延时效果及延时器

延时效果及延时器 i寅蓼雨斗技2011年第三期总第56期月刊No.3,2011monthlyNo.56 延时效果及延时 编译/朱慰中 (广东亚视演艺职业学院电视制作系,广东东莞523710) 【摘要】阐述声频系统中的延时效果及其应用,介绍延时器的类型及其发展. 【关键词】延时;声波;声源信号;梳状滤波效应;频率 文章编号:10.3969~.issn.1674—8239.2011.03.004 —,—, ==; ?,—, TheEffectofDelayandProducts Translate/ZHUWei—zhong (TVProductionApartment,GuangdongATVProfessionalAcademyforPerformingArts,DongguanG uangdong523710,China) [Abstract]Thepaperexplainedtheeffectofdelayanditsapplicationinaudiosystem,andintroductedthes tyleanddevelopmentofdelay [KeyWords]delay;soundwave;sourcesignal;combfilter;frequency 延时器常常在音频系统内使用.在需要延日寸效果时, 这种设备使用得当与否,关系到扩声效果的成败.本文关 注在什/厶场合,如何使用延时器以及使用什/厶样的工具能 够得到满意的结果,并介绍多款知名延日寸器. l卡?火沦’延Il寸技术 1.1温发对传懦的影l响 众所周知,在2O?的干燥空气中,声波的传播速度并 不快,其速度为343.2m/s(1126ft/s).这相当于声波传 播1km要用3S,或是用5s传播1英里.声波在不同空气密 度中的传播速度有显着的变化,通常由于温度的差别所引 起的变化要比实际大气压的差别引起的变化大.这些速度 上的变化可以使声波从一种密度通过另一种密度时引起折 射——犹如光线通过玻璃,水界面日寸所引起的那种折射. 不用探究冗长繁复的方程式即可得出的结果是,在温度差 ~U200?时,将会引起12m/s(或39ft/s)的速度差别,这相 当于约4m(13ft)的距离差.音频延时时间约为3ms/m. 声波在暖空气中的传播较快,当声波通过暖气团,而在暖 气团上方带有一个冷气团时,将会把声波向上折射到冷却 的空气中,反之亦然.就像几年前发生在英国Glastonbury音 乐节的一种现象,由于大批热舞的观众身体散发出热量, 围绕场地外围测得的声压级要高于观众区域内的声压级. 14 音频频段在343.2m/s速度时的波长,在20Hz时为 17.16m,而在20kHzB~缩短至l7.2mm——只要把声速除 以频率即可得出波长.ll:ggl,,不仅声速与温度有关,频 率也与温度有关联.如果某一系统在室内22.5O?时产生 一 个1kHz的驻波,当温度升高至33.60?时,频率将会偏移 I8Hz左右.这种温度梯度(或变化)在空调关闭的剧院内 或在夏天的露天演唱会上是有可能发生的.当同时聆听某个 声源信号和一个频率下移约12.5Hz的拷贝声时,会听到类似 “差拍”的声音,这种声音的声压级出现波动起伏有些像老 式螺旋桨飞机飞过头顶时的那种声音.频移高出15Hz时,则 音调是被融合的,但声音粗哑刺耳.如果听者就坐在厅堂后 座高处的包厢内,此处的温度要比舞台口音箱处高数度,听 到的声音是来自某只延时的音箱以及某只舞台主音箱,那/厶 两者之间所产生的频移将导致一种粗哑刺耳的声音. 1.2父键I’I-:的沦依 低速的声波需要对声音加以延时.例如大型室外演出 场所应用音箱塔作延时,或是对剧院内用包厢下的音箱做 延时.不过,也有把延时时间设定在零点几秒或更长些, 会使效果更为明显,有日寸,更短的数十毫秒的延日寸也会产 生不寻常的效果,并使效果更为突出.因为人耳可以鉴别 出低至7s的差别.人耳的响应比起在给定的时间间隔内 所出现音频的变化较为迟钝;低于35ms的延时可使人耳 感知得以积累,人耳综合了在短时间区段内抵达室内表面 的反射声,这就是为什/厶室内声响要比室外声响较强的缘 故. 一 般来说,低于20ms以下的延时会引起声像漂移及 声染色,因而会影响可懂度.非常短的延日寸会引起梳状滤 波效应,这时两个音频波形相互叠加和抵消,使相互间引 起干涉,产生一种看上去像梳子的齿状那样的频率响应. 这种响应有时被音乐人用作一种效果,人们常称之为”镶 边”声. 约在10ms,20ms的延日寸被证实极为有用,因为可以产 生优先效应,或称之为”哈斯”效应,这是以验证该效应 的,人的名字命名(哈斯并不是惟一的验证者)的.延时 与心理声学极为有关.人耳对声波波阵面到达时间上的差 别极其敏感,人的双耳间距(约180mm)可以让大脑鉴别 出最接近声源的耳朵与远离声源耳朵之间的时间差一一称 之为”两耳时差”.究其要点,如果聆听者在一对音箱前 聆听,那/厶,人耳将会到达人耳的第一个声波波阵面的 声音,也就是来自声源的直达声进行锁定.在规定的时间 间隔内(人所共知的融合区),人耳不能把来自其他方向 的声音当做独立的空间事件. 就此而论,当人们席坐在一对音箱前方的中央(例如 坐在家中高保真音箱前),用相同的声压级播放单声道声 音,那/厶声像将会游荡在一对音箱的中间的前方,也就是 在人们的正前方.如果把送至一只音箱的信号逐步增加至 1ms的延时,那/厶声像将会从中心向未延时的音箱那里显 现,直至增加延时达30ms时,声像将会停留在那里.当把 被延时的音箱的声压级提升时,出现了有趣的现象:在此 期间,未经延时的音箱(仍然显现占支配地位的声源以及 在那里出现声像)的声压级随之增加.直到大约有10dB的 差别时,声像才返回到实际被提升声压级的那只音箱上. 如果家中有一套立体声音响设备,只要在一个声道内用一 台延时器作试验,就可以验证. 这一现象在剧院内获得了极好的效果,因为这样能保 证声音从演员所在舞台上准确地发出,观众不会感到是从 音箱里发出的.如果一个剧场,在其舞台上方装有一组点 声源音箱群(观众会认为声音是从演员那发出的),要在 音响技术爱圈 日udJOIechnOIOg9 距舞台30m处的一个包厢下方的音箱使用延时方式,则音 响者通常把此音箱延时3tns×30m=90IllS.这样会使 听众注意到来自包厢下的声音,但并不明显(除非其声压 级比舞台音箱强得多时).在此基础上,再增~302oms的延 时,就将会把声像拉回到舞台口(也就是舞台上的演员那 里),这样可使声压级增加到能充分地到达后排座位处. 用更多的音箱和复杂的延日寸系统,有可能把围绕在观众席 的声像移动到与演员的位置准确匹配.基于同样的原理, 有时也在录音时把某种声音围绕着立体声声像本身作声像 移动——这是一种少见的做法,却可以实实在在地”安排 在混录中”. 在融合区内使用延时和单次反射有助于提高可懂度, 并为心理声学提供有用的工具,超过35ms,40ms的延时则 可听到回声.如果有多次反射,那/厶那些延时的组合称之 为”混响”——这在固定安装的扩声系统中通常是令人头 痛的事,不过,对于音乐人和录音作品而言,却正是期望 得到的效果. 1.3延时器技术的发展艇件 1.3.1模拟技术产品 早期的延时器不外乎使用弹簧延时线或模拟取样电子 款式,基本上基于模拟滤波器制成.直到1980年才出现了 数字款式.弹簧变形引用金属弹簧的字面意思命名,在它 的一端振动,其振动取决于弹簧的张力和长度,稍后,在 另一端传感器上产生振动.它们受到带宽的限制并易受物 理干扰的影响(例如在其机箱顶部放上一大杯咖啡),但 有其独特的质量.它们曾被许多歌手使用,对歌手的歌声 加入稍许不同的色彩——甲壳虫乐队的约翰-列农就是一个显 着的例子.弹簧混响独特的音色质量,及其在许多音乐风格 历史上的重要性,促使国际音频技术学会(AES)一些会员 利用现代DSP技术作为修饰声音的手段.探索弹簧混响产生 的像虫0鸟般的响J立不是试图去产生弹簧的物理振动,而是研 究如何使用参数模型来复制它们的声音,允许调节诸如延时 时间,各类声响的频谱形状以及衰减比率等参数. 老式的模拟技术不仅受到弹簧和滤波器等的限制,磁 带录音机也存在很大问.在多声轨磁带录音机上,偏置 录音与放音磁头曾是产生和声效果及”镶边”声等广泛采 15 ;寅雨斗技2011年第三期总第56期,W0lNo3,2011monthlyNo56 用的方法,”镶边”效果采用一种梳状滤波效应,用两条 同样素材声轨在同步放音时,录音师用一个手指摩擦一个 磁带带盘,使一条声轨相又寸于另一条产生轻微的相位差. 13.2数字技术产品 在拥有廉价的闪存fODSP的今天,在设定延时,回声 和i~%Q88@,只要按下某个按键,就可轻而易举地达到毫米 级的精度.几乎所有的数字调音台,包括像Yamaha02R或 SoundcraftSil6那样的小型数字调音台在每条通道内均设有 延时器——虽然可能只有1001TIS或稍长些的延时时间. Peavey,Rane,BSS,Symetrix,Biamp以及Bose等公 司拥有功能齐全的DSP~I]成大量的延时器.尽管要耗用工作 存储器,但是许多程序应用软件可用表头指示已有多少存 储量用于延时,还有多少存储量可被利用. DSP的导入——诸~OCobranet或EtherSound以及DSP 本身等的数字音频的传送,通常是无需延日寸的,它们有内 置的延时处理器,会使驱动处理器的数字日寸钟以实际速度 运行,即大家熟知的等待时间.通常规定其总量(典型为 5.25mS)后就能从事工作,但是由模拟和数字组成的混合 信号设备需要有一点规划.当然,延时器系统也是音箱处 理的必要部分,可以确保来自双功放/三功放扬声器的信号 具有一致的波阵面,需要特别注意,数字音箱处理器可能 会引入不在内的延日寸总量. 1.4视频?步『rI】题 在提到视频与广播日寸,延时器起到一种决定性的作 用.不具有当地时间控制标记的视频信号源(例如远距离 的信号源)要通过一台同步器,它需要用一帧视频来做有 效的缓存,然后按照本地的同步锁相装置来释放那些帧, 以此来提供同步——这一方法可以把任何地点的任何视频 信号源组合在一起同步.然而按照传统方式,音频是以实 日寸和未经缓存的方式到达的,因此,将会先于视频到达. 一 帧画面的延时并不显着,但是长长的传输链会有许多帧 延日寸,这样就会出现音视频口形同步上的误差. 所以,此后就出现了用数字硬件处理的应用市场,且 大多数用独立的延时器来解决这一问题.使用两条或四条 通道的延时器并不复杂,大多数延时器是与其他的效果处 理功能整合在实的立体声 并行处理功能.如果想要有简易型,那/ZaNanoverb是一款只 有1/3机身宽度的,使用24bitDSP的处理器,它能提供超过 2O种延日寸,混响甚至还有旋转式扬声器模拟装置等效果. 2.2椎)I11|I~(Yamaha) 雅马哈(Yamaha)SPX几乎与舒尔SM58传声器一样, 近十几年来已经成为各类租赁公司和演播厅内的常备工 具.其系列包括SPX90,SPX90II,SPX900,SPX1000或 SPX990(随之而来的是SPX2000,见图2).它继承了来 自前辈产品的接口及通用程序,而且还增加了先进的 REV-Xreverb算法及24_bit,96kHz音频处理功能.它还提 供更为灵活的具有五种可分配的LCD彩色背景光,操作锁 定方式以及电脑编辑等功能的用户接口. 刘于较为简单的延B寸,调制和混响效果来说,REV100 具有99种预置效果,并能用前面板控制部件来输入所有的 参数.可输入起始延时,湿bU~UW间,高频阻尼参数,输入 电平以及干/湿平衡调节等.它能提供足够的用户存储器, 可以让用户配置变成简单的存储及调用. 2.3林格(Behringcr) 尽管贝林格(Behringer)在音频界曾一度名声不佳. 不过,该公司的产品由于具有相当的坚实和可靠性以及很 图1AlesisMicroVorb4效果器 图2YamahaSPX2000(P)和REV100产品 高的性价比,所以,在租赁公司或演播厅还能找到它的产 品.近来,因为该公司集中关注模拟与数字产品的设计, 使得一系列产品具有良好的性能.其在真实性及感知度方 面所具备的质量,想必是获得Midas-KlarkTeknik集团的星 级品牌的原因.在效果器阵营内,VirtualizerPro是其强项, 目前的牌号为DSP2024P.它提供通用混响,典型的磁带回 声,包括降噪器,压缩器和噪声门等的动态效果器,听觉 心理学方面的增强器,激励器,滤波器,声音畸变器,以 及含有和声器在内的放大器效果等一系列的效果.这些均 使用71种效果算法,在48kHz,24bit的DSP上运行,而A/D ~OD/A转换用24bit及64/128倍过采样,所以只有很,J\--部分 质量受损.其处理能力可以在实日寸方式下同时用多种效果 加以覆盖.除了DSP2024P以外,还有两种较小型的设备. VirtualizerPro3D型号功能更强,它可提供3D效果并能精确 地仿真声学环境(使用”实时声音模型”技术).Minifex FEX800是一款精巧的立体声多功能效果处理器,有16个预 置,其功能包括混响,延时,合唱,”镶边”声,移相, 旋转式扬声器,移调器以及多功能效果等. 2.4I’C~gr(FCElectronic) 拥有更为先进的延时处理的TC电子公司开发了D—Two 产品(见图3)——一种多节拍敲入旋律延时器.它具有一 种音乐旋律节拍敲入特点——不仅在节拍上,而且实际旋 律的模型按照指定的节拍和分部变奏来直接敲入(或称为 量化),每次延时及旋律模型可以长达10s时间.它使用 24bit的转换,DSP以及24bit的存储器——有时不是所有廉 价的处理器都能胜任这一工作.设备原理基于使用反馈回 路的延时线.音频信号经由回路返回,故可得到重复.其 延时/反馈的构架与普通的延时器产品有所不同,那些多次 的重复是用许多的节拍敲八来产生,而节拍敲入不会返回 到延时线上.这样就可以使延时器输出规定数量的重复次 数,也就有可能把最后的节拍敲入返回到延时线上,从而 图3TC电子D-Two延时器(上)和Fireworx效果处理器 音响技术豳 Rudi0Iechn010gg 产生一条完整的旋律音序,在反馈控制时旋律就被重复. 该公司的Fireworx效果处理器(见图3)有一系列可以 利用的效果.除了有一个5段参量均衡之外,全部使用标准的 反馈发送及返回,双路声调移调,噪声及无序声发生器,环 形调制器以及六节拍敲入延时器等.它用一个8×8位置路由 格来实现那些功能.用户把算法放在格栅的任何地方,则 会根据位置把它们自动地用并联和串联的方法”连线”在 一 起.这是一种动态资源分配系统,可以监视已经使用了 多少DSP容量以及算法是否可以在受到限制之前继续增加. 当所需要的算法组合在格栅上被选定之后,则所有的编辑 工具均可被利用,包括一个独特的修饰矩阵,能让用户动 态地转换参数选择. 2.5装思康(Lexicon) 莱思康(Lexicon)为哈曼集团的一种产品品牌,在效 果器处理方面已有较久的历史.早在1971年它即为首先实 现数字处理的产品之一.它与其他的哈曼集团产品(例如 声艺(Soundcraft)调音台合作开发了各种效果的处理, 将一系列处理器的研发瞄准现场扩声或演播室市场以及用 于数字音频工作站(DAW)的插件程序等.它的PCM96 (见图4)为两通道设备,配备有1200个工厂预置效果,而 且还可让用户在音频流程的一些补充点上加人多种方式的 . 滤波器,以便更精确地修正混响.它还具有”无限量”的 转换,可使混响连续运行,为创造独特的背景及声音效果 提供了有用的工具. 莱思康还有一种新颖的房间算法(roomalgorithm), 支持一种可供选择的回旋式混响.其反射模型可被方便地 选定,缩放和均衡,所有这些可以同时通过音频,它们还 能颠倒并与某个传统的混响相组合以便延长其衰减或为某 种空间带来一种强烈的活跃度.该设备适用于录音棚,设 备具有模拟输入/输出,也有AES/EBU,MIDI,以太网及火 线接口,并且能为数字音频工作站用作一种插件程序. 莱思康的PCM91数字混响器则专注于流动演出使用, 图4LexiconPCM96设备 墨ENTER.ta茎INMENTT翻ECHNOLO技GY『17ll,??????0?0?????????????????? 一i 2011年第三期总第56期月刊 NO.3,2011monthlyNo56 它具有老产品PCM90的全部功能.新增的功能包括全部 的AEs/EBu和s/PDlF的I/O,双混响算法及新的具有动态 三维空间的预置,供两通道或环绕声应用.所有双混响算 法——共有10个双”,80向及5对立体声——以及预置为内置; 早先在,张PC卡上可利用PCM90.它有450个预置以提供 真实世界的声音应用. 2.6Sonifexl11I料 Sonifex这个名称使用了极为接近广播的同义词,是少数 仅制造延时器产品的制造商之一.在它的”红盒子”系列 中共有三种延时器,设备内根本不设其他效果.该系列之 一 的RB—DS2(见图5)是一种立体声音频延时同步器,用 于音频跟随视频再同步时的延时处理,例如其中有标准转 换,传输延目寸,专用标志插入,视频屏幕高宽比转换以及 网络延时等.它接受规格高至96kHz,24bit的数字音频信 号,具有平衡模拟及AES/EBU数字两种I/O.它也可作为一 台组合的A/D~0D/A转换器,这意味着模拟输入可以被延日寸而 输出为AES/EBU数字信号,反之亦然.它可用作立体声延 时器,当然也可以用作双路单声道延日寸器或只用作单声道 延时器.它可作为一种标准,在96kHz,24bit下提供10.5s 的延日寸,在48kHz,16bit下提供42s的延时.此外,它有一 个内部精巧的闪存扩展器可提供2GB的存储,可用采处理 提供超过4h的延B寸时间.这样能使某个节目跨越不同的时 区进行播出,或者把某个广播节目延时lh后作卫星播出. 观察它的由来与发展,设备提供的延日寸时间可以被选用至 取样,场,帧以及更为常用的毫秒级的延时. Sonifex系列之二的RB—DD4是一种4通道的设备,它有 该系列其他产品许多相同的特点,但它是专为4个单声道通 道的配置而设计的,而且4个通道可以被链接在一起工作. 与S/PDIFfeTOSLink接口的连通性得到增强,其数字音频 输出可以与如下的任何一种输入同步:附加的AES/EBU参 图5SonifexRB—DS2延时器 18 考输八,TTL字日寸钟的BNC输入,模tt~X/SDI视频馈八(如果 使用附加的RB—SYA或RB—SYD板)或是本地的主时钟等. 该产品系列的另一种延时器为RBPD2,这是一种为直 播节目播出应用的立体声音频延时器,它可以防止污言秽 语等禁止播出的素材被直播播出.它装有一种自动音频延 伸算法,允许在直播时有2s,55s的延时,同日寸在按下某 个按键时仍能维持正确的音调.在/J,型闪存卡上播放预选 的音频文件时,会将这种延时形成一种习惯.当节目完整 后,音频延伸算法会精确无误地把延时缩减至零. 该设备提供从音频输出端删除任何不需要的素材的几 种方法.一种是所谓的咳嗽功能,可以启用专用的前面板 上的按键,使录制场所内出现的咳嗽声或设备的开关噪声 等不被加入到输入端.还有一种在前面板上可以启用消除 功能的按键,共有两种不同的方式:一种是用已经被缓存 的预选总量的一部分音频加以删除;第二种方式是在小型 闪存卡上播放预选的音频文件.当文件完成播放时,则延 8,JB~间等于文件的持续时间.此功能可以多次使用,可以 实现组合延日寸以及一次延时用途,设备可以自动地开始重 建原始的延时时间.作为最后一种方法,所有被缓存的音 频在启用放弃功能时用按下并保持按键的方法而被丢弃. 要返回到正常播出,延时器可以在按下一键后快速关闭. 2.7,j:放顿公}以(Bel(DigitalAtidic))砌) 贝尔数字音频公司像sonifex公司一样,拥有着相似的延 时器市场,该公司也已有多年的历史,早在1980年就有BD80 系列的产品,目前提供”7150”及”8150”.”7150”是一 种立体声延时器,可以把立体声延时长达10.4s(或260帧 PALf~,或312帧NTSC~U).设有8种自定义设定,可被存 储在存储器内并可在本地或通过逻辑输入遥控.能同日寸提 供模拟及AES数字输出,因而也可作为模拟至数字或数字 至模拟的转换器.AES输出可以与外部的AES参考输入相同 步,是一种”比特精度”的方式,可以让AC3g0杜LtEtg号 延日寸. “8150”是专门为音频与视频相同步而设计的一款延 时器,为后期制作提供VT编辑及视频效果器的延时需求. 考虑到视频延日寸可能是恒定的缘故,或在使用时并不需要 经常更改延时.它有8个独立的模拟,04个数字AESI/O,此 外还可以作为D/A或A/D转换器使用.每一对立体声延时线 可根据场频不同(PAL或NTSC~O)而从0,l5场之间变化, 在每一对立体声上装有输入电平控制,峰t]~LED指示灯以及 AES锁定指示灯. 2.8outBoard公词,:l 或许最为先进的延时系统要数英国OutBoard电子公司 制造的UK—TiMax(见图6).该系统围绕DSP结构设计而形 成一个延时矩阵,使各种声源相对于各种不同的输出进行 延时,使拥有多只扬声器的大系统内能真正地,最大限度 地利用小延时器的效果.最新的款式为TiMax2SoundHub, 它用16×16-64×64在2U内实现的I/O配置,同时还能提供 参量均衡,网络化及区域控制,91-)~D内置的多通道硬盘播 放设备等. 随着延时矩阵DSP处理器技术的发展,还有一种用专 用的PC机及苹果机软件提供显示控制即”控制域移动”功 能,它能帮助音响设计师不是凭经验而是发挥创造性,在 系统内对各种信号源至扬声器做独立的时间校准. 控制域移动的基础被TiMax称之为”声像清晰度”, 它由音响设计lJi%U造出在观察设置时提供一系列的相电 平,用扬声器距声像中心的距离来给出延时值.声像中 心是一只”计时起点”扬声器,或是一种诸如人声或乐器 声等的声源.给每一只声像中心的扩声扬声器安排延时时 间,要使这些扬声器的输出被延时到主声源之后出现. 在软件内部有可能把输入声源拽回到声像清晰度中 间,这样就有一种围绕空间做声像偏置的效果;这些声像 移动可被并以逐点提示方式自动地回放.软件会连续 地计算为获得本地色彩需要什/厶样的多级电平和延时值. 然后指令硬件以实时方式去设置或稍稍移动这些值来获得 静态的本地色彩或是活跃的声像偏置效果. 为在演出期间能处理所有这一切,可以用基于演出控 图6OutBoard电子公司UK-TiMax延时系统 音响技术窟圆 IIUdi0TechIIOIOgg 制环境的简单易懂的演出清单来操控提示信号,提示信号 可以被设置成来自MIDI,SMPTE,RS232或一种内部的时 间线那里的触发.要使演员们的无线传声器的声像完全自 动化,TiMaxTracker(跟踪器)选项使用短距离UWB雷达 围绕舞台跟随表演者,并连续不断地改变它们的矩阵变换 的延时时间,以保持实时状态下的本地色彩.晴 (本文编译自((1ighting&SoundInternationa1))杂志2010年 12月刊((TheEffectofDelay))一文.) (编辑张翔)