數(shù)字信號(hào)處理可以讓我們將音樂放置在不同的（虛擬）“空間”中。

作者：Nigel Redmon

編譯：PrincessX

這篇文章由EarLevel Engineering提供。

小編注釋：這篇文章本來是發(fā)表于1997年的，但是時(shí)至今日，文中的內(nèi)容還是很有參考價(jià)值。

混響，是錄音棚數(shù)字信號(hào)處理效果中最有趣的方面之一。這是一個(gè)非常適合數(shù)字信號(hào)處理的過程，如果用模擬電子處理的話，會(huì)變得很不方便。正因?yàn)槿绱�，�?shù)字信號(hào)處理可以讓我們將音樂放置在不同的（虛擬）“空間”中。

在數(shù)字處理誕生之前，混響效果都是用換能器創(chuàng)造出來的——基本上就是一個(gè)音箱和一個(gè)話筒——物理延遲元件的兩端。延遲元件也就是一套金屬?gòu)椈�，一塊懸掛的金屬板，或者是一個(gè)真正的房間。物理延遲元件在對(duì)混相聲的控制上有著很大的局限。而且這些創(chuàng)造混響“空間”的元件也不是很便于攜帶；彈簧混響算是唯一比較方便攜帶的——而且也是比較經(jīng)濟(jì)的——選擇，但是用金屬?gòu)椈蓜?chuàng)造出的混響從聲音質(zhì)量的角度上來看，是最劣質(zhì)的。

首先，讓我們來看一下什么是混響：自然混響是指聲音在某一個(gè)空間中通過界面反射所得到的混相聲。聲音從發(fā)聲源中以1100英尺每秒的速度向四周發(fā)散開去，然后觸碰到墻面，并以不同的角度進(jìn)行反射。有些反射聲會(huì)立即進(jìn)入到你的耳朵（“early reflections”前期反射），而另外的一些反射聲則會(huì)繼續(xù)被反射到其他的墻面上，直到進(jìn)入你的耳朵為止。一些比較厚重的界面——比如說水泥墻——對(duì)聲音的反射可以說基本上是不帶衰減的，然而一些比較軟的界面，就會(huì)相對(duì)吸收更多的聲音，尤其是聲音中的高頻段。房間的大小，構(gòu)造的復(fù)雜性和墻面的角度，以及房間中的東西，另外還有反射界面本身的密度，都會(huì)影響到一個(gè)房間的聲音特質(zhì)。

但是在數(shù)字信號(hào)處理中，延遲的時(shí)間只受可用內(nèi)存空間、反射次數(shù)的限制。而且與頻率相關(guān)的效果（濾波器）也只收信號(hào)處理速度的限制。

兩種可行的模擬混響方式

讓我們來看一下兩種可行的數(shù)字混響模擬方式。第一種，簡(jiǎn)單粗暴型。

混響是一個(gè)不隨時(shí)間改變的聲音效果。這意味著當(dāng)你彈奏一個(gè)音符的時(shí)候，不會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的變化而影響到混響——你無論如何都會(huì)得到一個(gè)相同的通道混響效果。（將混響與受時(shí)間影響的效果器進(jìn)行對(duì)比，比如說flanging鑲邊效果，輸出的聲音會(huì)受到音符和鑲邊掃頻之間關(guān)系的影響。）

不受時(shí)間影響的系統(tǒng)可以完全通過一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖響應(yīng)來被定性。你是否曾經(jīng)進(jìn)入過一個(gè)很大的空房間——比如說一個(gè)體育館或者大廳——然后聆聽這個(gè)房間的聲音特性？你可能只是發(fā)出了一聲很短的聲音——比如拍了一下手什么的——然后你就會(huì)聽到混相聲此起彼伏。如果你有注意到過的話，那么你聽到的就是房間本身對(duì)聲音的脈沖響應(yīng)。

這個(gè)脈沖響應(yīng)可以告訴你關(guān)于房間的一切信息。只需要拍一下手，就可以立即知道房間的混響特性，以及混響時(shí)間的長(zhǎng)短，而且也可以知道房間的聲音是否足夠“好”。我們不僅可以用肉耳去判斷這個(gè)房間脈沖響應(yīng)的特性，同時(shí)也可以用先進(jìn)的信號(hào)分析器，對(duì)這個(gè)房間的混響做出分析。事實(shí)上，脈沖響應(yīng)可以告訴我們一切我們想要知道的信息。

這種方法可行的原因在于：脈沖，從它的理想原型來說，是一個(gè)在所有頻率段擁有相同能量的瞬態(tài)的聲音。因此我們得到的，就是房間對(duì)這個(gè)瞬態(tài)全頻信號(hào)的響應(yīng)，這種響應(yīng)就是房間的混響。

（一個(gè)脈沖信號(hào)以及它的響應(yīng)）

在現(xiàn)實(shí)世界中，拍手——或者氣球爆炸，鞭炮爆炸，或者一個(gè)電弧的噼啪聲——都可以被認(rèn)定為一個(gè)聲音脈沖。如果你對(duì)房間的聲音特性進(jìn)行數(shù)字化，并在一個(gè)聲音編輯軟件中審視它的話，它看上去就像是衰減的噪音。一開始會(huì)有一些高密度的能量堆積，之后就會(huì)逐漸衰減到零。事實(shí)上，如果房間本身的聲音特質(zhì)更圓滑，那么聲音衰減也就更圓滑。

在數(shù)字信號(hào)處理中，你很容易意識(shí)到，每次響應(yīng)的采樣點(diǎn)都可以被視為初始脈沖信號(hào)的一個(gè)離散的回聲響應(yīng)點(diǎn)。因?yàn)椋瑥睦硐霠顟B(tài)來看，脈沖信號(hào)就是一個(gè)非零的聲音樣本，不難想象，一系列的聲音樣本——比方說在房間里發(fā)出的一個(gè)聲音——可能是每一個(gè)單獨(dú)聲音樣本在他們各自存在時(shí)間里回聲響應(yīng)的總和（這種現(xiàn)象被稱為聲音疊加）。

換句話說，如果我們有某個(gè)房間的一個(gè)數(shù)字化的聲音脈沖信號(hào)特性，我們就可以很容易地把這個(gè)特性添加到任何的未經(jīng)處理的數(shù)字干聲上。將聲音樣本的音量和每一個(gè)脈沖響應(yīng)點(diǎn)相乘，就可以得到房間對(duì)這個(gè)聲音樣本的響應(yīng)；我們只需要對(duì)每一個(gè)我們想要“放進(jìn)”那個(gè)房間的聲音進(jìn)行這個(gè)處理就可以了。這樣我們只需要將聲音樣本放在一起，就可以得到很多重疊的響應(yīng)。

這種方法確實(shí)簡(jiǎn)單，但是我們需要為此付出很多的經(jīng)費(fèi)在計(jì)算機(jī)的處理上。每個(gè)輸入的聲音樣本都需要單獨(dú)與脈沖響應(yīng)相乘，然后再相加成為最后的輸出結(jié)果。如果我們n個(gè)聲音樣本需要被處理，假設(shè)脈沖響應(yīng)是m個(gè)樣本的長(zhǎng)度，那么我們就需要進(jìn)行n+m次相乘和相加。所以，如果房間對(duì)聲音的脈沖響應(yīng)是3秒的話（可能是一個(gè)大房間），如果我們需要處理一個(gè)一分鐘的音樂，那么我們就需要進(jìn)行將近350萬億次乘法運(yùn)算，以及同樣次數(shù)的加法運(yùn)算（假設(shè)我們的采樣率是44.1kHz）。

如果你可以接受這個(gè)事實(shí)的話，那么你可以讓你的電腦花上一天的時(shí)間處理這些數(shù)據(jù)，然后你可以在第二天聽到最終的處理結(jié)果，但是這明顯不適合我們需要的實(shí)施效果處理。這事實(shí)上真的太壞了，因?yàn)檫@個(gè)過程在很多方面都可以得到提升。尤其是，你其實(shí)可以準(zhǔn)確地模擬出世界上任何房間的聲音特性，只要你有它的脈沖響應(yīng)的話，而且你也可以很簡(jiǎn)單地創(chuàng)造出屬于你自己的人造脈沖響應(yīng)，并以此創(chuàng)造出一個(gè)屬于你自己的“空間”（比如說，一個(gè)簡(jiǎn)單的衰減噪音序列雖然可能很簡(jiǎn)單，但是卻可以帶來一個(gè)圓滑的混響，而且這種混響也是帶有更多個(gè)性色彩的）。

事實(shí)上，有一個(gè)更實(shí)用的處理方法。我們剛剛一直在討論關(guān)于時(shí)間范圍內(nèi)的處理，將兩個(gè)采樣信號(hào)相乘的數(shù)字信號(hào)處理過程被稱為“convolution”（卷積）。和時(shí)間領(lǐng)域的卷積處理不同的是，同樣的卷積處理在頻率范圍內(nèi)則不需要這么多的運(yùn)算過程，可以大大減少電腦后臺(tái)的運(yùn)算量（對(duì)時(shí)間領(lǐng)域進(jìn)行卷積處理所需要消耗的運(yùn)算量是在頻率領(lǐng)域進(jìn)行卷積處理運(yùn)算量的好幾倍）。在此我就不再詳述了，但是你可以去看一下Bill Gardner的一篇文章，“Efficient Convolution Without Input / Output Delay”（沒有輸入/輸出延遲的高效卷及處理），或許你可以從中找到更好的處理方法。（我自己還沒有嘗試過這種技術(shù)，但是如果我有時(shí)間的話，我也會(huì)去嘗試一下這種方法的。）

獲得數(shù)字混響的一個(gè)有效途徑

我們眾所周知的備受寵愛的數(shù)字信號(hào)混響可以有很多種不同的方式�；�本來說，它們會(huì)使用多個(gè)信號(hào)延遲和信號(hào)回饋來創(chuàng)建出一系列高密度的回聲，這個(gè)回聲會(huì)隨時(shí)間漸漸衰減。這其中一些功能性的構(gòu)造元件大家已經(jīng)都了解了；然而真正能給一個(gè)數(shù)字信號(hào)混響賦予屬于自己的個(gè)性聲音的重要因素，在于這些構(gòu)造的變體以及這些構(gòu)造元件是如何相互合作的。

最簡(jiǎn)單的方式，是創(chuàng)造一個(gè)延遲模塊，然后再將部分經(jīng)過延遲后的聲音信號(hào)再回饋給這個(gè)延遲模塊，這樣就能創(chuàng)造出一個(gè)重復(fù)的逐漸衰減的回聲效果（回饋給延遲信號(hào)的聲音信號(hào)必須小

1）。將不同深度的類似這種延遲效果的聲音信號(hào)混起來，就可以增加回聲的密度，而且混響聽起來也更加真實(shí)。比如說，用根據(jù)質(zhì)數(shù)產(chǎn)生的不同長(zhǎng)度的延遲可以確保每一個(gè)回聲都可以恰好在另外兩個(gè)回聲之間，這樣就增強(qiáng)了回聲的密度。

但在實(shí)戰(zhàn)中，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的原理卻不怎么好用。你需要太多這種硬回聲才能創(chuàng)造出一個(gè)圓滑的混響墻。而且，使用簡(jiǎn)單的信號(hào)反饋也是梳狀濾波器的一個(gè)秘方，梳狀濾波器可以帶來頻率抵消，這樣就可以模擬出真實(shí)的房間效果，但是也可能帶來環(huán)形調(diào)制效果和不穩(wěn)定的聲音。盡管很有用，但是如果只有這些梳狀濾波器的話，還是不能給出一個(gè)令人滿意的混響效果。

（梳狀濾波混響單元）

相反，如果在反饋信號(hào)的同時(shí)，也將一部分信號(hào)繼續(xù)向前推送，我們就可以彌補(bǔ)這些頻率抵消，這樣的系統(tǒng)就是一個(gè)全通濾波器。全通濾波器也可以給我們之前所說的梳狀濾波器產(chǎn)生的效果，而且還能達(dá)到更加圓滑的頻率響應(yīng)。將這些梳狀濾波器和全通環(huán)形延遲效果器，以及其他的處理單元（如用于模擬高頻吸收的反饋路線中的高頻濾波器單元）相結(jié)合——不管是串聯(lián)、并聯(lián)，還是嵌套式組合——都能得到一個(gè)相對(duì)令人滿意的結(jié)果。

（全通濾波器混響單元）

我就說到這里了，因?yàn)橐呀?jīng)有很多現(xiàn)有的關(guān)于這些觀點(diǎn)的文章，而且我寫這篇文章也只是為了向大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹而已。從我個(gè)人而言，我從Hal Chamberlin的“Musical Applications of Microprocessors”中得到了很多有用的信息，此外，Bill Gardner對(duì)于這些原理的文章也能在這個(gè)網(wǎng)頁上找到。

Nigel Redmon是一個(gè)音樂家、電子軟件工程師，以及獨(dú)立的研發(fā)家，致力于數(shù)字音頻信號(hào)處理領(lǐng)域。他參與研發(fā)的產(chǎn)品有：Line 6、Equator Audio、Alesis、Oberheim等等。

轉(zhuǎn)自《midifan月刊》2016年06月第123期