Эквалайзер (equalizer)эквалайзер (equalizer) — Обработчик, изменяющий относительные уровни частотных областей сигнала. поднимает или ослабляет уровень отдельных областей спектра (spectrum)спектр (spectrum) — Представление сигнала через его частотные составляющие: их частоты, амплитуды и фазы. Для отсчётов спектр вычисляют дискретным преобразованием Фурье. сигнала, а такую обработку называют эквализацией (equalization). Первые эквалайзеры выравнивали частотную характеристику линий связи, отсюда и название: английское equalize значит «выравнивать». Сегодня эквалайзер есть в канале микшерного пульта и в любой DAW.
Линии связи и кино
Первыми эквалайзерами были пассивные цепи из катушек, конденсаторов и резисторов, которые исправляли частотную характеристику телефонных линий. Длинная линия ослабляет высокие частоты (frequency)частота (frequency) — Число полных колебаний за секунду. Обозначается f и измеряется в герцах; 1 Гц означает одно колебание в секунду. сильнее низких, и цепь на приёмном конце компенсировала этот завал. Такие корректоры были частью аппаратуры линии, а не отдельным прибором (Bohn). Теорию корректоров с постоянным входным сопротивлением, которые можно включать в линию звеньями, Отто Цобель (Otto Zobel) из Bell Labs опубликовал в 1928 году (Zobel, BSTJ 1928).
Переменный эквалайзер, который настраивает оператор, впервые применил Джон Волкман (John Volkman) из RCA в 1930-х годах: им корректировали звук в кинотеатрах (Bohn). В 1930–1940-х голливудские студии делали эквалайзеры для озвучивания: подчеркнуть разборчивость речи, обработать шумовые эффекты. Пассивный Langevin EQ-251A уже управлялся ползунками. Фирма Cinema Engineering Арта Дэвиса (Art Davis) выпустила модель 7080 с шестью активными полосами — первый эквалайзер, в котором узнаётся графический (Bohn; Wikipedia, Equalization (audio)).
Параллельно развивалась фиксированная коррекция, которую не регулируют. При нарезке грампластинки бас ослабляют, а верх поднимают, проигрыватель применяет обратную кривую. С середины 1950-х такой кривой служит стандарт RIAA (Wikipedia, RIAA equalization).
Пятидесятые: Pultec и регуляторы тембра
Фирма Pulse Techniques из Нью-Джерси основана в 1953 году, а её эквалайзер Pultec EQP-1 вышел в 1956-м. Это пассивная цепь, за которой стоит ламповый усилитель: он возвращает уровень, потерянный в пассивной части. В низкочастотной секции EQP-1 подъём и ослабление включаются одновременно. Руководство так делать не советовало, но звукорежиссёры этим пользовались, чтобы получить подъём баса с провалом чуть выше. EQP-1 выпускали до 1981 года, а затем его копировали и в железе, и в плагинах (Wikipedia, Pultec EQP-1).
В 1952 году Питер Баксандалл (Peter Baxandall) описал в журнале Wireless World схему регулировки тембра с обратной связью. Два потенциометра независимо поднимают или ослабляют низкие и высокие частоты, переключатель между подъёмом и ослаблением не нужен, а в среднем положении обоих регуляторов характеристика ровная (Baxandall, 1952). Регуляторы «бас» и «высокие» в бытовых усилителях почти всегда построены по этому принципу, и по форме это полочные фильтры, о которых ниже.
Графические и параметрические эквалайзеры
В 1960-х эквалайзеры стали настраивать акустические системы под помещение. В 1962 году К. П. Бонер (C. P. Boner) предложил гасить самовозбуждение системы «микрофон — громкоговоритель» узкими вырезами на частотах, где оно возникает. В 1967 году Арт Дэвис, Джим Ноубл (Jim Noble) и Дон Дэвис (Don Davis) сделали для Altec-Lansing набор Acousta-Voice с полосами по трети октавы (octave)октава (octave) — Музыкальный интервал между нотами одного названия в соседних регистрах. Соответствует отношению частот 2:1.. С него начинается настройка звукоусиления в современном виде, а полосы в треть октавы стали стандартом графических эквалайзеров (Bohn).
Параметрический эквалайзер, в котором частоту, ширину и уровень каждой полосы можно менять плавно, появился в начале 1970-х. Даниэл Фликингер (Daniel Flickinger) запатентовал такую схему в 1971 году. Джордж Массенбург (George Massenburg) вместе с Бёрджессом Макнилом (Burgess Macneal) задумал перестраиваемый эквалайзер для пульта ещё в 1966-м. В 1972 году на конвенции AES Массенбург представил доклад «Parametric Equalization» и ввёл само название (Wikipedia, Equalization (audio); Izhaki, гл. 14, с. 222).
Эквалайзер встраивали и в каждый канал микшерного пульта. Модуль Neve 1073 Руперт Нив (Rupert Neve) разработал в 1970 году для пульта A88 лондонской студии Wessex: предусилитель, трёхполосный эквалайзер и фильтр верхних частот с крутизной 18 дБ на октаву (Wikipedia, Neve Electronics). В пультах Solid State Logic серии SL 4000, выпускаемых с 1979 года, канальный эквалайзер состоит из двух полок, двух параметрических полос, фильтров верхних и нижних частот (Wikipedia, SSL SL 4000; Izhaki, гл. 14, с. 212). Izhaki замечает, что большинство записей до эпохи DAW сведено эквалайзерами не богаче этого.
Цифровые эквалайзеры
Первым самостоятельным эквалайзером на цифровом сигнальном процессоре стал Yamaha DEQ7 в 1987 году (Bohn). В 1992 году фирма Waves выпустила Q10 — параграфический эквалайзер для систем Digidesign, который считается первым звуковым плагином (plug-in)плагин (plug-in) — Программный модуль эффекта или инструмента, который загружается в DAW или другую программу-хост и обрабатывает переданные ему аудиоблоки. (Mix). С тех пор эквалайзер в DAW обычно плагин: число полос ограничено только вычислительной мощностью, кривая видна на экране вместе с анализатором спектра, а работу аналоговых приборов имитируют модели.
Цифровая обработка дала и то, чего не было в аналоговых схемах. Эквалайзер с линейной фазой (phase)фаза (phase) — Положение внутри периода колебания, выраженное углом: полный период соответствует 360°, или 2π радиан. Начальная фаза — её значение в момент t = 0. задерживает все частоты одинаково. Для этого ему нужен большой фрагмент сигнала, около 12 000 отсчётов (sample)отсчёт (sample) — Значение сигнала в один момент дискретизации, одно число. В звукозаписи его также называют сэмплом., поэтому он вносит заметную задержку (latency)задержка (latency) — Время прохождения сигнала через тракт от входа до выхода. Включает буферизацию, драйвер, преобразователи и алгоритмы; длительность одного блока не равна полной задержке. (Izhaki, гл. 10, с. 158). Обычный эквалайзер, аналоговый или цифровой, задерживает частоты около изменённой полосы сильнее остальных, и при больших подъёмах это слышно (Izhaki, гл. 11, с. 164).
Эквалайзер при сведении
При сведении эквалайзером уравновешивают частотный баланс, чтобы микс не звучал глухо или резко (Izhaki, гл. 14, с. 203–206). Партии почти всегда занимают общие частоты, и громкая маскирует (auditory masking)слуховая маскировка (auditory masking) — Снижение слышимости одного звука из-за присутствия другого. Из-за маскировки восприятие сложного звука нельзя определить только по кривым равной громкости чистых тонов. тихую. Если ослабить у одной партии полосу, без которой она обойдётся, другая станет различимее. Кроме того, эквалайзер меняет тембр (timbre)тембр (timbre) — Свойство слухового ощущения, по которому различают два звука одинаковой высоты и громкости. Зависит от состава спектра и его изменения во времени.: бочку можно сделать плотнее, вокал мягче. А фильтрами из записи убирают гул, фон сети и шипение.
Слух воспринимает частоты по отношениям, а не по разностям: 110–220 Гц и 10 110–10 220 Гц — полосы по 110 Гц, но первая — целая октава, а вторая меньше полутона. Поэтому оси эквалайзеров логарифмические, а ширину полосы задают в октавах или через добротность (Izhaki, гл. 14, с. 206).
Виды эквалайзеров
Каждую полосу эквалайзера выполняет фильтр одной из нескольких форм (рис. 1). У каждой формы есть опорная частота, и называется она по-разному (Izhaki, гл. 14, с. 213–214).
Фильтры верхних и нижних частот
Фильтр верхних частот (high-pass filter, HPF)фильтр верхних частот (high-pass filter, HPF) — Фильтр, который пропускает частоты выше частоты среза и ослабляет частоты ниже неё. В сведении убирает гул и низкочастотные помехи. пропускает частоты выше частоты среза (cutoff frequency)частота среза (cutoff frequency) — Частота, выше которой фильтр нижних частот заметно ослабляет сигнал. У однополюсного фильтра при частоте среза много ниже fs/2 синусоида этой частоты ослабляется примерно на 3 дБ. и всё сильнее ослабляет частоты ниже неё. Фильтр нижних частот (low-pass filter, LPF)фильтр нижних частот (low-pass filter, LPF) — Фильтр, который пропускает низкие частоты и ослабляет высокие. Перед дискретизацией помогает ограничить спектр входного сигнала. делает обратное. Частоту среза отсчитывают по ослаблению на 3 дБ (decibel)децибел (decibel) — Логарифмическая единица отношения двух величин: для амплитуд L = 20 lg(A/A₀), для мощностей — 10 lg(P/P₀). Смысл числа задаёт опорная величина., а крутизну спада задают в децибелах на октаву: 6, 12, 18, 24 дБ/окт и больше (Izhaki, гл. 14, с. 214–216). Такие фильтры только ослабляют, поднимать ими нельзя.
Полочный фильтр
Полочный фильтр (shelving filter)полочный фильтр (shelving filter) — Фильтр, который поднимает или ослабляет на одинаковую величину все частоты по одну сторону от частоты перехода. Низкая полка действует ниже неё, высокая — выше. поднимает или ослабляет на одинаковую величину всё, что лежит по одну сторону от частоты перехода. Низкая полка действует ниже неё, высокая — выше; график похож на полку. Обычно регулируются частота и усиление, примерно от −12 до +12 дБ. Регуляторы «бас» и «высокие» бытовой аппаратуры — полочные фильтры (Izhaki, гл. 14, с. 219–221).
Колокол и параметрический эквалайзер
Колоколообразный (пиковый) фильтр поднимает или ослабляет полосу вокруг центральной частоты. Если плавно регулируются частота, усиление и ширина, эквалайзер называют параметрическим (parametric equalizer)параметрический эквалайзер (parametric equalizer) — Эквалайзер, у полос которого плавно регулируются центральная частота, усиление и ширина полосы.. Если ширина фиксирована, а регулируются частота и усиление, — полупараметрическим (Izhaki, гл. 14, с. 222–225). Ширину полосы задают в октавах или через добротность (quality factor, Q)добротность (quality factor, Q) — Отношение центральной частоты полосы к её ширине между частотами среза. Чем больше добротность, тем уже полоса. , отношение центральной частоты к ширине полосы между двумя частотами среза (формула 1).
- центральная частота, Гц;
- ,
- нижняя и верхняя частоты среза, на 3 дБ ближе к нулю от вершины подъёма или провала, Гц.
Колокол с центром 400 Гц и частотами среза 200 и 800 Гц занимает две октавы, его . Чем больше , тем уже колокол: на практике значения лежат примерно от 0,1 до 16 (Izhaki, гл. 14, с. 222–223). Производители определяют ширину неодинаково, поэтому одно и то же в разных эквалайзерах может давать немного разную кривую (Bohn).
Очень узкий провал называют режекторным фильтром (notch filter)режекторный фильтр (notch filter) — Фильтр с очень узким провалом, который убирает одну частоту и почти не трогает соседние, например фон сети или резонанс., или вырезом. Им убирают одну мешающую частоту: фон сети, резонанс, частоту самовозбуждения (Izhaki, гл. 14, с. 224).
Графический эквалайзер
Графический эквалайзер (graphic equalizer)графический эквалайзер (graphic equalizer) — Эквалайзер из ряда ползунков, каждый из которых меняет уровень полосы с фиксированными частотой и шириной, обычно через октаву или треть октавы. — ряд ползунков, каждый из которых управляет колоколом с фиксированными частотой и шириной. Полосы идут через октаву (10 ползунков на слышимый диапазон) или через треть октавы (27–31 ползунок). Положение ползунков примерно рисует итоговую кривую, отсюда название. Графические эквалайзеры обычны в концертном звуке, где ими настраивают систему под зал и подавляют самовозбуждение, и удобны для тренировки слуха (Izhaki, гл. 14, с. 226–227). К эквалайзерам с фиксированными полосами относятся и простые регуляторы тембра.
Динамический эквалайзер
У обычного эквалайзера подъём или ослабление полосы постоянны. У динамического они зависят от уровня сигнала в этой полосе: у каждой полосы есть порог (threshold)порог (threshold) — Уровень, начиная с которого компрессор или лимитер ослабляет сигнал, а экспандер или гейт — перестаёт ослаблять., степень сжатия (ratio)степень сжатия (ratio) — Во сколько раз превышение порога на входе компрессора больше превышения на выходе; записывается как «4:1»., атака (attack time)время атаки (attack time) — Время, за которое компрессор наращивает подавление усиления после превышения порога. Точное определение зависит от устройства. и восстановление (release time)время восстановления (release time) — Время, за которое компрессор возвращает усиление после того, как уровень опустился. Точное определение зависит от устройства., как у компрессора (dynamic range compressor)компрессор (dynamic range compressor) — Устройство или программа, которая ослабляет сигнал, когда его уровень выше порога, и тем сужает динамический диапазон.. Так можно ослаблять резкую полосу вокала только на громких нотах (Izhaki, гл. 14, с. 227–228).
Колокол с центром 1 кГц имеет частоты среза 900 и 1100 Гц. Чему равна его добротность и узкий это колокол или широкий?
. Полоса шириной 200 Гц около 1 кГц — меньше трети октавы, это узкий колокол.
Задачи эквализации
По назначению различают такие виды эквализации:
- корректирующая убирает недостатки записи: гул, резонансы помещения или инструмента, «грязь» на нижней середине, резкость;
- тональная придаёт партии нужный характер: плотность басу, щелчок бочке, воздух вокалу;
- творческая делает звук заведомо неестественным: эффект телефона на голосе, плавное снятие низа перед кульминацией, звучание старой записи (Izhaki, гл. 14, с. 204);
- мастеринговая: в мастеринге (mastering)мастеринг (mastering) — Последний творческий и технический этап перед тиражированием: из готовых сведений собирают альбом, выравнивают уровни и тембр песен, задают паузы и готовят мастер в формате выпуска. эквалайзер выравнивает общий тональный баланс готового микса и согласует звучание песен альбома (Izhaki, гл. 2, с. 28).
Приёмы
Фильтр верхних частот на дорожках, где нет полезного низа, убирает гул, вибрацию стойки и низкочастотные наводки микрофона (microphone)микрофон (microphone) — Устройство, преобразующее звуковые колебания в электрический сигнал. В идеальной модели напряжение на выходе пропорционально звуковому давлению.. Фильтр нижних частот убирает шипение выше полезного диапазона (Izhaki, гл. 14, с. 206).
Чтобы найти нужную частоту, например щелчок бочки или звон резонанса, узкий колокол с большим подъёмом проводят по спектру. Там, где искомое звучит ярче всего, подбирают усиление и ширину, а для резонанса подъём меняют на ослабление. У приёма есть противники: он подменяет вслушивание перебором, и к большому подъёму легко привыкнуть и оставить его (Izhaki, гл. 14, с. 224, 243).
Функция EQ Match (подгонка по образцу) сравнивает усреднённый спектр дорожки со спектром образца и сама расставляет полосы, приближающие одно к другому (FabFilter, EQ Match). Полученную кривую затем проверяют на слух: спектр образца не учитывает аранжировку и материал.
Микс сравнивают с референсами — готовыми записями того же жанра. Мастеринг обычно делает референс громче и плотнее, поэтому сравнивать нужно при одинаковой громкости. Иначе любой подъём эквалайзером, который повышает и общий уровень, покажется улучшением (Izhaki, гл. 2, с. 26–28).
Выбор эквалайзера
Для большинства задач сведения достаточно параметрического эквалайзера с фильтрами верхних и нижних частот и полками: того же набора, что в канале классического пульта. Много полос нужно в основном для проблемных записей (Izhaki, гл. 14, с. 212). Графический удобен на концерте и для тренировки слуха. Эквалайзер с линейной фазой подходит, когда важно сохранить фазовые соотношения, например на шине или в мастеринге, но вносит задержку. Модели аналоговых приборов выбирают ради их характера: кривые таких приборов отклоняются от расчётных, и эти отклонения во многом определяют их звучание (Izhaki, гл. 14, с. 226).
Источники
- Izhaki R. Mixing Audio: Concepts, Practices and Tools. Гл. 2, с. 26–28; гл. 10, с. 158; гл. 11, с. 164; гл. 14, с. 203–228, 243. в списке литературы → — задачи эквалайзера при сведении, виды фильтров и их параметры, определение , графический и динамический эквалайзер, задержка эквалайзера с линейной фазой, референсы, канальный эквалайзер SSL, доклад Массенбурга 1972 года.
- Bohn D. A. Operator Adjustable Equalizers: An Overview. в списке литературы → — история регулируемых эквалайзеров: Волкман и кинотеатры, Langevin и Cinema Engineering, Бонер, Acousta-Voice, Yamaha DEQ7; определения графического и параметрического эквалайзера, полки, постоянной и пропорциональной добротности.
- Baxandall P. J. Negative-Feedback Tone Control. в списке литературы → — регулировка тембра с обратной связью, независимые бас и высокие без переключателей.
- Kirchner A. A Brief History of Equalization. в списке литературы → — обзор, по которому выбран состав статьи: история, виды эквалайзеров, задачи и приёмы. Даты и факты сверены с другими источниками этого списка.
- Nokia Bell Labs. O. J. Zobel, Distortion correction in electrical circuits with constant resistance recurrent networks — аннотация статьи Bell System Technical Journal, 1928: корректоры искажений в линиях на звеньях с постоянным сопротивлением.
- Wikipedia. Equalization (audio) — коррекция телефонных линий, Langevin EQ-251A и Cinema Engineering 7080, патент Фликингера 1971 года, Макнил и Массенбург, доклад на 42-й конвенции AES.
- Wikipedia. Pultec EQP-1 — основание Pulse Techniques в 1953 году, выпуск EQP-1 с 1956 по 1981 год, пассивная схема с ламповым усилителем, одновременный подъём и ослабление низа.
- Wikipedia. RIAA equalization — фиксированная кривая записи и воспроизведения грампластинок, стандарт примерно с 1954 года.
- Wikipedia. Neve Electronics — модуль 1073 для пульта A88 студии Wessex, 1970 год: три полосы эквалайзера и пассивный фильтр верхних частот 18 дБ/окт.
- Wikipedia. Solid State Logic SL 4000 — выпуск серии E в 1979 году.
- Mix. 1992 Waves Q10 Paragraphic EQ — Q10 как первый звуковой плагин, системы Digidesign Sound Tools и Pro Tools.
- FabFilter. Pro-Q 4 Help: EQ Match — анализ спектров дорожки и образца, автоматическая расстановка полос.