Основные виды спектральных (или частотных) преобразований реализуются с помощью фильтров и эквалайзеров (EQ). Фильтрами называют устройства, усиливающие или ослабляющие определенные частоты спектра звука. Это могут быть частоты выше или ниже определенной границы, или определенная частотная полоса. Эквалайзерами (т.е. выравнивателями) стали называть приборы, предназначенные для компенсации неравномерности частотной характеристики микрофонов и т.п. устройств. Т.е. какой-то строго определенной разницы между этими понятиями нет, однако, традиционно они применяются к устройствам разного типа. Можно сказать, что эквалайзер обычно состоит из двух или более фильтров.
Есть несколько категорий фильтров, которые, исчерпывающе охватывают все существующие их варианты: пропускающие, режекторные, полочные и колоколообразные. (Речь идет о фильтрах, которые используются в контексте обработки звука на уровне саунд-дизайна, микширования, мастеринга и т.п. Существуют также различные типы фильтров, которые используются в электрических цепях и при обработке цифровых сигналов — all-pass фильтр, сглаживающий фильтр и т.д. — это более низкоуровневые устройства и они рассматриваются только в инженерном контексте).
Пропускающие (pass) фильтры
Пропускающими называют фильтры, которые пропускают определенные частоты, максимально возможно подавляя все остальное. Т.е. высокочастотный пропускающий (High pass) фильтр подавляет все частоты ниже т.н. «частоты среза» (cutoff frequency), а низкочастотный пропускающий (Low pass) — частоты выше частоты среза.
Такие фильтры характеризуются, во-первых, частотой среза, и во-вторых, крутизной (slope). Крутизна измеряется в децибелах на октаву и характеризует степень ослабления сигнала на участке спектра шириной в октаву. Октава здесь означает отношение 1/2, т.е. 2x на октаву выше x. При этом следует иметь в виду, что частота среза фильтра, это частота, на которой ослабление равно 3 дБ, а не та, на которой ослабление только начинается (см. рисунок выше).
фильтры с различным значением крутизны
Третий вид пропускающего фильтра — полосовой (Band pass). Для него используется понятие центральной частоты, выше и ниже которой частоты подавляются.
Для описания полосовых фильтров обычно используется понятие добротности. Это безразмерная величина (обозначается обычно буквой Q), характеризующая избирательность фильтра. Она связана с шириной полосы пропускания Δf простой зависимостью. Границами полосы пропускания принято считать нижнюю и верхнюю частоты среза, середина этой полосы называется центральной частотой (fc). Добротность определяется зависимостью Q = fc/Δf. Чем больше добротность фильтра, тем более узкую полосу частот он способен выделить:
Режекторный (notch) фильтр
Фильтр, противоположный полосовому пропускающему по своему действию, называется «режекторным» (Notch или Band reject). Он, наоборот, подавляет определенную частотную полосу, и обычно характеризуется центральной частотой (f0 на рисунке), шириной выреза (Notch width, Band width, B.W. на рисунке) или добротностью (Q).
Полочные (shelf, shelving) и колоколообразный (Bell) фильтры
Если у пропускающих фильтров подавление характеризуется только крутизной среза, то у полочных фильтров задается некое конечное значение, до которого ослабляется или усиливается сигнал. Графически это можно представить следующим образом:
низкочастотный полочный фильтр с угловой частотой (corner frequency) 1 кГц и различными значениями усиления/ослабления
высокочастотный полочный фильтр с угловой частотой (corner frequency) 1 кГц и различными значениями усиления/ослабления
Колоколообразный фильтр воздействует на определенную частотную полосу, которая определяется:
- центральной частотой
- степенью усиления/подавления (gain)
- шириной полосы или добротностью (Q)
колоколообразный фильтр с различными центральными частотами
колоколообразный (’bell’ или ’peak’) фильтр с различными значениями усиления (gain)
колоколообразный фильтр с различными значениями ширины полосы (bandwidth) или Q
Графический эквалайзер
Самый простой пример такого прибора – панель с набором слайдеров, каждый из которых повышает или понижает уровень определенной частотной полосы:
Распространенный тип графических эквалайзеров – это прибор с 31 полосой эквализации, который также называют 1/3-октавный графический эквалайзер. 1/3-октавный эквалайзер обычно охватывает спектр частот от 20 герц до 20 килогерц. При этом, каждые последующие три полосы прибавляют к предыдущей полосе одну октаву, на которую воздействуют ручки. Первая полоса – 20 герц, четвертая – 40 герц, что соответствует повышению тона на одну октаву. Вторая и третья полоса отвечают за промежуточные значения в 1/3 октавы. Между 20 герцами и 20 килогерцами диапазон составляет 10 октав, и потому, вместе с самой первой полосой, эквалайзер состоит из 31 треть-октавного слайдера.
Встречаются эквалайзеры как с меньшим, так и с большим количеством полос, например, 51-полосный 1/6 октавный эквалайзер.
Графические эквалайзеры обладают определенными достоинствами. Прежде всего – это простота и быстрота воздействия на спектр, возможность одновременно изменять совершенно различные участки спектра как в плюс, так и в минус, а также удобство и графическая наглядность. Но, при этом, к сожалению, недостатки этих приборов очень существенны.
Главный недостаток – невозможность точной локализации частоты, на которую нужно воздействовать. Если резонанс на частоте 1.7 килогерц , то регулировать придется тот слайдер, который ближе других к этой частоте, то есть 1.6. Это, конечно, очень приблизительно.
Второй недостаток – фиксированный уровень добротности на каждой полосе. Некоторые дорогие модели позволяют регулировать добротность, но у большинства обычных графических эквалайзеров такой возможности нет.
И третий, очень важный недостаток, заключается в том, что даже при близком расположении соседних слайдеров невозможно получить абсолютно плавного изменения спектра. Из-за этой особенности графический эквалайзер вносит в звук искажения, которые не так заметны в ходе концерта, но для целей звукозаписи могут оказаться существенными.
Поэтому, при работе в студии чаще всего избегают применения графических эквалайзеров, отдавая предпочтение более маневренным и аккуратным параметрическим.
Параметрический эквалайзер
Параметрические эквалайзеры не обладают таким большим количеством полос эквализации. Однако, благодаря возможности точной локализации частоты, на которую необходимо воздействовать, это им и не нужно. Чаще всего параметрические эквалайзеры имеют от одной до четырех полос. Иногда эти полосы закреплены за определенным диапазоном, в пределах которого можно регулировать их частоту, но нередко и все полосы можно задействовать на всем диапазоне.
Свое название параметрические эквалайзеры получили благодаря наличию полностью изменяемых параметров эквализации, это:
- рабочая частота ("частота" на рис. ниже),
- добротность ("полоса" на рис. ниже),
- чувствительность или gain ("уровень" на рис. ниже),
как видим, это обычные параметры колоколообразного фильтра.
трехполосный параметрический эквалайзер
Программные параметрические эквалайзеры часто позволяют указывать тип фильтра для каждой полосы. Но по умолчанию это, как правило, колоколообразные фильтры в центре и полочные по краям:
пятиполосный параметрический эквалайзер
Резонансный фильтр
Еще один тип фильтра, это резонансный фильтр, и чаще всего это будет резонансный lowpass фильтр. Фильтры такого типа активно используются в субтрактивных синтезаторах. От обычного lowpass фильтра он отличается наличием резонансного пика в области частоты среза. Характеристики этого пика, его высота и толщина, определяются параметром, который чаще всего называется "resonance", и несколько реже: "Q", "emphasis" или "feedback". На рисунке мы видим графики амплитуды для нескольких значений параметра "resonance" одного из самых известных фильтров в истории синтезаторов - Moog lowpass:
амплитудная характеристика резонансного lowpass фильтра 4-го порядка с частотой среза fc = 1000Hz и различными значениями резонанса
В данном случае резонанс реализован с помощью последовательности четырех фильтров первого порядка (т.е. 6 дБ/окт.) с одинаковой частотой среза, и возврата (feeding back) инвертированного выходного сигнала фильтра на его вход. Таким образом, количество возвращаемого сигнала (amount of feedback) определяет значение резонанса. Если коэффициент усиления возвращаемого сигнала достигает 4, сам фильтр начинает генерировать колебания с частотой, равной частоте среза.
Частота среза обычно определяется как частота, на которой мощность сигнала падает в 2 раза, т.е. до значения −3.01 дБ (см. главу «Громкость звука»). Но в данном случае частота среза определяется как частота, с которой резонирует фильтр, и, как видим, её уровень составляет здесь -12,04 дБ. Почему так? Фильтр состоит из последовательности четырех одинаковых lowpass фильтров первого порядка, каждый из которых дает -3,01 дБ уровня и фазовый сдвиг -45◦ на частоте среза. Таким образом, общий эффект составляет падение уровня −12.04 и фазовый сдвиг −180◦. Синусоида, сдвинутая по фазе на 180◦ и инвертированная будет равна исходной, поэтому подача выходного сигнала фильтра на вход приведет к сложению амплитуд на частоте среза и возникновению резонанса на этой частоте.
Значение -12,04 дБ объясняет, почему автоколебание возникает при коэффициенте усиления обратной связи 4: -12,04 дБ соответствует коэффициенту 1/4, и коэффициент 4 компенсирует его, возвращая общий коэффициент усиления на резонансной частоте к значению 1. Теоретически, использование коэффициента усиления обратной связи от 4 и выше должно приводить к возрастанию резонанса до бесконечно высокого значения амплитуды. Но на практике с реальными фильтрами этого не происходит, вместо этого наблюдается стабильное колебание на определенном уровне, причем это колебание не является точно синусоидальным, т.е. включает некоторые обертоны.