По моему опыту, одним из наиболее часто неправильно понимаемых понятий, является понятие фазы. Источник непонимания обычно возникает из-за путаницы между понятиями фазы и полярности. Итак, давайте взглянем на эти две концепции и посмотрим, как они соотносятся с живым звуком.
Большинство людей впервые сталкиваются с фазой, когда им знакомят с кнопкой «реверс фазы» (обозначенной кружком с линией, пересекающей его под углом 45 градусов: Ø) на входном канале аналогового микшерного пульта.
Обычно это объясняется решением проблемы тонкого звука, возникающего в результате использования нескольких микрофонов для одного инструмента. Проблема здесь в том, что эта кнопка на самом деле является переключателем инвертирования полярности — она меняет местами контакты 2 и 3 входного соединения XLR, тем самым инвертируя полярность сигнала по всему частотному спектру.
Полярность является характеристикой волн, положительное значение представляет собой увеличение звукового давления, а отрицательное значение представляет собой уменьшение звукового давления. См. рисунок 1 .
Когда микрофон преобразует звуковую волну (в данном случае синусоидальный тон) в сигнал переменного тока, полярность представляет собой положительный и отрицательный заряд между двумя полюсами электрического сигнала. Следовательно, если мы нажмем переключатель инвертирования полярности на консоли, мы перевернем всю волну вокруг нулевой линии так, что она будет выглядеть, как на рисунке 2 .
Это позволяет нам скорректировать полярность отдельных входов по отношению к другим сигналам — будь то конкретная микрофонная техника или неправильно подключенный кабель XLR (где контакты 2 и 3 были перепутаны).
Однако его также можно использовать для решения фазовых проблем, что только способствует путанице. Но что такое фаза?
Вопрос времени
Фаза — это «отношение во времени между последовательными состояниями или циклами колеблющейся или повторяющейся системы».
Это означает, что фаза описывает разницу во времени. Нас интересует не столько разница во времени между звуковым сигналом и фиксированным эталоном времени, потому что такая разница во времени не слышна, сколько разница во времени между двумя сигналами, например сигналами от двух разных микрофонов ( рис. 3 ) .
Цикл волны измеряется в градусах, полный цикл составляет 360 градусов, поэтому мы используем градусы для обозначения разности фаз между двумя волнами.
Если мы отправим на громкоговоритель синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, а затем поместим два микрофона перед громкоговорителем так, чтобы их капсюли находились как можно ближе друг к другу, они будут улавливать идентичные сигналы ( рис. 4 ). ).
Если эти два сигнала объединяются через два канала консоли, настроенные на один и тот же уровень, они будут давать объединенный выходной сигнал, равный исходному сигналу, но в два раза превышающий амплитуду. Это называется конструктивной интерференцией.
Однако, если мы переместим один из микрофонов на 17см (17см — это половина длины волны 1 кГц) позади другого, временная задержка приведет к тому, что два сигнала будут сдвинуты по фазе ровно на 180 градусов ( рис. 5 ).
В этом случае, если два сигнала объединяются в консоли на одном уровне, пики одного будут компенсировать провалы другого, что приведет к тишине( в реальной боевой обстановке будет просто уменьшение амплитуды сигнала). Это называется деструктивной интерференцией.
Рис. 6. Однако, если нажать переключатель инвертирования полярности на одном из каналов (в данном случае на втором/более удаленном микрофоне), два сигнала объединятся, как если бы они были захвачены равноудаленными микрофонами, и произведут один и тот же сигнал с двойной амплитудой ( Рис. 6 ) . .
И это ключевой источник путаницы между фазой и полярностью, потому что, несмотря на то, что временная задержка все еще существует, инвертирование полярности одного из сигналов создает впечатление, что два сигнала находятся в фазе, хотя на самом деле они все еще повернуты на 180°. градусов не по фазе.
Это часто приводит нас к утверждению, что два сигнала либо совпадают по фазе, либо не совпадают по фазе, но это довольно бинарный взгляд на это.
По мере того, как разность фаз увеличивается от нуля, сигналы постепенно смещаются в противофазе, что приводит к постепенному уменьшению амплитуды комбинированного сигнала до тех пор, пока они не достигнут 180 градусов, и сигнал становится тихим.
Затем, по мере того, как разность фаз продолжает увеличиваться, объединенный сигнал набирает амплитуду, пока не достигнет 360 градусов и снова не вернется к полной, удвоенной амплитуде.
Пики и провалы
Изучение взаимодействия синусоидальных тонов отлично подходит для того, чтобы погрузиться в чистую науку об этом, но очень мало настоящей музыки создается только из синусоидальных волн.
Большинство музыкальных инструментов производят сложную комбинацию множества различных волн на разных частотах, взаимодействующих по всему спектру и внутри огибающей, создавая уникальный и сложный тембр.
Поэтому, когда мы используем несколько микрофонов на более сложных тембрах, мы получаем сложную комбинацию конструктивной и деструктивной интерференции на разных частотах. Это называется гребенчатой фильтрацией ( рис. 7 ).
Гребенчатый фильтр является результатом объединения широкополосного (т. е. широкого диапазона частот) сигнала с задержанной версией самого себя. Это дает частотную характеристику равномерно расположенных пиков, которые при отображении на графике напоминают зубья гребенки.
Ширина и глубина пиков различаются в зависимости от содержания аудиосигналов и их фазового соотношения ( рис. 8 ).
Если мы нанесем тот же фильтр на логарифмическую шкалу (которая лучше отражает то, как мы воспринимаем звук), самая глубокая метка — это огромный провал в нижних частотах, что объясняет, почему одним из наиболее заметных последствий гребенчатой фильтрации является потеря нижних частот. Обычно это приводит к глухому или тонкому звуку, который некоторые люди вполне точно описывают как «фазовый». Итак, как мы можем избежать фазовых проблем и гребенчатой фильтрации?
Многие звукорежиссеры используют эмпирическое правило, называемое правилом 3:1. В нем говорится, что расстояние между двумя микрофонами должно как минимум в три раза превышать расстояние от ближайшего микрофона до его источника. Идея состоит в том, что утроение расстояния между любыми дополнительными микрофонами означает, что улавливаемый сигнал должен быть как минимум на 9 дБ ниже, чем сигнал на первом микрофоне (из-за закона обратных квадратов, который говорит нам, что звук обычно теряет 6 дБ при каждом удвоении расстояния до микрофона). Поэтому, когда два сигнала объединяются, разница уровней гарантирует, что любое фазовое несоответствие не будет заметно при гребенчатой фильтрации.
Моя единственная проблема с правилом 3:1 заключается в том, что оно предполагает одинаковое усиление всех микрофонов; однако, как только вы начнете увеличивать усиление на более удаленных микрофонах (в интересах хорошей структуры усиления), вы рискуете создать заметные проблемы с фазой, несмотря на тщательное позиционирование.
Он хорошо работает с хорами или оркестровыми ансамблями и бесценен в контролируемой среде студии звукозаписи, но на хаотичной живой сцене лучшим решением часто бывает просто расположить основной микрофон как можно ближе к источнику. Это неизменно приводит к эффекту близости (поскольку большинство микрофонов, используемых в живом звуке, являются направленными), но небольшая фильтрация и канальный эквалайзер могут легко справиться с этим.
Креатив против технических аспектов
Есть несколько случаев, когда мы пренебрегаем разумным расположением микрофона в пользу творческих методов, которые захватывают интересные звуки, поэтому нам нужно знать о возможных проблемах с фазой и полярностью.
Наиболее распространенным примером этого является классическая техника микрофона верхней / нижней части малого барабана, когда один микрофон размещается над малым барабаном, а другой размещается под ним, чтобы уловить пружину малого барабана.
Однако, когда эти два похожих сигнала объединяются, результат, скорее всего, вызовет гребенчатую фильтрацию и даст тонкий звук. Это связано с тем, что при ударе по барабану и колебаниях пластика вверх-вниз, волна движется к верхнему микрофону и одновременно удаляется от нижнего. Следовательно, у нас есть два сигнала противоположной полярности. Это то, что довольно легко исправляется нашим старым другом, кнопкой инвертирования полярности (обычно применяется к нижнему микрофону).
Другой распространенный метод двойного микрофона - это комбинация входа и выхода бочки, при которой граничный микрофон помещается внутри бочки, а динамический микрофон размещается снаружи или в отверстии переднего пластика. В этом случае у нас есть очевидная разница во времени прихода на два микрофона, что обязательно вызовет проблемы с фазой. Это можно исправить, изменив полярность одного из микрофонов, но по моему опыту это не всегда работает, поэтому я либо перемещаю микрофоны, либо удаляю все нижние частоты с одного из них (чтобы предотвратить подавление низких частот). и поэкспериментируйте с различными уровнями, чтобы получить звук, который хотите (используя гребенчатую фильтрацию в процессе). Это часто приводит к тому, что я использую один из микрофонов для низкочастотного стука, а другой — для щелчка в верхнем среднем диапазоне.
К тому же, теперь у нас есть цифровые консоли с возможностью задержки. Так что можно просто выровнять два микрофона по времени и избавьться от необходимости пытаться исправить разность фаз, меняя полярность одного из них.
Двойной микрофон перед динамиком гитарного усилителя — еще одна популярная техника, которая может привести к проблемам с фазой. Удобный трюк — попросить кого-нибудь переместить один из микрофонов, пока вы слушаете положение, в котором амплитуда комбинированного сигнала падает больше всего, а затем нажать кнопку инвертирования полярности на одном из микрофонов.
Если у усилителя открытая задняя панель, я предпочитаю размещать один микрофон сзади, так как он улавливает более полный, менее громкий звук, который можно микшировать с передним микрофоном для создания диапазона тонов. Опять же, эти два микрофона будут улавливать сигналы противоположной полярности, поскольку диффузор громкоговорителя движется к одному и от другого, поэтому на заднем микрофоне следует использовать переключатель инвертирования полярности.
В конце концов, огромное количество микрофонов, которые мы используем на сцене, означает, что мы не можем полностью устранить проблемы с полярностью и фазой, но хорошее знание того, что такое полярность и фаза, в сочетании с разумным размещением, может очень помочь в получении нужного вам звука. Как и большинство аспектов живого звука, все дело в том, чтобы использовать ваши уши, и внимательно слушать.
#противофаза #гребенчатый фильтр #полярность #фазовый сдвиг #звукорежиссер
