混響也是大學(xué)問(wèn)，自然混響與數字混響的區別

　　混響是音頻在數字信號處理當中所能實(shí)現的最有趣的效果之一。它是一種非常適合使用數字方式進(jìn)行處理的效果，而對于模擬電子設備來(lái)說(shuō)，則是非常難以實(shí)現的。

　　正因如此，數字信號處理的使用對于我們將空間感融入音樂(lè )元素的能力帶來(lái)了非常深遠的影響。

　　在數字信號處理被應用在創(chuàng )建混響效果之前，人們是通過(guò)換能器的使用來(lái)創(chuàng )建混響效果的，也就是在物理延遲元件的兩端分別使用一個(gè)揚聲器和一個(gè)麥克風(fēng)。

　　這里所述的延遲元件通常是指一組金屬材質(zhì)的彈簧，也可以使用一塊懸掛起來(lái)的金屬板，還可以是一個(gè)實(shí)際存在的房間。

　　使用物理延遲元件來(lái)創(chuàng )建混響效果時(shí)，我們很難對聲音的變化做出控制。而且使用它們來(lái)創(chuàng )建混響，并不是件輕松方便的事情。使用金屬彈簧作為物理延遲元件來(lái)創(chuàng )造混響效果實(shí)際上是其中唯一一個(gè)還算是輕便，并且費用較低的解決方案。

　　盡管如此，就聲音本身的效果來(lái)說(shuō)，這些方法都非常的糟糕。

　　首先，讓我們快速的了解一下混響的定義：自然混響是指聲音在有限空間/密閉空間中，經(jīng)過(guò)表面的反射所產(chǎn)生的效果。聲音從其聲源處發(fā)出，以每秒1100英尺(約335米)的速度進(jìn)行傳播，并撞擊到密閉空間的墻壁表面，從而產(chǎn)生各種角度的反射。

　　其中的某些反射會(huì )很快的傳播到我們的耳朵(也就是我們所說(shuō)的“早期反射”)，而其他的一些(沒(méi)有被傳播到我們耳朵位置的)反射會(huì )在這個(gè)密閉空間中繼續傳播并撞擊其他的表面，持續不斷的發(fā)生反射，直到聲波傳達到我們的耳朵。

　　對于那些堅硬且厚重的表面(例如混凝土墻面)來(lái)說(shuō)，聲波經(jīng)過(guò)反射后的衰減不會(huì )很大，然而對于那些柔軟的表面來(lái)說(shuō)，聲波中的很多的能量會(huì )被這些表面所吸收，尤其是聲波中高頻部分的衰減最為明顯。

　　房間的大小，墻壁的復雜性和角度，房間內所擺放的物品以及表面的密度這些因素共同決定了這個(gè)房間的“聲音特征”。

　　在使用數字信號處理時(shí)，原始的延遲時(shí)間僅受到可用內存的約束;而反射次數以及與頻率相關(guān)的效果(濾波)模擬器只會(huì )受到處理速度的制約。

　　兩種模擬混響的方法

　　接下來(lái)讓我們看一看兩種用于模擬混響的數字化方法。第一個(gè)就是：暴力法，也叫強制法。

　　混響效果是一種時(shí)變效果(即隨著(zhù)時(shí)間的變化而變化的效果)。也就是說(shuō)混響效果其實(shí)跟我們所演奏的音符沒(méi)有什么關(guān)系，無(wú)論我們演奏的音符怎么變換，我們所得到的混響效果依然是相同的。

　　時(shí)不變系統(即指特性不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的變化而變化的系統)可以完全由其脈沖響應來(lái)表征。

　　您是否曾經(jīng)站在一個(gè)空曠的大空間中(比如健身房或者是建筑物的大廳)，發(fā)出一個(gè)很短促的聲音(擊掌就是個(gè)產(chǎn)生短促聲音很好的方式)，然后我們就能夠聽(tīng)到這個(gè)聲音的混響效果在逐漸減弱。其實(shí)這個(gè)過(guò)程，我們就是在聆聽(tīng)房間的脈沖響應。

　　通過(guò)脈沖響應，我們能夠了解到有關(guān)這個(gè)空間的所有信息。通過(guò)那一下短促的擊掌，我們就能夠立即感受到混響的強度，混響消逝的時(shí)間以及房間的混響效果是否夠“好”。

　　通過(guò)聆聽(tīng)房間的脈沖響應我們的不僅可以靠自己的耳朵對房間進(jìn)行分類(lèi)，而且我們可以對混響進(jìn)行記錄并進(jìn)行復雜的信號分析。所以我才說(shuō)，脈沖響應能夠告訴我們關(guān)于這個(gè)空間的所有信息。

　　脈沖響應的之所以這么好用，是因為脈沖在理想的狀況下是一種瞬時(shí)聲音，并且它在所有頻率上所承載的能量都是相等的。而當聲波以混響的形式反射回來(lái)時(shí)，它所攜帶的信息就是這個(gè)空間對這個(gè)瞬時(shí)全頻脈沖的響應效果。

　　脈沖及其響應

　　在現實(shí)世界中，擊掌的聲音，氣球破裂的聲音，或者鞭炮爆炸的聲音，還有通過(guò)氣體的電氣放電的聲音都是脈沖信號。

　　如果將一個(gè)房間的脈沖響應數字化，然后將其導入到聲音編輯軟件中進(jìn)行查看，它的形狀看起來(lái)會(huì )像是正在衰減的噪聲信號。在信號的密度達到一定程度之后，它會(huì )逐漸平滑地衰減到零。實(shí)際上，聲音空間越平滑這種衰減就會(huì )越平滑。

　　就數字音頻處理而言，我們很容易理解脈沖響應中的每一個(gè)采樣點(diǎn)都可以被看作是脈沖的離散回波。

　　在理想的情況下，由于脈沖是單一的非零樣本，因此不難理解當我們使用了一系列的樣本時(shí)(即在房間中播放的音樂(lè ))，我們得到的響應將是所有的樣本在各自的時(shí)間點(diǎn)上的響應之和，這被稱(chēng)為疊加。

　　換句話(huà)說(shuō)，如果我們已經(jīng)擁有了某個(gè)空間的數字化的脈沖響應數據，那么我們就可以輕松地將這個(gè)空間的特征添加到任何一個(gè)數字化的干聲音中去。

　　用脈沖響應中的每一個(gè)點(diǎn)乘以樣本的振幅即可得出這個(gè)空間內該樣本的響應;因此我們只需要對被“放入”該空間中的每一個(gè)聲音樣本進(jìn)行乘法操作就能夠得到整個(gè)聲音樣本的響應。通過(guò)這種方法，我們只需將結果疊加在一起，即可所獲得一系列(數量與我們使用的樣本數量相等)重疊的響應。

　　這個(gè)方法十分簡(jiǎn)單，但是計算量卻非常的龐大。我們所輸入的每一個(gè)樣本都需要和脈沖響應中所對應的樣本相乘，然后再添加到混音中。

　　如果我們需要處理的樣本數量為n個(gè)，而脈沖響應擁有的樣本數量是m個(gè)，那么在這個(gè)方法中我們需要執行n + m個(gè)乘法和加法運算。因此，如果我們的脈沖響應的長(cháng)度是三秒鐘(對應一個(gè)大房間的情況)，而我們需要處理的音樂(lè )的長(cháng)度是一分鐘，那么在采樣率為44.1KHz的情況下，我們在整個(gè)過(guò)程中需要進(jìn)行約350萬(wàn)億次的乘法運算和相同數量的加法運算，這簡(jiǎn)直是個(gè)天文數字。

　　如果我們有一整天的時(shí)間去等待計算機進(jìn)行計算處理，那這不會(huì )是什么問(wèn)題，但是如果我們想獲得實(shí)時(shí)的效果，這種方法顯然是不可能的。

　　這是件非常遺憾的事，因為這種方法在很多方面都具有非常大的優(yōu)勢。特別是通過(guò)它我們可以精確的模擬出世界上任何一個(gè)房間的脈沖響應，而且我們還能夠輕松的制作出專(zhuān)屬于自己的脈沖響應，也就意味著(zhù)我們能夠創(chuàng )造出專(zhuān)屬于自己的“房間”。

　　事實(shí)上，還有一種更加實(shí)用的方法能夠幫助我們解決這個(gè)問(wèn)題。

　　我們之前一直在討論的是時(shí)域處理，而其中將兩個(gè)采樣信號進(jìn)行乘法處理的過(guò)程被稱(chēng)為“卷積”。雖然在時(shí)域中進(jìn)行卷積需要進(jìn)行大量的運算，但是在頻域中進(jìn)行等效的卷積處理所需的計算量卻能夠得到大幅的減少(時(shí)域中的卷積等效于頻域中的乘法運算)。

　　具體的解釋我就不在這篇文章里展開(kāi)了。

　　一種實(shí)用的數字混響方法

　　我們所熟知和喜愛(ài)的那些數字混響效果器都采用了和上面所述的不同的方法?；旧蟻?lái)說(shuō)，它們會(huì )通過(guò)多個(gè)延遲和反饋的使用創(chuàng )建出一系列密集的回聲，這些回聲會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的流逝而消失。

　　想要實(shí)現這個(gè)效果，我們所需的基本元素/模塊都是差不多的，然而我們可以通過(guò)變量的設置和模塊組合的方式來(lái)獲得不同的結果，從而給我們的數字混響單元賦予獨特的聲音特征。

　　最簡(jiǎn)單的操作方法是使用單個(gè)延遲，將部分信號反饋到該延遲中，從而產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間逐漸消失的重復的回波(反饋的增益必須小于1)。

　　將類(lèi)似但是不同長(cháng)度的延遲進(jìn)行混合能夠增加回聲的密度，從而達到更加接近混響的效果。例如，如果我們將延遲長(cháng)度設置為不同的質(zhì)數，就能夠讓每個(gè)回波都落在其他回波的空白區域，從而提高整體的密度。

　　實(shí)際上，上面所說(shuō)的這種簡(jiǎn)單的操作方法的效果并不理想。如果我們想要獲得平滑的混響效果，需要使用的這種硬回聲的數量是非常龐大的。

　　同樣的，這種簡(jiǎn)單的反饋容易引起梳狀濾波效應，會(huì )導致頻率被抵消，雖然這種抵消可模仿出房間的效果，但是也會(huì )產(chǎn)生ringing和不穩定的效果。雖然是有用的，但是僅僅靠這些梳狀濾波器并不能夠為我們帶來(lái)令人滿(mǎn)意的混響效果。

梳狀濾波混響的原理圖

　　通過(guò)正反饋(反相)和負反饋的加入，我們可以對頻率抵消進(jìn)行填充，使整個(gè)系統變成全通濾波。全通濾波器能夠像之前的方法一樣帶來(lái)回波，但是其頻率響應會(huì )更平滑。

　　它們能夠提供頻率相關(guān)的延遲效果，對輸入信號的諧波進(jìn)行涂抹，能夠讓我們獲得更接近于真實(shí)混響的聲音效果。梳狀濾波和全通濾波的組合(串聯(lián)，并聯(lián)，或者是嵌套)的循環(huán)延遲以及其他元素(例如，在反饋路徑中加入濾波器以模擬高頻吸收)的共同作用，能夠為我們提供真正好用的數字混響效果。

全通濾波器混響的原理圖

　　好了，我們這次就說(shuō)到這里，對于數字混響這個(gè)主題我們能夠找到大量的相關(guān)文章，而這篇文章的目的僅僅是向大家介紹基本知識。