что такое фаза в звуке
Фаза, противофаза и фазовый сдвиг
В этой статье рассмотрим такой важный вопрос, как фаза аудиосигнала.
При упоминании раздела школьной физики о гармонических колебаниях первое, что приходит на ум, — это то, что фаза представляет собой аргумент периодической функции, определяющий амплитуду сигнала в определенный момент времени.
Что нам от этого в музыкальном плане? И где же могут возникнуть проблемы с этой самой фазой?
Представьте, что мы записываем гитару. Звук снимается с комбоусилителя с помощью двух микрофонов. Сигнал из них микшируется, а затем идет в один канал. Как раз суммирование двух сигналов и может привести к возникновению проблем с фазой.
Сигналы в фазе
Наблюдается идеальное повторение сигналов, при котором «пики и впадины» их амплитуд абсолютно синхронны во времени. В таком случае говорят, что сигналы «в фазе». На практике это означает, что будет иметь место усиление сигналами друг друга. И в идеале амплитуда результирующего сигнала будет равна сумме амплитуд каждого сигнала.
Такой расклад не только ничем нам не грозит, а даже наоборот является весьма желанным и полезным в большинстве случаев.
Сигналы в противофазе
На осциллографе заметно, что «пик» первого сигнала совпадает с «впадиной» второго. Из этого несложно сделать вывод, что в результате сложения таких колебаний в идеале получится абсолютный ноль или, иными словами, взаимное подавление обоих сигналов.
Такой расклад ничего хорошего не принесет, поэтому его стоит всячески избегать.
Фазовый сдвиг
Фазовый сдвиг подразумевает запаздывание первого сигнала по времени относительно второго.
При двух гармонических колебаниях одной частоты результатом сдвига фаз будет частичное ослабление сигнала. Степень ослабления результирующего сигнала будет зависеть как раз от этого самого сдвига фаз. В предельном случае на выходе получится абсолютный ноль.
Все эти иллюстрации только отдаленно относятся к практическим реалиям. Звук музыкального инструмента — это ведь отнюдь не одночастотный сигнал. Звук гитары или какого-либо другого инструмента характеризуется довольно большим количеством обертонов.
Поэтому частичный сдвиг фаз может приводить к большему ослаблению одних частот по сравнению с другими, и даже к усилению некоторых из них. Можно легко догадаться, что на все это влияет сдвиг фаз между конкретными гармониками.
К слову сказать, как раз этот принцип усиления одних частот и ослабления других лежит в основе всем известного эффекта – фейзера. Схема включает в себя частотные фильтры, цепи обратной связи и смешивание обработанного и не обработанного сигнала, однако главный принцип заключается именно в сдвиге фаз.
В целом, фазовый фактор может стать причиной многих неприятностей. Хорошо, если при записи используются всего два микрофона. В таком случае можно поэкспериментировать с расстоянием от источника звука до микрофонов, чтобы подобрать такие положения, при которых сигналы от них поступают в фазе. А вот ситуация с использованием например десяти микрофонов уже намного сложнее.
Кстати, многие предусилители для микрофонов оснащены переключателем полярности сигналов. Единственное, что совпадение или несовпадение «пиков» и «впадин» обоих сигналов будет определяться не разностью их фаз, а полярностью. Но поскольку эффект такой же, то для решения проблем с фазой можно применять инвертирование сигналов, которое может принести желаемый результат, и может и нет.
Решить проблему можно и с помощью коррекции фазы уже записанного сигнала в любой программе для звукозаписи, тем более что современная цифровая обработка звука обеспечивает безграничные возможности в этом вопросе.
Заметить фазовое несовпадение сигналов на слух можно по характерной потере яркости звука, его «обеднению». Если вы услышали какие-то разлады со звуком, которые идентичны вышеперечисленным, поэкспериментируйте с фазой.
Фазовые проблемы могут иметь место не только во время снятия звука микрофонами. Например, они могут возникать при включении фейзера в параллельный разрыв на комбике, так как фэйзер сам по себе приводит к сдвижению фазы исходного сигнала и ее дальнейшему смешиванию с необработанным сигналом. К тому же не стоит забывать и о параллельной петле. В результате — прогнозируемое плохое звучание.
Что такое фаза в звуке
Валерий Папченко, доцент кафедры звукорежиссуры Киевского национального университета культуры и искусств
Фленджер-эффект звукорежиссеры знают и любят издавна. Именно он рождает тот самый качающийся, сверлящий и эфемерный звук, который присутствует в бесчисленном множестве знаковых психоделических записей 60-70-х – увлеченные звукорежиссеры иногда весь микспропускали через фленджер…
Примеров тут множество – от незабвенных TheBeatles с их «Magical MysteryTour» до экстремальной «Life In The Fast Lane» TheEagles (перед дальнейшим чтением рекомендую послушать: www.emp3world.com, с метки 3:38). И этот гениальный эффект активно используется звукорежиссерами и поныне. Основан он на сдвиге сигналов по фазе. Но всегда ли сдвиг по фазе рождает полезные эффекты?
Как гласит одна из легенд, эффект фленджера был обнаружен Джоном Ленноном во время микширования на студии Abbey Road, когда он случайно (или преднамеренно?) притормозил пальцем бобину легендарного ленточного магнитофона Studer C37, воспроизводившего в паре с другим магнитофоном очередной бессмертный опус Битлов. И тут (о чудо!) возник ранее не слышимый эффект: звук гитары Леннона переливался, плавал и просто пронизывал слушателя в трех плоскостях. Естественно, всё тогда воспринялось как баловство. Но неугомонный Джеф Эмерик, в те годы – звукоинженер студии Abbey Road, обладавший особенностью анализировать всё, что происходило в студии (за что, собственно, его и ценил Джордж Мартин, продюсер Битлз), после той веселой сессии исследовал физическую сущность случайно полученного эффекта. Вскоре он соорудил первый в мире электромеханический фленджер из двух магнитофонов, который Леннон завороженно слушал. Сегодня этот эффект новичок получает простым выбором пресета в цифровом эффект-процессоре…
Эффект фленджинга базируется на умышленно созданном фазовом сдвиге между двумя идентичными звуковыми сигналами, и тут этот сдвиг выступает в «хорошей» ипостаси. Но чаще фазовые сдвиги мешают звукорежиссерам спокойно жить. Например, при неверной установке микрофонов (или их расфазировке), мы получаем абсолютно не нужные фазовые провалы на концертах и в записях. Диапазон звучания в этом случае – от мягкого приятного окрашивания до жесткого «продырявленного» и искаженного до неузнаваемости тембра. Это – типичный результат плохо подготовленной многомикрофонной записи и формирование отражений звука от близко расположенных поверхностей.
Настоящая статья посвящена технике позиционирования микрофонов и поиску решений, позволяющих минимизировать или обойти акустический сдвиг фаз. Но сначала рассмотрим основные принципы и терминологию всего того, что касается такого широкого понятия, как «фаза».
К чему приводят фазовые сдвиги?
Вот как о фазе говорит учебник всех звукорежиссеров – книга Алека Нисбета «Звуковая студия» (М., Связь, 1979, с.457): «Фаза – это величина, характеризующая состояние какого либо (волнового – прим.авт) процесса в каждый момент времени». Фазовый сдвиг обязан сдвигам по времени (например, в пределах одного периода) между двумя идентичными волнами (колебаниями). Фаза измеряется в угловых единицах – градусах или долях периода. Когда этот сдвиг равен 180 градусам (в этом случае говорят, что колебания противофазны друг к другу, т.е. первая волна достигает своего максимума, а вторая – минимума), эти колебания взаимно компенсируют друг друга. В случае с электрическими сигналами, при равенстве амплитуд противофазных сигналов мы получим их полную компенсацию. И наоборот, в случае полного совпадения колебаний по времени (0 град., 360 град., и т.д.) мы получаем сложение колебаний.
Это явление называют фазовым вычитаниями и сложениями.
Известно, что реальные музыкальные звуки представляют собой сложные колебания, достаточно далекие от синусоидальных (разве что за исключением флейты, форма колебаний которой близка к синусоидальной, и то с некоторой натяжкой). Такие сложные колебания можно представить в виде набора простых синусоид. Когда два сложных колебания имеют фазовый сдвиг между собой, то при их сложении полной компенсации не происходит. Происходит более неприятная вещь – некоторые частоты в спектре вычитаются, а некоторые суммируются, все зависит от величины пресловутого фазового сдвига. В результате формируется так называемый гребенчатый фильтр (его характеристика действительно похожа на гребешок), который безжалостно «расчесывает» тембр вашей записи.
Ясно, что все это приводит к радикальному изменению спектра звучания. Чаще всего данная ситуация возникает при неточном позиционировании микрофонов (двух и более) относительно источника звука. Распространенный пример: в студии вы поставили свою лучшую стереопару на отлично звучащую акустическую гитару, но придя в аппаратную, не узнаете ее тембра! Вы грешите на микрофоны, на мониторы, наконец на усталость после вчерашней затянувшейся за полночь сессии… На самом деле вы всего лишь столкнулись с фазовыми выпадениями (старые звукорежиссеры в таких случаях говорили «наловили противофазы»).
Причина фазовых проблем кроется в различных расстояниях между источником звука и микрофонами и, соответственно различном времени прихода звуковой волны к ним. Аналогичная ситуация возникает даже с одним микрофоном, когда волна от одного источника приходит к микрофону двумя путями – прямо и от отражающей поверхности. В этом случае прямой сигнал от источника складывается либо вычитается с задержанным (т.е. отраженным), и вы снова получаете фазовые проблемы (отметим, что это в меньшей мере касается диффузных отражений).
Проверить вашу микрофонную систему на предмет фазовых вычитаний достаточно просто: нужно просто суммировать звук в моно и послушать. Если в тембре инструментов замечена некая странность – так и есть, вы «наловили противофаз». Для суммирования в моно нужно нажать соответствующую кнопку на микшерном пульте, а если таковой не имеется, просто свести в центр регуляторы панорамы проверяемых микрофонов. Коррекция фазовых проблем обычно сводится к перестановке микрофонов, и часто это помогает, но если это не срабатывает – есть другие, более радикальные методы. Теперь, когда у нас есть понимание сути проблемы, рассмотрим стандартные ситуации, где могут возникнуть фазовые аномалии.
Проблемы многомикрофонных систем
Предположим, вы записываете певца, одновременно аккомпанирующего себе на акустической гитаре (барда), и вы пишете его с помощью двух микрофонов: один – на голос, другой – на гитару. При прослушивании в студии вы замечаете, что певец звучит неестественно – так, как будто в канале голоса экстремально настроили эквалайзер, но панорамирование микрофонов в крайнее левое и правое положение устраняет проблему. Очевидно, что налицо фазовые проблемы. А произошло вот что: гитарный микрофон, кроме гитары, в большой степени воспринимает и голос певца, но с некоторой задержкой.
Два пути вокала в миксе – прямой и задержанный, складываясь, интерферируют друг с другом, что и приводит к «дырявому» тембру голоса. Более того, то же самое происходит со звуком гитары, дополнительно усугубляя проблему. Неопытные начинают судорожно работать эквалайзером, но это только ведет к дальнейшему обострению ситуации… Что же делать? Для начала…
Соблюдаем правило 3:1
Во избежание фазовых проблем достаточно выполнять простое правило, касающееся установки микрофонов. Звукорежиссеры называют его «Правилом 3:1». Оно гласит, что расстояние между двумя микрофонами должно быть как минимум в три раза больше, чем расстояние от микрофона до снимаемого им источника звука.
В противном случае мы получим искажающий звучание гребенчатый фильтр (правая часть рисунка). Правило это было выведено давно благодаря исследованиям специалистов компании Electro-Voice Лу Бэроугза и Тома Линингера. Они доказали, что суммирование сигнала с его задержанной копией приводит к выпадениям спектра, но когда задержанный сигнал на 9 дБ слабее прямого, то пики и провалы в итоговой АЧХ будут иметь величину менее 1 дБ, т.е. становятся практически неслышимы. Чем выше соотношение в данном правиле, тем меньшие фазовые проблемы мы получаем.
Исключения из правил
Есть ситуации, когда правило «3:1» не работает, например, когда каждый из двух микрофонов формирует лишь часть общего звучания музыкального инструмента. Все мы знакомы с ситуацией, когда один микрофон снимает звучание верхнего пластика малого барабана, а другой микрофон – нижнего. Такой подход обычно не вызывает фазовых искажений в силу значительной разницы в тембрах звучания верхнего и нижнего пластиков. Но тут может возникнуть другая фазовая проблема: не следует забывать, что на микрофоны над барабаном и под ним звуки верхнего и нижнего пластиков приходят в противофазе (по крайней мере, на НЧ). Поэтому при таком озвучивании барабана двумя микрофонами следует перевернуть фазу сигнала нижнего микрофона. Вторая проблема озвучивания малого барабана – кроме ближнего точечного микрофона он прекрасно воспринимается общими (overhead) микрофонами ударной установки. И снова получаем два тракта – задержанный и прямой.
Но, главное правило звукорежиссуры гласит: «Ваши уши – ваш главный судья». Поэтому стоит послушать звучание малого барабана и, может быть… оставить нижний микрофон синфазным, а перевернуть по фазе как раз оверхеды! Отмечу, что противофазный метод озвучивания музыкальных инструментов, имеющих диаграмму излучения типа «восьмерка» (барабаны, некоторые виды губных гармошек и др.) интересен и недостаточно исследован.
Курица – не птица, стерео – не моно…
Если вы проверяете пару микрофонов на фазовую совместимость суммированием в моно их сигнала и прослушивая результат на студийных мониторах, помните, что акустика вашей студии тоже может вносить определенные фазовые искажения. Такой метод контроля может подвести, когда у вас есть небольшая, но все же нежелательная противофаза. Поэтому лучший метод проверки фазности – на наушниках.
Также стоит учесть, что некоторые сигнал-процессоры, такие как ревербераторы и дилеи, могут формировать свои пресеты на противофазных алгоритмах. Не следует забывать, что большинство из них имеют ручку mix (или dry/wet), отвечающую за подмешивание обработанного сигнала к исходному. Цифровые приборы имеют собственную задержку (латентность) между входом и выходом, поэтому при подключении такого прибора к микшерному пульту стоит держать ручку mix в положении 100%, иначе могут возникнуть сложные многотрактовые взаимодействия, приводящие к электрическим сдвигам фаз.
Еще один источник таких проблем – дополнительный «разгон» (кроме посыла в главную L-R шину) сигналов через подгруппы пульта. Абсолютно ли вы уверены в идентичности фазовых характеристик всех линеек вашего микшера?
Ближние отражения – друг или враг?
Фазовые выпадения могут иметь место даже при использовании одного микрофона, когда он расположен близко к твердой отражающей поверхности (пол, каменные стены, пюпитры). Да-да, сплошные металлические пюпитры при неверном угле установки могут формировать мощное отражение, искажающее голос вокалиста!
Помните, что звуковая волна отражается подобно световой – угол падения равен углу отражения. Поэтому устанавливайте пюпитр вокалиста почти вертикально (чтобы отраженная волна уходила мимо микрофона), либо размещайте на пюпитре звукопоглотители. Еще лучше использовать акустически прозрачные «дырявые» пюпитры.
Примеров ситуаций с вредными отражениями бесчисленное множество: overhead-микрофоны ударной установки находятся близко к потолку зала небольшого клуба, микрофоны рояля – близко к его открытой крышке, микрофоны для записи спектаклей – на некотором расстоянии от поверхности сцены… Все перечисленные проблемы решаются двумя методами: «беги от отражающей поверхности, или… слейся с ней».
Для рояля – располагаем микрофоны поближе к крышке, для спектаклей – используем PZM-микрофоны по рампе, а в небольшом клубе можно вообще отказаться от оверхедов – «железо» ударной установки в малых клубах всегда неуправляемо!
Еще один характерный пример фазовых выпадений – съем звучания гитарного кабинета. Тут тоже формируются мощные ближние отражения, в частности от пола.
Но их роль в формировании гитарного тембра далеко не однозначна. Да, отраженная звуковая волна в сумме с прямой формирует мощный гребенчатый фильтр, резко меняющий звук гитарного кабинета. Но давайте вспомним, где чаще всего используется flange-эффект? Правильно, на электрогитарах! Сегодня звучание электрогитары подвергается радикальным коррекциям эквалайзерами, а тысячи гитаристов по всему миру ищут свой неповторимый и оригинальный звук. Поэтому нормой озвучивания гитарного кабинета стала многомикрофонная система – один поближе, другой – подальше…
Всегда помните: главный принцип расположения микрофонов – это слушать их. Если вам нравится то, что вы слышите из студийных мониторов – не трогайте микрофоны, просто запишите их звук. Если же нет – придется еще раз прогуляться в тон-ателье студии или на сцену концертного зала.
Фазовый сдвиг. Фаза сигнала.
Фазовый сдвиг – что это? А фаза звукового сигнала? Попробуем немного разобраться в этом вопросе. Не факт, что смогу ясно разъяснить этот вопрос, но примерное понятие должно получиться.
Пролог
Музыканты, меломаны, а так же, любители “хай-эндовского” звука, в разговорах между собой, часто используют, вроде бы всем понятные термины – спектр, фаза, частота, меандр, глубина и локализация сцены, и прочие узкозначимые слова. Но зачастую, даже некоторые из “знатоков”, до конца не могут понять, что же это на самом деле такое.
Такие понятия как – “Фазовый сдвиг” очень часто упоминаются при проектировании кроссоверов для акустики. Подробно про кроссоверы мы уже поговорили чуть ранее.
При наличии интернета выяснить тот или иной вопрос не составляет проблем. В отсутствии такового – можно сходить в библиотеку, найти пару реально научных книжек и почитать саму теорию. Но все нынче стали на столько занятые, что даже выуживать информацию из интернета – времени нет. Попробуем найти простое объяснение – что же такое “фазовый сдвиг”?
Что означают эти термины на самом деле? Можно ли “пощупать” их истинное значение? Да, однозначно, можно. Сейчас мы попробуем разобраться в вопросе – “Что такое – фазовый сдвиг?”
Фаза сигнала
Для начала порассуждаем, что такое – “фаза сигнала”. Фаза сигнала никогда не существует сама по себе. Это виртуальное понятие. Вообще, можно сказать так: Фаза – это уровень сигнала в текущий момент времени, или иначе, – это уровень звукового давления в текущий момент времени в измеряемой точке пространства (к примеру, это место, где находится слушатель).
Вот картинка, изображающая звуковые волны в фазе. К примеру, звуковые сигналы двух каналов нашей акустики совпадают. В этом случае, музыка звучит чётко, без каких либо искажений. В музыкальном произведении можно услышать все задействованные инструменты, которые звукорежиссер слышал при записи. Имеется некая область звукового давления, где ощущается “эффект присутствия” – это то, о чем спорят меломаны и аудиофилы. Иными словами – получаем ожидаемый звук и впечатления.
На следующей картинке ниже, фаза смещена на 90 градусов, или на четверть фазы. Этот эффект можно услышать в виде небольшого эха. Это может и не связано с оборудованием самой комнаты. Эффект звуковой задержки с небольшим смещением фазы вносит некую сумятицу в музыку, теряется “картинка”, исполнители “уходят в разные стороны”, появляется ощущение, что находишься в огромном зале с каменными стенами. Звуки становятся не естественными, искаженными.
Далее, мы наблюдаем смещение фаз на 180 градусов. То есть, акустика в этом случае играет в противофазе. Чуть ниже подробно об этом. В данном случае, общая “звуковая картина” на столько становится не понятной, что слушать музыку становится просто не интересно и противно. Звуки становятся “ватные”, многие часты просто могут отсутствовать, хотя они и воспроизводятся колонками. Может сложиться такое впечатление, что слушаешь музыку в завязанной шапке-ушанке.
Далее, немного теории без научных выкладок.
К примеру, слушая, сидя у себя дома, свои акустические системы, мы слышим, как они порождают в районе дивана те или иные переменные звуковые давления. Звуковые волны складываются друг с другом. Эти волны имеют разные частоты и амплитуду. Они то нарастают, то убывают.
Противофаза
А теперь предположим, что давления от обоих колонок (звуковые волны) изменяются одинаково, но имеют противоположную направленность. То есть, одна колонка излучает “плюсовые” волны, а другая колонка – “минусовые”. Это может случиться, когда слушатель, случайно, перепутал клеммы подключения одного из каналов (левый канал например).
Немного проще. Динамики правой колонки играют вперёд, а динамики в левой колонке играют назад, одновременно пытаясь воспроизводить одну и туже частоту. Одна колонка создаёт давление, скажем, 1 Паскаль, а другая – минус 1 Паскаль. Такой эффект называется – противофаза.
Общая громкость звука в том месте, где находится слушатель, теоретически, должна стремится к нулю, но это не означает, что какой либо звук вообще будет не слышно. В этом случае, может сильно поломаться “звуковая сцена”, “картинка” музыкального произведения, а в каком либо месте помещения звук реально будет затухать, но не совсем. Звук станет “смазанным” и исчезнут некоторые частотные составляющие из общего звукового сигнала.
Не будем вдаваться в непростую научную формулировку, приводя формулы. Можно сказать так, что из второй колонки звук доходит к слушателю, но с задержкой по времени (не забываем, что сигнал на колонки подаётся одинаковый!). И задержка в этом случае получается именно 180 градусов. Почему так? Попробуем разобраться на картинке, нагляднее – понятнее.
360 градусов – длина периода сигнала (Фаза), 180 градусов – половина периода сигнала.
Фазовый сдвиг
А теперь, мы дошли до момента, когда можно уже разобрать вопрос – “Что такое – фазовый сдвиг?”
Фаза — это временная связь двух сигналов. И в течении периода колебания меняется от 0 до 360 градусов. Потом опять – от 0 до 360, и так далее. Можно сказать, что это мгновенный уровень сигнала в определенной точке времени внутри периода. Саму фазу мы не слышим, но слышим фазовый сдвиг одного сигнала относительно другого.
Вики про это говорит так: Сдвиг фаз — это разность между начальными фазами двух переменных величин, изменяющихся во времени периодически с одинаковой частотой.
Фазовый сдвиг является безмерной величиной и измеряется в градусах или долях периода.
Вывод
Предположим, вы подключили два динамика к выходу усилителя (пусть физически это будут ваши акустические системы). Один динамик как положено – плюс на плюс, минус на минус. А второй, перепутали и он получился подключенным плюс на минус и минус на плюс. Включив усилитель, что мы услышим? Вероятнее всего – жалкое подобие звука. Один динамик будет как-бы гасить сигнал другого своими звуковыми волнами.
На картинках ниже будет нагляднее. Представим, что это мы видим на экране осциллографа, который измеряет сигналы левого и правого каналов вашего усилителя.
На первой картинке левый и правый канал – в фазе. Сигнал одинаков в обоих каналах. Линии идеально повторяют сигнал. У них синхронная амплитуда на всем протяжении. Тут можно сказать, что сигналы находятся «в фазе». Если практически, то суммирующий уровень сигнала будет усиливаться сигналами левого и правого каналов.
Вторая картинка демонстрирует осциллограмму полного не совпадения. “Горб” левого канала по времени совпадает с “ямой” правого. Чисто по школьной физике – в результате сложения таких колебаний, в идеале, получится ноль. Эти сигналы будут взаимно подавлять друг друга. Сигналы в противофазе.
Фазовый сдвиг подразумевает запаздывание первого сигнала по времени относительно второго.
При двух гармонических колебаниях одной частоты результатом сдвига фаз будет частичное ослабление сигнала. Степень ослабления результирующего сигнала будет зависеть как раз от этого самого сдвига фаз. В предельном случае (в противофазе), на выходе получится абсолютный ноль.
Все эти картинки и рассуждения, о физических свойствах звуковых волн, отдаленно относятся к практике, к реальности. Звуки любого музыкального инструмента нельзя назвать – “одночастотным сигналом” (как осциллограмма на картинках). Частичный сдвиг фаз может ослаблять одни частоты по сравнению с другими. А иногда, усиливать некоторые из них.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.