數(shù)字信號處理可以讓我們將音樂放置在不同的（虛擬）“空間”中。

作者：Nigel Redmon

編譯：PrincessX

這篇文章由EarLevel Engineering提供。

小編注釋：這篇文章本來是發(fā)表于1997年的，但是時至今日，文中的內(nèi)容還是很有參考價值。

混響，是錄音棚數(shù)字信號處理效果中最有趣的方面之一。這是一個非常適合數(shù)字信號處理的過程，如果用模擬電子處理的話，會變得很不方便。正因為如此，數(shù)字信號處理可以讓我們將音樂放置在不同的（虛擬）“空間”中。

在數(shù)字處理誕生之前，混響效果都是用換能器創(chuàng)造出來的——基本上就是一個音箱和一個話筒——物理延遲元件的兩端。延遲元件也就是一套金屬彈簧，一塊懸掛的金屬板，或者是一個真正的房間。物理延遲元件在對混相聲的控制上有著很大的局限。而且這些創(chuàng)造混響“空間”的元件也不是很便于攜帶；彈簧混響算是唯一比較方便攜帶的——而且也是比較經(jīng)濟(jì)的——選擇，但是用金屬彈簧創(chuàng)造出的混響從聲音質(zhì)量的角度上來看，是最劣質(zhì)的。

首先，讓我們來看一下什么是混響：自然混響是指聲音在某一個空間中通過界面反射所得到的混相聲。聲音從發(fā)聲源中以1100英尺每秒的速度向四周發(fā)散開去，然后觸碰到墻面，并以不同的角度進(jìn)行反射。有些反射聲會立即進(jìn)入到你的耳朵（“early reflections”前期反射），而另外的一些反射聲則會繼續(xù)被反射到其他的墻面上，直到進(jìn)入你的耳朵為止。一些比較厚重的界面——比如說水泥墻——對聲音的反射可以說基本上是不帶衰減的，然而一些比較軟的界面，就會相對吸收更多的聲音，尤其是聲音中的高頻段。房間的大小，構(gòu)造的復(fù)雜性和墻面的角度，以及房間中的東西，另外還有反射界面本身的密度，都會影響到一個房間的聲音特質(zhì)。

但是在數(shù)字信號處理中，延遲的時間只受可用內(nèi)存空間、反射次數(shù)的限制。而且與頻率相關(guān)的效果（濾波器）也只收信號處理速度的限制。

兩種可行的模擬混響方式

讓我們來看一下兩種可行的數(shù)字混響模擬方式。第一種，簡單粗暴型。

混響是一個不隨時間改變的聲音效果。這意味著當(dāng)你彈奏一個音符的時候，不會因為時間的變化而影響到混響——你無論如何都會得到一個相同的通道混響效果。（將混響與受時間影響的效果器進(jìn)行對比，比如說flanging鑲邊效果，輸出的聲音會受到音符和鑲邊掃頻之間關(guān)系的影響。）

不受時間影響的系統(tǒng)可以完全通過一個簡單的脈沖響應(yīng)來被定性。你是否曾經(jīng)進(jìn)入過一個很大的空房間——比如說一個體育館或者大廳——然后聆聽這個房間的聲音特性？你可能只是發(fā)出了一聲很短的聲音——比如拍了一下手什么的——然后你就會聽到混相聲此起彼伏。如果你有注意到過的話，那么你聽到的就是房間本身對聲音的脈沖響應(yīng)。

這個脈沖響應(yīng)可以告訴你關(guān)于房間的一切信息。只需要拍一下手，就可以立即知道房間的混響特性，以及混響時間的長短，而且也可以知道房間的聲音是否足夠“好”。我們不僅可以用肉耳去判斷這個房間脈沖響應(yīng)的特性，同時也可以用先進(jìn)的信號分析器，對這個房間的混響做出分析。事實上，脈沖響應(yīng)可以告訴我們一切我們想要知道的信息。

這種方法可行的原因在于：脈沖，從它的理想原型來說，是一個在所有頻率段擁有相同能量的瞬態(tài)的聲音。因此我們得到的，就是房間對這個瞬態(tài)全頻信號的響應(yīng)，這種響應(yīng)就是房間的混響。

（一個脈沖信號以及它的響應(yīng)）

在現(xiàn)實世界中，拍手——或者氣球爆炸，鞭炮爆炸，或者一個電弧的噼啪聲——都可以被認(rèn)定為一個聲音脈沖。如果你對房間的聲音特性進(jìn)行數(shù)字化，并在一個聲音編輯軟件中審視它的話，它看上去就像是衰減的噪音。一開始會有一些高密度的能量堆積，之后就會逐漸衰減到零。事實上，如果房間本身的聲音特質(zhì)更圓滑，那么聲音衰減也就更圓滑。

在數(shù)字信號處理中，你很容易意識到，每次響應(yīng)的采樣點都可以被視為初始脈沖信號的一個離散的回聲響應(yīng)點。因為，從理想狀態(tài)來看，脈沖信號就是一個非零的聲音樣本，不難想象，一系列的聲音樣本——比方說在房間里發(fā)出的一個聲音——可能是每一個單獨(dú)聲音樣本在他們各自存在時間里回聲響應(yīng)的總和（這種現(xiàn)象被稱為聲音疊加）。

換句話說，如果我們有某個房間的一個數(shù)字化的聲音脈沖信號特性，我們就可以很容易地把這個特性添加到任何的未經(jīng)處理的數(shù)字干聲上。將聲音樣本的音量和每一個脈沖響應(yīng)點相乘，就可以得到房間對這個聲音樣本的響應(yīng)；我們只需要對每一個我們想要“放進(jìn)”那個房間的聲音進(jìn)行這個處理就可以了。這樣我們只需要將聲音樣本放在一起，就可以得到很多重疊的響應(yīng)。

這種方法確實簡單，但是我們需要為此付出很多的經(jīng)費(fèi)在計算機(jī)的處理上。每個輸入的聲音樣本都需要單獨(dú)與脈沖響應(yīng)相乘，然后再相加成為最后的輸出結(jié)果。如果我們n個聲音樣本需要被處理，假設(shè)脈沖響應(yīng)是m個樣本的長度，那么我們就需要進(jìn)行n+m次相乘和相加。所以，如果房間對聲音的脈沖響應(yīng)是3秒的話（可能是一個大房間），如果我們需要處理一個一分鐘的音樂，那么我們就需要進(jìn)行將近350萬億次乘法運(yùn)算，以及同樣次數(shù)的加法運(yùn)算（假設(shè)我們的采樣率是44.1kHz）。

如果你可以接受這個事實的話，那么你可以讓你的電腦花上一天的時間處理這些數(shù)據(jù)，然后你可以在第二天聽到最終的處理結(jié)果，但是這明顯不適合我們需要的實施效果處理。這事實上真的太壞了，因為這個過程在很多方面都可以得到提升。尤其是，你其實可以準(zhǔn)確地模擬出世界上任何房間的聲音特性，只要你有它的脈沖響應(yīng)的話，而且你也可以很簡單地創(chuàng)造出屬于你自己的人造脈沖響應(yīng)，并以此創(chuàng)造出一個屬于你自己的“空間”（比如說，一個簡單的衰減噪音序列雖然可能很簡單，但是卻可以帶來一個圓滑的混響，而且這種混響也是帶有更多個性色彩的）。

事實上，有一個更實用的處理方法。我們剛剛一直在討論關(guān)于時間范圍內(nèi)的處理，將兩個采樣信號相乘的數(shù)字信號處理過程被稱為“convolution”（卷積）。和時間領(lǐng)域的卷積處理不同的是，同樣的卷積處理在頻率范圍內(nèi)則不需要這么多的運(yùn)算過程，可以大大減少電腦后臺的運(yùn)算量（對時間領(lǐng)域進(jìn)行卷積處理所需要消耗的運(yùn)算量是在頻率領(lǐng)域進(jìn)行卷積處理運(yùn)算量的好幾倍）。在此我就不再詳述了，但是你可以去看一下Bill Gardner的一篇文章，“Efficient Convolution Without Input / Output Delay”（沒有輸入/輸出延遲的高效卷及處理），或許你可以從中找到更好的處理方法。（我自己還沒有嘗試過這種技術(shù)，但是如果我有時間的話，我也會去嘗試一下這種方法的。）

獲得數(shù)字混響的一個有效途徑

我們眾所周知的備受寵愛的數(shù)字信號混響可以有很多種不同的方式�；�本來說，它們會使用多個信號延遲和信號回饋來創(chuàng)建出一系列高密度的回聲，這個回聲會隨時間漸漸衰減。這其中一些功能性的構(gòu)造元件大家已經(jīng)都了解了；然而真正能給一個數(shù)字信號混響賦予屬于自己的個性聲音的重要因素，在于這些構(gòu)造的變體以及這些構(gòu)造元件是如何相互合作的。

最簡單的方式，是創(chuàng)造一個延遲模塊，然后再將部分經(jīng)過延遲后的聲音信號再回饋給這個延遲模塊，這樣就能創(chuàng)造出一個重復(fù)的逐漸衰減的回聲效果（回饋給延遲信號的聲音信號必須小

1）。將不同深度的類似這種延遲效果的聲音信號混起來，就可以增加回聲的密度，而且混響聽起來也更加真實。比如說，用根據(jù)質(zhì)數(shù)產(chǎn)生的不同長度的延遲可以確保每一個回聲都可以恰好在另外兩個回聲之間，這樣就增強(qiáng)了回聲的密度。

但在實戰(zhàn)中，這個看似簡單的原理卻不怎么好用。你需要太多這種硬回聲才能創(chuàng)造出一個圓滑的混響墻。而且，使用簡單的信號反饋也是梳狀濾波器的一個秘方，梳狀濾波器可以帶來頻率抵消，這樣就可以模擬出真實的房間效果，但是也可能帶來環(huán)形調(diào)制效果和不穩(wěn)定的聲音。盡管很有用，但是如果只有這些梳狀濾波器的話，還是不能給出一個令人滿意的混響效果。

（梳狀濾波混響單元）

相反，如果在反饋信號的同時，也將一部分信號繼續(xù)向前推送，我們就可以彌補(bǔ)這些頻率抵消，這樣的系統(tǒng)就是一個全通濾波器。全通濾波器也可以給我們之前所說的梳狀濾波器產(chǎn)生的效果，而且還能達(dá)到更加圓滑的頻率響應(yīng)。將這些梳狀濾波器和全通環(huán)形延遲效果器，以及其他的處理單元（如用于模擬高頻吸收的反饋路線中的高頻濾波器單元）相結(jié)合——不管是串聯(lián)、并聯(lián)，還是嵌套式組合——都能得到一個相對令人滿意的結(jié)果。

（全通濾波器混響單元）

我就說到這里了，因為已經(jīng)有很多現(xiàn)有的關(guān)于這些觀點的文章，而且我寫這篇文章也只是為了向大家做一個簡單的介紹而已。從我個人而言，我從Hal Chamberlin的“Musical Applications of Microprocessors”中得到了很多有用的信息，此外，Bill Gardner對于這些原理的文章也能在這個網(wǎng)頁上找到。

Nigel Redmon是一個音樂家、電子軟件工程師，以及獨(dú)立的研發(fā)家，致力于數(shù)字音頻信號處理領(lǐng)域。他參與研發(fā)的產(chǎn)品有：Line 6、Equator Audio、Alesis、Oberheim等等。

轉(zhuǎn)自《midifan月刊》2016年06月第123期