Не все звуковые волны созданы одинаковыми — даже два одинаковых сигнала будут иметь небольшие различия в громкости и тоне. Однако некоторые звуковые волны идентичны (или почти идентичны), и когда они накладываются друг на друга, может возникнуть аудиофазировка. Но что такое фазировка звука?
Аудиофаза — это один из тех феноменов, которые сложно понять. Однако, разобравшись в ней, вы сможете вывести свои работы на совершенно новый уровень. В этой статье мы рассмотрим основы аудиофазы, почему она имеет значение и как решать проблемы фазы в ваших проектах.
Что такое «фаза» в аудио?
Фаза звука указывает на точку во времени в пределах данной звуковой волны. Звуковые волны состоят из трех основных компонентов: амплитуды, длины волны и частоты:
Амплитуда относится к громкости волны в определенный момент времени; для идеально симметричной и повторяющейся звуковой волны (как синусоидальная волна, показанная выше) длина волны измеряет расстояние между двумя равными амплитудами вдоль цикла; а частота (она же «высота тона») — это количество раз в секунду, которое звуковая волна повторяется вдоль цикла.
Фаза звуковой волны говорит нам, где именно в этом цикле мы находимся. В аудиопроизводстве важна взаимосвязь между двумя или более формами волны; абсолютная фаза отдельной звуковой волны не имеет особого значения по причинам, которые мы обсудим далее.
Скорость звука
Скорость звука напрямую зависит от характеристик среды, в которой он распространяется. Она определяется (зависима) двумя свойствами среды: упругостью и плотностью материала. Скорость звука в твёрдых телах соответственно напрямую зависит от типа материала и его свойств. Скорость в газовых средах зависит только от одного типа деформации среды: сжатие-разрежение. Изменение давления в звуковой волне происходит без теплообмена с окружающими частицами и носит название адиабатическое.
Скорость звука в газе зависит в основном от температуры — возрастает при повышении температуры и падает при понижении. Так же скорость звука в газообразной среде зависит от размеров и массы самих молекул газа, — чем масса и размер частиц меньше, тем «проводимость» волны больше и больше соответственно скорость.
В жидкой и твёрдой средах принцип распространения и скорость звука аналогичны тому, как волна распространяется в воздухе: путём сжатия-разряжения. Но в данных средах, помимо той же зависимости от температуры, достаточно важное значение имеет плотность среды и её состав/структура. Чем меньше плотность вещества, тем скорость звука выше и наоборот. Зависимость же от состава среды сложнее и определяется в каждом конкретном случае с учётом расположения и взаимодействия молекул/атомов.
Скорость звука в воздухе при t, °C 20: 343 м/с Скорость звука в дистиллированной воде при t, °C 20: 1481 м/с Скорость звука в стали при t, °C 20: 5000 м/с
Почему фазирование важно?
Микширование аудио — это объединение отдельных, но целостных элементов таким образом, чтобы каждый компонент был слышен в том виде, в котором его задумали исполнитель, продюсер и инженер. Таким образом, вы будете жонглировать бесчисленными звуковыми волнами, каждая из которых отличается по частоте, амплитуде, гармоническим обертонам и т.д. Непременно произойдет так, что некоторые волны будут входить и выходить из фазы друг с другом в разные моменты времени. Когда два сигнала находятся «в фазе» друг с другом, их амплитуды (т.е. пики и впадины) совпадают. Понимание фазы имеет решающее значение для оптимизации миксов. Проблемы с фазой лежат в основе многих проблем микширования и оказывают серьезное влияние на общее звучание.
Когда волны сталкиваются
Чтобы упростить ситуацию, представьте себе две идеально симметричные и повторяющиеся синусоидальные волны, одну в левом канале, другую в правом. Когда обе половины идеально выровнены, их амплитуды одинаковы во времени, что означает, что вы услышите один и тот же звук с обеих сторон.
Соедините эти каналы вместе и воспроизведите их одновременно, и вы получите так называемую «конструктивную интерференцию», поскольку комбинация этих синфазных волн удваивает результирующую амплитуду. И наоборот, если бы эти каналы были совершенно «вне фазы» (т.е. наименьшая амплитуда волны одного канала приходится на момент наибольшей громкости волны другого канала), их пики и впадины отменяли бы друг друга. Это называется «деструктивной интерференцией» или «фазовой отменой».
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.
Как фаза в аудио работает на практике
Точный сценарий, описанный выше, не часто встречается в реальном мире, поскольку эти идеальные, фундаментальные звуковые волны не являются тем, с чем вы работаете, но теория все равно применима. Независимо от того, записываете ли вы один инструмент или несколько инструментов с любым количеством микрофонов, фазировка будет фактором, который нельзя игнорировать. Взаимодействие фазы также возникает при наложении сэмплов на акустические барабаны, использовании различных плагинов на одинаковых дорожках, параллельной обработке и т.д. Проще говоря, фаза звука является фактором при объединении двух или более сигналов — чем более связаны эти сигналы, тем более значимой становится фаза.
Если вы записываете инструмент с помощью двух отдельных микрофонов (стереозапись), входящие основные частоты (т.е. воспроизводимые ноты) будут одинаковыми в каждом канале. Однако, поскольку каждый микрофон находится в уникальном пространственном положении, различные обертоны будут поступать в каждый микрофон в разное время. В результате звуковые волны каждого канала будут похожи в некоторых отношениях, но будут отличаться в других. Различные частоты могут быть усилены, ослаблены или практически сведены на нет в зависимости от фазовых соотношений между двумя каналами. Как вы можете себе представить, добавление еще одного или нескольких микрофонов еще больше усложняет ситуацию, увеличивая вероятность возникновения проблем с фазой. А если два микрофона направлены в противоположные стороны друг от друга, то фаза одного из них должна быть обращена в противоположную сторону для борьбы с отменой звука (т.е. тишиной).
Дилемма барабана
Когда дело доходит до записи барабанов , то проблемы с фазой часто приобретают угрожающие масштабы. В конце концов, в большинстве современных записей барабанов используется минимум 5 микрофонов (или целых 20) для захвата каждого компонента, всего комплекта и отражений от помещения. Не помогает и то, что тарелки резонируют на высоких частотах, а также то, что для захвата нижних и верхних частот улитки и ударного барабана часто требуется два микрофона. Если вы не подходите стратегически к размещению/настройке микрофонов, ваша первоначальная запись ударной установки может превратиться в беспорядок, и ее практически невозможно будет свести. К счастью, удобный переключатель «phase flip» (смена полярности), которым оснащены некоторые современные микрофоны, позволяет быстро решить проблемы с отменой фазы в процессе записи, будь то запись ударных, акустической гитары или чего-либо еще.
Размышляя о фазе
Стереофонические микрофоны — не единственный виновник фазовых проблем. Вы можете столкнуться с проблемами фазы даже при записи только на один канал, особенно если ваше помещение для записи не обработано должным образом. Звуковые волны легко отражаются от акустически отражающих поверхностей. Эти реверберации , по сути, дублируют первоначальный звук, передавая обратно его другую, более тихую и тембрально отличную версию через определенное время, зависящее от вашей близости к поверхности, размера и формы помещения и т.д.
Если время этих отражений совпадает, при улавливании микрофоном могут возникнуть деструктивные или конструктивные помехи, изменяющие результирующий тон и громкость. Намеренное использование эффектов задержки и реверберации также может вызвать проблемы с фазой. Что еще более усложняет ситуацию, вы можете услышать проблемы с фазой при воспроизведении записи, даже если сама запись не имеет проблем с фазой. Эта проблема может возникнуть, если ваши колонки находятся «вне фазы», т.е. подключены с неправильной полярностью.
Частотный спектр звука и АЧХ
Поскольку на практике практически не встречаются волны одной частоты, то возникает необходимость разложения всего звукового спектра слышимого диапазона на обертоны или гармоники. Для этих целей существуют графики, которые отображают зависимость относительной энергии звуковых колебаний от частоты. Такой график называется графиком частотного спектра звука. Частотный спектр звука бывает двух типов: дискретный и непрерывный. Дискретный график спектра отображает частоты по отдельности, разделённые пустыми промежутками. В непрерывном спектре присутствуют сразу все звуковые частоты.
В случае с музыкой или акустикой чаще всего используется обычный график
Амплитудно-Частотой Характеристики (сокращённо «АЧХ»). На таком графике представлена зависимость амплитуды звуковых колебаний от частоты на протяжении всего спектра частот (20 Гц — 20 кГц). Глядя на такой график легко понять, например, сильные или слабые стороны конкретного динамика или акустической системы в целом, наиболее сильные участки энергетической отдачи, частотные спады и подъёмы, затухания, а так же проследить крутизну спада.
Как найти проблемы с фазой звука
По мере развития вашего слуха вы сможете услышать фазировку, когда она возникает. Конечно, одно только человеческое ухо не может легко определить все проблемы с фазой, поэтому на помощь приходят дополнительные инструменты и техники.
Прослушивание вашего микса (и отдельных треков) в моно, а не в стерео может выявить определенные фазовые проблемы. Если при сведении микса в моно вы заметили, что звук стал более тусклым или тонким, возможно, вы столкнулись с фазовым искажением. Аналогично, если при сведении в моно сигнал исчезает из центра, но остается в левом и правом каналах, скорее всего, вы столкнулись с рассогласованием фазы звука. Вы также можете определить проблемы с фазой звука с помощью визуальных плагинов, разработанных с учетом фазы (мы подробнее рассмотрим их в следующем разделе).
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.
Как исправить или предотвратить проблемы фазы
Поскольку потенциальных источников проблем с фазой так много, крайне важно вооружиться знаниями, хитростями и инструментами, которые помогут вам предотвратить и разрешить такие трудности.
Знайте соотношение 3:1 для размещения микрофонов
Этот метод применяется при работе с двумя микрофонами; второй микрофон должен быть расположен в три раза дальше от первого микрофона, чем первый микрофон от записываемого источника звука. Если один микрофон находится в шести дюймах от звукового отверстия гитары, второй микрофон следует установить на расстоянии 18 дюймов (1,5 фута) от второго микрофона. Этот прием не всегда работает, и могут потребоваться некоторые корректировки, но это хорошая отправная точка для минимизации фазовых проблем при записи с двумя микрофонами.
Техника записи Mid/Side разработана для минимизации потенциальных фазовых проблем.
Микс в монофоническом режиме
Микширование в моно может показаться нелогичным, учитывая, что большинство треков будет прослушиваться в стерео. Однако, как уже упоминалось выше, некоторые случаи фазового сдвига могут остаться незамеченными при прослушивании в стерео, а перевод треков в моно через различные промежутки времени во время микширования может выявить фазовые проблемы, которые вы могли бы не заметить. Проще говоря, сведение в моно поможет вам лучше понять контекст вашего микса в целом и устранить все неясности перед возвращением к стереозвучанию.
Использовать плагины аудиофазы
Помимо правильного размещения микрофонов в миксе и микширования в моно, вы также можете использовать различные плагины для устранения фазовых помех и легко визуализировать происходящее в эти моменты. К счастью, в настоящее время нет недостатка в фазовых корректорах. Среди ярких примеров — плагин InPhase от Waves, In-Between Phase от Little Labs и Eventide Precision Time Align. А если вы достаточно хорошо научитесь распознавать фазовые проблемы на слух, то простое перемещение дорожек немного влево или вправо также может исправить фазовые проблемы. Этот трюк не всегда срабатывает, особенно если ваш трек строго придерживается сетки.
Перемещение волновых форм
Возможно, самый простой способ решения проблем с фазой заключается в том, чтобы просто переместить похожие осциллограммы в нужное место. Если две осциллограммы одинаковых сигналов не выровнены, фазировка обязательно произойдет, поэтому простое смещение одной из них влево или вправо на временной шкале может быстро исправить ситуацию. Существуют даже плагины, которые автоматически выравнивают волновые формы, чтобы избавить вас от лишних хлопот — плагин Auto-Align от Sound Radix и MAutioAlign от Melda Productions являются двумя популярными вариантами выравнивания.
Использование фазы в своих интересах
До сих пор мы обсуждали фазовые помехи в основном как проблемы, которые необходимо решить. На самом деле, фазовые помехи не являются чем-то плохим по своей сути, это просто акустический артефакт, которым можно манипулировать несколькими способами. Конечно, устранение или коррекция фазовых помех — это один из способов борьбы с этим явлением.
Однако, если вы знаете, что делаете и чего хотите от своего микса, вы можете использовать фазовое сведение как еще один инструмент микширования. Например, манипулируя фазовым соотношением между гитарными дорожками, вы можете формировать тон результирующей дорожки (то же самое относится к тону любого инструмента или вокала), подобно фильтру-эквалайзеру. Определенные устройства (например, Neve Portico 5016 и Phazer от Radial) содержат схемы фазового сдвига, которые позволяют вам выбирать определенные частоты, которые вы хотите усилить, но при этом отменить, что дает уникальные возможности для формирования тона.
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?”
Вопросы и ответы по фазам
У вас все еще есть вопросы об аудиофазе? Давайте ответим на некоторые часто задаваемые вопросы.
Что такое фазовая музыка?
Фазовая музыка намеренно использует свойства фазы в качестве композиционного инструмента. Фазовая музыка часто включает в себя минималистичные, похожие звуки (т.е. ноты) с небольшими изменениями частоты, тона и/или темпа для создания таких эффектов, как эхо, задержка, фланкирование, фазирование и др.
Что такое фазировка при смешивании?
В процессе микширования может возникнуть фазировка, когда между идентичными или связанными сигналами существует небольшая временная задержка. Такая фазировка может привести к нежелательным изменениям тона и громкости, но также может быть использована творчески.
Как вы диагностируете проблемы с фазой?
Вы можете определить фазовые проблемы в своей музыке, развивая слух, микшируя в моно и используя плагины, предназначенные для определения фазы.
Что такое комбинированная фильтрация?
Гребенчатая фильтрация — это тип фазировки, возникающий, когда сигнал складывается сам с собой за короткий промежуток времени, в результате чего возникают как конструктивные, так и деструктивные помехи — обычно это происходит из-за отражения в помещении и/или при стереозаписи. Это явление получило свое название из-за сходства с расческой для волос.
Может ли человеческое ухо слышать фазу?
Хотя человеческое ухо не может определить абсолютную фазу формы волны, оно иногда чувствительно к относительной фазе. Например, многие люди замечают слышимый сдвиг при объединении двух одинаковых синусоид (так как это создает более громкий шум) или при добавлении к сигналу эффекта фазера .
Явление резонанса
У большинства твёрдых тел имеется собственная частота резонанса. Понять этот эффект достаточно просто на примере обычной трубы, открытой только с одного конца. Представим ситуацию, что с другого конца трубы подсоединяется динамик, который может играть какую-то одну постоянную частоту, её также впоследствии можно менять. Так вот, у трубы имеется собственная частота резонанса, говоря простым языком — это частота, на которой труба «резонирует» или издаёт свой собственный звук. Если частота динамика (в результате регулировки) совпадёт с частотой резонанса трубы, то возникнет эффект увеличения громкости в несколько раз. Это происходит потому, что громкоговоритель возбуждает колебания воздушного столба в трубе со значительной амплитудой до тех пор, пока не найдётся та самая «резонансная частота» и произойдёт эффект сложения. Возникшее явление можно описать следующим образом: труба в этом примере «помогает» динамику, резонируя на конкретной частоте, их усилия складываются и «выливаются» в слышимый громкий эффект. На примере музыкальных инструментов легко прослеживается это явление, поскольку в конструкции большинства присутствуют элементы, называемые резонаторами.
Нетрудно догадаться, что
резонатор служит цели усилить определённую частоту или музыкальный тон. Для примера: корпус гитары с резонатором ввиде отверстия, сопрягаемого с объёмом; Конструкция трубки у флейты (и все трубы вообще); Циллиндрическая форма корпуса барабана, который сам по себе является резонатором определённой частоты.
