Получение импульсного отклика помещения

В данной статье рассматривается способ получения импульсного отклика помещения для использования в контроле и других различных применениях в звукорежиссуре.

Ключевые слова: цифровая обработка сигналов, импульсный отклик, свёртка, конволюция, акустический профиль.

Введение

В сведе́нии и звукорежиссуре часто возникает необходимость прослушивания готового аудиоматериала на системах, намеренно ухудшающих звук. Это делается для контроля звучания финального микса у массового слушателя, которому зачастую недоступно дорогостоящее оборудование.

В качестве таких систем могут выступать как бытовые акустические системы (музыкальные центры, колонки, другие виды акустики) или бюджетные наушники, не относящиеся к категории мониторных, так и целые неподготовленные пространства с различными источниками звука (например, салон автомобиля).

Из описание подобных систем понятно, что проверять финальный микс в них не всегда удобно, ведь в идеале должна отсутствовать необходимость покидать рабочее место.

В сущности, любую акустическую систему, находящуюся в некотором пространстве, можно описать двумя параметрами: то, как система влияет на частотную характеристику сигнала и то, какую реверберацию вносит пространство. В работе со звуком уже давно применяется математический аппарат, позволяющий получить эти характеристики — свёртка (конволюция, IR). Эта технология нашла своё массовое применение в получении импульсов динамиков (например, гитарных кабинетов), реверберационных импульсов, а также импульсов различных приборов.

Финальным “продуктом” свёртки является файл IR (Impulse Response, импульсный отклик), который содержит в себе как частотную, так и реверберационную характеристики. С помощью специальных программ, плагинов или даже приборов можно применить такой импульс к любому сигналу, соответственно изменив его частотную характеристику и применив реверберацию.

Используя эту технологию, можно снять импульс любого помещения с акустической системой, а затем использовать его при прослушивании финального микса (например, через наушники с идеальной, либо известной (и скорректированной) АЧХ).

Суть метода

Первое, что необходимо — это оригинальный сигнал. Для этих целей самым правильным будет использование сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ-сигнала, часто называемого в англоязычной, а иногда и русскоязычной литературе как “sweep”) от 20 Гц до 20 кГц, что полностью покрывает диапазон человеческого слуха.

Второе — необходимо получить сигнал “слушателя”. Для этих целей разумнее всего использовать измерительный микрофон (поскольку его АЧХ близка к идеальной, а с применением корректировки — идеальна на всём упомянутом частотном диапазоне).

Получить ЛЧМ-сигнал можно, например, в программе Reaper. Соответствующее окно с выбором параметров генерации представлено на рисунке 1:

Рис. 1. Параметры генерации ЛЧМ-сигнала

Но стоит также учесть, что система неидеальна, и отследить начало и конец записанного файла может быть затруднительно. Для этих целей в оригинальный файл можно добавить короткие щелчки в начале и в конце, с известными задержками между ними и ЛЧМ-сигналом, а затем обрезать оригинальный и записанный файлы до участка только с ЛЧМ-сигналом. Полученная форма волны сигнала представлена на рисунке 2:

Рис. 2. Полученный сигнал с аудиометками его начала и конца

Рис. 3. Вкладка плагина ReaVerb с функциями генерации сигнала и свёртки для получения импульса, а также функцией загрузки и воспроизведения импульса

Запись и обработка сигнала

Запись сигнала в помещении будет производиться с помощью измерительного микрофона Wikisound Correction Mic, расположенного вертикально, с файлом коррекции ”90” (выбран согласно инструкции производителя) с двух позиций, находящихся на расстоянии примерно 20 см для получения стереоимпульса.

Примерная схема помещения и расположения источника звука и микрофонов представлена на рисунке 4:

Рис. 4. Примерный план помещения

Микрофон располагается на стойке в указанной позиции и ориентируется вертикально (показано на фото на рисунке 5):

Рис. 5. Фото расположения измерительного микрофона в комнате

После расстановки микрофона и динамиков в программе Reaper были записаны два файла с двух разных позиций для правого и левого каналов соответственно, а после — объединены в единый стереофайл (рисунок 6).

Рис. 6. Форма волны полученного сигнала

По форме волны записанного файла уже можно сказать многое просто посмотрев на него, без специальных программ. Так, например, на некоторых частотах видны сильные просадки, что соответствует точкам смены фазы. Также очевидна и полоса пропускания динамиков — даже визуально понятно, что частоты в области ниже примерно 60 Гц вообще не воспроизводятся, в то время как высокие частоты система воспроизводит в полном объёме. Для подробного же анализа акустического профиля помещения существует множество специализированных программ (например, самая популярная — Room Eq Wizard), однако подобные исследования являются очень глубокой темой для изучения и достойны отдельной статьи.

Далее полученный файл и оригинальный тестовый сигнал обрезаются до полезной части (ЛЧМ-сигнала), сохраняются отдельно и с помощью уже известной функции генерируется импульс. Сам же импульс так же можно обрезать до его полезной части, длина которой зависит от реверберационных свойств помещения. В данном случае итоговый импульс можно оставить длиной в одну секунду. Обработанный и загруженный в плагин импульс представлен на рисунке 7:

Проверка и результаты

Поскольку описанный метод применим, в основном, в контроле готовых миксов звукорежиссёром, для проверки его работоспособности сделаем следующее:

1. В программу разместим три дорожки;
2. На первой будет находиться аудиофайл с музыкальным произведением;
3. На второй будет то же произведение, но воспроизведённое через аудиосистему помещения, в котором снимался импульс, и записанное на измерительный микрофон;
4. На третьей аудиодорожке — оригинальный аудиофайл с тем же произведением, но с применённым к нему импульсом, который был получен ранее;
5. Все три дорожки нужно будет прослушать и выяснить, есть ли разница (на слух) между второй и третьей.

В результате три дорожки выглядят следующим образом (рисунок 8):

Рис. 8. Дорожки с оригинальным произведением, с записанным на микрофон в комнате и с оригинальным произведением с импульсом

Даже визуально очевидно, насколько идентичны вторая и третья дорожка — это подтвердилось и проверкой на нескольких опрошенных — никто из них не услышал разницы между дорожкой 2 и дорожкой 3, а также все отметили сильную схожесть в ощущениях от прослушивания звука в наушниках с применением импульса с ощущениями от звука в комнате, импульс которой был снят.

В результате проведённой работы был получен импульсный отклик (IR) помещения. Импульсы, полученные подобным образом, можно применять в контроле финальных миксов в музыкальный звукорежиссуре, а также (в случае больших помещений с красивой реверберацией) в качестве пространственной обработки аудиоматериала в сведе́нии.