence musí být alespoň dvojnásobná oproti max. frekvenci obsažené ve vzorkovaném signálu), bude druhá polovina spektra (od fvzork/2 do fvzork) shodná s první polovinou, zrcadlově otočenou podél osy vytyčené fvzork/2 – pro naše účely bude tedy nepotřebná. Ovšem tím se nám zúží počet použitelných složek na polovinu.
Dále je nutné, aby byla v navzorkovaném signálu obsažena celá perioda nejnižší frekvence, která je pro nás užitečná (kvůli rozlišitelnosti je lepší, aby byla doba vzorkování dvojnásobná oproti periodě této frekvence). V získaném spektru signálu budou sousední body vzdáleny právě o frekvenci, jejíž perioda je rovná době vzorkování, což je nejpodstatnější pro volbu vhodné doby vzorkování.
Proti tomu ovšem stojí další fakt, a sice že počet (a tím i doba) výpočtů roste u DFT s druhou mocninou počtu vzorků. Proto byla vyvinuta řada postupů pro zmenšení počtu operací. Všechny se nazývají shodně Fast FT – FFT a nárůst již není tak markantní jako u DFT. Přesto doby výpočtu citelně roste.
Těmito skutečnostmi je dobré se řídit při volbě počtu vzorků, abychom dosáhli cíle.
Pokud tedy máme spektrum daného signálu, můžeme jej libovolně upravit a převézt jej zpátky na signál, ovšem již upravený dle našich potřeb. A to je celý „vtip“ této metody, kdy můžeme spektrum signálu ovlivňovat prakticky po jednotlivých frekvencích závislých pouze na vzorkovací frekvenci a počtu vzorků.
Tyto principy užívají mimo jiné těž filtry k potlačení šumu apod. bývají také doplněny různými diagnostickými funkcemi, které podstatně usnadňují rozpoznání nežádoucích/žádoucích zvuků a jejich odstranění /( rekonstrukci bez rušivých zvuků).
Příklad z Cooleditu
Tento program má v sobě integrován filtr pro odstranění šumu používající FFT. Funguje tak, že si označíte pasáž, která obsahuje pouze nežádoucí šum nebo jiný nežádoucí zvuk – je samozřejmě možné tento zvuk upravit výše jmenovanými/jinými způsoby. FFT analýzou dostanete jeho spektrum (zde tzv. profile), které je možné uložit, poslední použitý profil však automaticky zůstává. Poté označíte pasáž ze které chcete daný zvuk odstranit. Máte na výběr z úrovně potlačení (0-100) a dále z možností „odstranit šum“ a „zanechat pouze šum“. Druhá volba je mimořádně vhodná ke kontrole, zdali z nahrávky neodstraňujeme ještě něco jiného.
To je z přehledu ekvalizérů všechno, děkuji Vám za pozornost a přeji mnoho úspěchu.
Viktor Svoboda