Борьба с фазовыми искажениями при микрофонной записи

Фленджер-эффект звукорежиссеры знают и любят издавна. Именно он рождает тот самый качающийся, сверлящий и эфемерный звук, который присутствует в бесчисленном множестве знаковых психоделических записей 60-70-х – увлеченные звукорежиссеры иногда весь микспропускали через фленджер…

Примеров тут множество – от незабвенных TheBeatles с их "Magical MysteryTour" до экстремальной "Life In The Fast Lane" TheEagles

И этот гениальный эффект активно используется звукорежиссерами и поныне. Основан он на сдвиге сигналов по фазе. Но всегда ли сдвиг по фазе рождает полезные эффекты?

Как гласит одна из легенд, эффект фленджера был обнаружен Джоном Ленноном во время микширования на студии Abbey Road, когда он случайно (или преднамеренно?) притормозил пальцем бобину легендарного ленточного магнитофона Studer C37, воспроизводившего в паре с другим магнитофоном очередной бессмертный опус Битлов. И тут (о чудо!) возник ранее не слышимый эффект: звук гитары Леннона переливался, плавал и просто пронизывал слушателя в трех плоскостях... Естественно, всё тогда воспринялось как баловство. Но неугомонный Джеф Эмерик, в те годы – звукоинженер студии Abbey Road, обладавший особенностью анализировать всё, что происходило в студии (за что, собственно, его и ценил Джордж Мартин, продюсер Битлз), после той веселой сессии исследовал физическую сущность случайно полученного эффекта. Вскоре он соорудил первый в мире электромеханический фленджер из двух магнитофонов, который Леннон завороженно слушал. Сегодня этот эффект новичок получает простым выбором пресета в цифровом эффект-процессоре…

Эффект фленджинга базируется на умышленно созданном фазовом сдвиге между двумя идентичными звуковыми сигналами, и тут этот сдвиг выступает в «хорошей» ипостаси. Но чаще фазовые сдвиги мешают звукорежиссерам спокойно жить. Например, при неверной установке микрофонов (или их расфазировке), мы получаем абсолютно не нужные фазовые провалы на концертах и в записях. Диапазон звучания в этом случае – от мягкого приятного окрашивания до жесткого «продырявленного» и искаженного до неузнаваемости тембра. Это – типичный результат плохо подготовленной многомикрофонной записи и формирование отражений звука от близко расположенных поверхностей.

Настоящая статья посвящена технике позиционирования микрофонов и поиску решений, позволяющих минимизировать или обойти акустический сдвиг фаз. Но сначала рассмотрим основные принципы и терминологию всего того, что касается такого широкого понятия, как "фаза".

 К чему приводят фазовые сдвиги?
Вот как о фазе говорит учебник всех звукорежиссеров – книга Алека Нисбета «Звуковая студия» (М., Связь, 1979, с.457): "Фаза – это величина, характеризующая состояние какого либо (волнового – прим.авт) процесса в каждый момент времени". Фазовый сдвиг обязан сдвигам по времени (например, в пределах одного периода) между двумя идентичными волнами (колебаниями). Фаза измеряется в угловых единицах – градусах или долях периода. Когда этот сдвиг равен 180 градусам (в этом случае говорят, что колебания противофазны друг к другу, т.е. первая волна достигает своего максимума, а вторая – минимума), эти колебания взаимно компенсируют друг друга. В случае с электрическими сигналами, при равенстве амплитуд противофазных сигналов мы получим их полную компенсацию. И наоборот, в случае полного совпадения колебаний по времени (0 град., 360 град., и т.д.) мы получаем сложение колебаний.

Рис. 1.  Полное сложение и вычитание колебаний

Это явление называют фазовым вычитаниями и сложениями.

Известно, что реальные музыкальные звуки представляют собой сложные колебания, достаточно далекие от синусоидальных (разве что за исключением флейты, форма колебаний которой близка к синусоидальной, и то с некоторой натяжкой). Такие сложные колебания можно представить в виде набора простых синусоид. Когда два сложных колебания имеют фазовый сдвиг между собой, то при их сложении полной компенсации не происходит. Происходит более неприятная вещь – некоторые частоты в спектре вычитаются, а некоторые суммируются, все зависит от величины пресловутого фазового сдвига. В результате формируется так называемый гребенчатый фильтр (его характеристика действительно похожа на гребешок), который безжалостно "расчесывает" тембр вашей записи.

Рис. 2. Гребенчатый фильтр, формирующиися при задержке 2,5 мс между микрофонами

Ясно, что все это приводит к радикальному изменению спектра звучания. Чаще всего данная ситуация возникает при неточном позиционировании микрофонов (двух и более) относительно источника звука. Распространенный пример: в студии вы поставили свою лучшую стереопару на отлично звучащую акустическую гитару, но придя в аппаратную, не узнаете ее тембра! Вы грешите на микрофоны, на мониторы, наконец на усталость после вчерашней затянувшейся за полночь сессии… На самом деле вы всего лишь столкнулись с фазовыми выпадениями (старые звукорежиссеры в таких случаях говорили "наловили противофазы"). 

Рис. 3. Сложные противофазные звуковые сигналы

Причина фазовых проблем кроется в различных расстояниях между источником звука и микрофонами и, соответственно различном времени прихода звуковой волны к ним. Аналогичная ситуация возникает даже с одним микрофоном, когда волна от одного источника приходит к микрофону двумя путями – прямо и от отражающей поверхности. В этом случае прямой сигнал от источника складывается либо вычитается с задержанным (т.е.  отраженным), и вы снова получаете фазовые проблемы (отметим, что это в меньшей мере касается диффузных отражений).
Проверить вашу микрофонную систему на предмет фазовых вычитаний достаточно просто: нужно просто суммировать звук в моно и послушать. Если в тембре инструментов замечена некая странность – так и есть, вы "наловили противофаз". Для суммирования в моно нужно нажать соответствующую кнопку на микшерном пульте, а если таковой не имеется, просто свести в центр регуляторы панорамы проверяемых микрофонов. Коррекция фазовых проблем обычно сводится к перестановке микрофонов, и часто это помогает, но если это не срабатывает – есть другие, более радикальные методы. Теперь, когда у нас есть понимание сути проблемы, рассмотрим стандартные ситуации, где могут возникнуть фазовые аномалии.

Проблемы многомикрофонных систем
Предположим, вы записываете певца, одновременно аккомпанирующего себе на акустической гитаре (барда), и вы пишете его с помощью двух микрофонов: один – на голос, другой – на гитару. При прослушивании в студии вы замечаете, что певец звучит неестественно – так, как будто в канале голоса экстремально настроили эквалайзер, но панорамирование микрофонов в крайнее левое и правое положение устраняет проблему. Очевидно, что налицо фазовые проблемы. А произошло вот что: гитарный микрофон, кроме гитары, в большой степени воспринимает и голос певца, но с некоторой задержкой.

Рис. 4. Два акустических тракта при одновременнои записи вокала и гитары

Два пути вокала в миксе – прямой и задержанный, складываясь, интерферируют друг с другом, что и приводит к "дырявому" тембру голоса. Более того, то же самое происходит со звуком гитары, дополнительно усугубляя проблему. Неопытные начинают судорожно работать эквалайзером, но это только ведет к дальнейшему обострению ситуации… Что же делать? Для начала…
 
Соблюдаем правило 3:1
Во избежание фазовых проблем достаточно выполнять простое правило, касающееся установки микрофонов. Звукорежиссеры называют его "Правилом 3:1". Оно гласит, что расстояние между двумя микрофонами должно быть как минимум в три раза больше, чем расстояние от микрофона до снимаемого им источника звука.

Рис. 5. Правило "3 к 1"

В противном случае мы получим искажающий звучание гребенчатый фильтр (правая часть рисунка). Правило это было выведено давно благодаря исследованиям специалистов компании Electro-Voice Лу Бэроугза и Тома Линингера. Они доказали, что суммирование сигнала с его задержанной копией приводит к выпадениям спектра, но когда задержанный сигнал на 9 дБ слабее прямого, то пики и провалы в итоговой АЧХ будут иметь величину менее 1 дБ, т.е. становятся практически неслышимы. Чем выше соотношение в данном правиле, тем меньшие фазовые проблемы мы получаем.

Сила направленности
Использование свойств диаграмм направленности микрофонов может сыграть большую роль в борьбе с фазовыми выпадениями. Например, два кардиоидных микрофона, направленные тыловыми (нечувствительными) сторонами друг к другу, могут располагаться дальше от источника звука, чем гласит правило "3:1", обеспечивая при этом отличное разделение между каналами. Еще большее разделение могут обеспечить два микрофона-«восьмерки», имеющие наибольшее внеосевое подавление среди всех разновидностей микрофонов (при приходе звука под углом 90 градусов к оси чувствительности микрофона).
Еще один метод при записи близко расположенных источников звука (как в случае с бардом) - два кардиоидных микрофона в виде XY-пары: один на голос, один на инструмент. В этом случае мы вообще не получим фазовых выпадений в силу того, что капсюли микрофонов расположены практически в одной точке. Левый и правый сигналы не будут иметь разности фаз ("совмещенная" микрофонная стереопара).
Но самый главный совет избегания фазовых проблем – не используйте два микрофона, если работу можно сделать одним!

Исключения из правил
 Есть ситуации, когда правило "3:1" не работает, например, когда каждый из двух микрофонов формирует лишь часть общего звучания музыкального инструмента. Все мы знакомы с ситуацией, когда один микрофон снимает звучание верхнего пластика малого барабана, а другой микрофон – нижнего. Такой подход обычно не вызывает фазовых искажений в силу значительной разницы в тембрах звучания верхнего и нижнего пластиков. Но тут может возникнуть другая фазовая проблема: не следует забывать, что на микрофоны над барабаном и под ним звуки верхнего и нижнего пластиков приходят в противофазе (по крайней мере, на НЧ). Поэтому при таком озвучивании барабана двумя микрофонами следует перевернуть фазу сигнала нижнего микрофона. Вторая проблема озвучивания малого барабана – кроме ближнего точечного микрофона он прекрасно воспринимается общими (overhead) микрофонами ударной установки. И снова получаем два тракта – задержанный и прямой...

Рис. 6. Съем звучания малого барабана. Два микрофона на разном расстоянии от источника звука

Но, главное правило звукорежиссуры гласит: «Ваши уши – ваш главный судья». Поэтому стоит послушать звучание малого барабана и, может быть… оставить нижний микрофон синфазным, а перевернуть по фазе как раз оверхеды! Отмечу, что противофазный метод озвучивания музыкальных инструментов, имеющих диаграмму излучения типа «восьмерка» (барабаны, некоторые виды губных гармошек и др.) интересен и недостаточно исследован.

Рис. 7. Противофазное озвучивание губной гармоники

Курица – не птица, стерео – не моно…
Если вы проверяете пару микрофонов на фазовую совместимость суммированием в моно их сигнала и прослушивая результат на студийных мониторах, помните, что акустика вашей студии тоже может вносить определенные фазовые искажения. Такой метод контроля может подвести, когда у вас есть небольшая, но все же нежелательная противофаза. Поэтому лучший метод проверки фазности – на наушниках.
Также стоит учесть, что некоторые сигнал-процессоры, такие как ревербераторы и дилеи, могут формировать свои пресеты на противофазных алгоритмах. Не следует забывать, что большинство из них имеют ручку mix (или dry/wet), отвечающую за подмешивание обработанного сигнала к исходному. Цифровые приборы имеют собственную задержку (латентность) между входом и выходом, поэтому при подключении такого прибора к микшерному пульту стоит держать ручку mix в положении 100%, иначе могут возникнуть сложные многотрактовые взаимодействия, приводящие к электрическим сдвигам фаз.
Еще один источник таких проблем – дополнительный "разгон" (кроме посыла в главную L-R шину) сигналов через подгруппы пульта. Абсолютно ли вы уверены в идентичности фазовых характеристик всех линеек вашего микшера?

Ближние отражения – друг или враг?
Фазовые выпадения могут иметь место даже при использовании одного микрофона, когда он расположен близко к твердой отражающей поверхности (пол, каменные стены, пюпитры). Да-да, сплошные металлические пюпитры при неверном угле установки могут формировать мощное отражение, искажающее голос вокалиста!

Рис. 8. Сплошной пюпитр при неверном угле установки формирует мощное ближнее отражение голоса вокалиста

Помните, что звуковая волна отражается подобно световой – угол падения равен углу отражения. Поэтому устанавливайте пюпитр вокалиста почти вертикально (чтобы отраженная волна уходила мимо микрофона), либо размещайте на пюпитре звукопоглотители. Еще лучше использовать акустически прозрачные "дырявые" пюпитры.

Рис. 9. Акустический экран на пюпитре

Примеров ситуаций с вредными отражениями бесчисленное множество: overhead-микрофоны ударной установки находятся близко к потолку зала небольшого клуба, микрофоны рояля – близко к его открытой крышке, микрофоны для записи спектаклей – на некотором расстоянии от поверхности сцены… Все перечисленные проблемы решаются двумя методами: «беги от отражающей поверхности, или… слейся с ней».
Для рояля – располагаем микрофоны поближе к крышке, для спектаклей – используем PZM-микрофоны по рампе, а в небольшом клубе можно вообще отказаться от оверхедов – "железо" ударной установки в малых клубах всегда неуправляемо!
Еще один характерный пример фазовых выпадений – съем звучания гитарного кабинета. Тут тоже формируются мощные ближние отражения, в частности от пола.

Рис. 10. Два акустических тракта гитарного кабинета

Но их роль в формировании гитарного тембра далеко не однозначна. Да, отраженная звуковая волна в сумме с прямой формирует мощный гребенчатый фильтр, резко меняющий звук гитарного кабинета. Но давайте вспомним, где чаще всего используется flange-эффект? Правильно, на электрогитарах! Сегодня звучание электрогитары подвергается радикальным коррекциям эквалайзерами, а тысячи гитаристов по всему миру ищут свой неповторимый и оригинальный звук. Поэтому нормой озвучивания гитарного кабинета стала многомикрофонная система – один поближе, другой – подальше…

Рис 11. Установка микрофонов на гитарном кабинете

Всегда помните: главный принцип расположения микрофонов – это слушать их. Если вам нравится то, что вы слышите из студийных мониторов – не трогайте микрофоны, просто запишите их звук. Если же нет – придется еще раз прогуляться в тон-ателье студии или на сцену концертного зала.