.jpg/1280px-Comp._rack_(Supernatural).jpg)
Сжатие динамического диапазона ( DRC ) или просто сжатие — это операция обработки аудиосигнала , которая уменьшает громкость громких звуков или усиливает тихие звуки, тем самым уменьшая или сжимая динамический диапазон аудиосигнала . Сжатие обычно используется при записи и воспроизведении звука , радиовещании , [1] живом звукоусилении и некоторых усилителях инструментов .
Специальный электронный аппаратный блок или аудиопрограмма, применяющая сжатие, называется компрессором . В 2000-х годах компрессоры стали доступны в виде программных плагинов, которые работают в программном обеспечении цифровых аудио рабочих станций . В записанной и живой музыке параметры сжатия можно регулировать, чтобы изменить их воздействие на звук. Компрессия и лимитирование идентичны по процессу, но различаются по степени и воспринимаемому эффекту. Лимитер – это компрессор с высоким коэффициентом и, как правило, коротким временем атаки.
Существует два типа сжатия: нисходящее и восходящее. Оба типа сжатия уменьшают динамический диапазон аудиосигнала. [2]
Сжатие вниз уменьшает громкость громких звуков выше определенного порога. Тихие звуки ниже порога остаются неизменными. Это наиболее распространенный тип компрессора. Ограничитель можно рассматривать как крайнюю форму нисходящей компрессии, поскольку он особенно сильно сжимает звуки выше порога .
Сжатие вверх увеличивает громкость тихих звуков ниже определенного порога. Более громкие звуки выше порога остаются без изменений.
Некоторые компрессоры также имеют возможность выполнять противоположное сжатию, а именно расширение . Расширение увеличивает динамический диапазон аудиосигнала. [3] Как и сжатие, расширение бывает двух типов: вниз и вверх.
Расширение вниз делает тихие звуки ниже порога еще тише. Шумовой гейт можно рассматривать как крайнюю форму расширения вниз, поскольку шумовой гейт делает тихие звуки (например, шум) тише или даже бесшумными, в зависимости от обстановки на полу. [2]
Расширение вверх делает более громкие звуки выше порога еще громче.
Сигнал, поступающий в компрессор, разделяется; одна копия отправляется в усилитель с переменным коэффициентом усиления, а другая - в боковую цепь , где измеряется уровень сигнала, и схема, управляемая измеренным уровнем сигнала, применяет к усилителю необходимое усиление. Эта конструкция, известная как конструкция с прямой связью , сегодня используется в большинстве компрессоров. Более ранние конструкции были основаны на схеме обратной связи , при которой уровень сигнала измерялся после усилителя. [4]
Существует ряд технологий, используемых для усиления с переменным коэффициентом усиления, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Электронные лампы используются в конфигурации, называемой переменным мю , где напряжение между сеткой и катодом изменяется для изменения коэффициента усиления. [5] В оптических компрессорах используется фоторезистор, возбуждаемый небольшой лампой ( лампой накаливания , светодиодом или электролюминесцентной панелью ) [6] для создания изменений в усилении сигнала. Другие используемые технологии включают полевые транзисторы и диодный мост . [7]
При работе с цифровым звуком методы цифровой обработки сигналов (DSP) обычно используются для реализации сжатия в виде аудиоплагинов , в микшерных консолях и на цифровых аудиорабочих станциях . Часто алгоритмы используются для эмуляции вышеперечисленных аналоговых технологий. [ нужна цитата ]
Ряд настраиваемых пользователем параметров и функций управления используется для настройки алгоритмов и компонентов обработки сигналов сжатия динамического диапазона.
Компрессор снижает уровень аудиосигнала, если его амплитуда превышает определенный порог . Порог обычно устанавливается в децибелах ( dBFS для цифровых компрессоров и dBu для аппаратных компрессоров), [8] где более низкий порог (например, -60 дБ) означает, что обрабатывается большая часть сигнала. Когда уровень сигнала ниже порогового значения, обработка не выполняется, и входной сигнал передается на выход в неизмененном виде. Таким образом, более высокий порог, например, -5 дБ, приводит к меньшей обработке и меньшему сжатию.
Поведение времени порога зависит от настроек атаки и отпускания (см. ниже). Когда уровень сигнала превышает пороговое значение, работа компрессора задерживается настройкой атаки . В течение времени, определяемого задержкой после того, как входной сигнал упадет ниже порогового значения, компрессор продолжает применять сжатие динамического диапазона.
Величина снижения усиления определяется соотношением : соотношение 4:1 означает, что если уровень входного сигнала превышает пороговое значение на 4 дБ , уровень выходного сигнала снижается до 1 дБ сверх порогового значения. Уровень усиления и выходного сигнала снижен на 3 дБ. Другой способ выразить это заключается в том, что любой уровень входного сигнала, превышающий пороговое значение, в этом случае будет выводиться с уровнем, который всего на 25% (т.е. 1 к 4) превышает пороговое значение, как и его входной уровень.
Наивысшее соотношение ∞:1 часто называют лимитирующим и фактически означает, что любой сигнал, превышающий пороговое значение, снижается до порогового уровня после истечения времени атаки .
Компрессор может обеспечить определенную степень контроля над тем, как быстро он действует. Атака — это период, когда компрессор уменьшает усиление в ответ на повышенный уровень на входе, чтобы достичь усиления , определяемого соотношением. Релиз — это период, когда компрессор увеличивает усиление в ответ на пониженный уровень на входе, чтобы достичь выходного усиления, определяемого соотношением или единицей, как только уровень входного сигнала упадет ниже порогового значения. Поскольку характер громкости исходного материала изменяется в результате изменяющейся во времени работы компрессора, он может изменять характер сигнала от едва заметных до весьма заметных способов в зависимости от используемых настроек атаки и затухания.
Продолжительность каждого периода определяется скоростью изменения и необходимым изменением прибыли. Для более интуитивного управления элементы управления атакой и релизом компрессора помечены как единица времени (часто миллисекунды). Это время, необходимое для изменения усиления на заданную величину в дБ или на заданный процент в сторону целевого усиления. Не существует отраслевого стандарта для точного значения этих временных параметров. [9]
Во многих компрессорах время атаки и восстановления регулируется пользователем. Однако у некоторых компрессоров время атаки и восстановления определяется схемой и не может быть отрегулировано. Иногда время атаки и восстановления задается автоматически или зависит от программы , а это означает, что поведение может меняться в зависимости от входного сигнала.
Еще один элемент управления, который может предложить компрессор, — это выбор жесткого или мягкого колена. Этот параметр определяет, будет ли изгиб кривой отклика между порогом ниже и выше порога резким (жестким) или постепенным (мягким). Мягкое колено медленно увеличивает степень сжатия по мере увеличения уровня и в конечном итоге достигает степени сжатия, установленной пользователем. Мягкое колено уменьшает потенциально слышимый переход от несжатого к сжатому и особенно применимо для настроек с более высоким соотношением, когда переключение на пороге будет более заметным. [10]
Компрессор с чувствительностью к пикам реагирует на пиковый уровень входного сигнала. Обеспечивая более жесткий контроль пикового уровня, определение пикового уровня не обязательно связано с восприятием громкости человеком. Некоторые компрессоры применяют функцию измерения мощности (обычно среднеквадратическую или RMS) к входному сигналу перед сравнением его уровня с пороговым значением. Это обеспечивает более расслабленную компрессию, которая более тесно связана с человеческим восприятием громкости.
Компрессор в режиме стереосвязи применяет одинаковое снижение усиления как к левому, так и к правому каналам. Это сделано для предотвращения смещения изображения, которое может произойти, если каждый канал сжимается индивидуально. [11]
Поскольку понижающий компрессор только снижает уровень сигнала, обычно предоставляется возможность добавить фиксированную величину компенсационного усиления на выходе, чтобы обеспечить оптимальный выходной уровень.
Функция прогнозирования предназначена для решения проблемы необходимости компромисса между медленными скоростями атаки, которые обеспечивают плавные изменения усиления, и быстрыми скоростями атаки, способными улавливать переходные процессы. Упреждающий просмотр реализуется путем разделения входного сигнала и задержки одной стороны (аудиосигнала) на время упреждающего просмотра. Сторона без задержки (сигнал регулировки усиления) используется для сжатия задержанного сигнала, который затем появляется на выходе. Таким образом, для улавливания переходных процессов можно использовать плавно звучащую более медленную скорость атаки. Платой за это решение является добавленная задержка звука через процессор.
Сжатие часто применяется в аудиосистемах для ресторанов, розничной торговли и подобных общественных мест, которые воспроизводят фоновую музыку на относительно низкой громкости и нуждаются в ее сжатии не только для поддержания достаточно постоянной громкости, но и для того, чтобы сделать тихие части музыки слышимыми. окружающий шум.
Сжатие может увеличить средний выходной коэффициент усиления усилителя мощности на 50–100 % при уменьшенном динамическом диапазоне. [ нужна цитата ] Для систем оповещения и эвакуации это добавляет ясности в шумных условиях и экономит количество необходимых усилителей.
Сжатие часто используется в производстве музыки, чтобы сделать инструменты более согласованными в динамическом диапазоне, чтобы они лучше «сидели» в миксе с другими инструментами (не исчезали в течение коротких периодов времени и не подавляли другие инструменты в течение коротких периодов времени). [12] По той же причине сжимаются вокальные исполнения в рок-музыке или поп-музыке .
Сжатие также можно использовать для звуков инструментов для создания эффектов, не ориентированных в первую очередь на стабилизацию громкости. Например, звуки барабанов и тарелок имеют тенденцию быстро затухать, но компрессор может сделать звук более продолжительным. Звуки гитары часто компрессируются для получения более полного и продолжительного звука.
Большинство устройств, способных сжимать динамику звука, также можно использовать для уменьшения громкости одного источника звука, когда другой источник звука достигает определенного уровня; это называется боковой цепочкой. [13] В электронной танцевальной музыке сайд-чейн часто используется на басовых партиях , управляемых бочкой или аналогичным перкуссионным триггером, чтобы предотвратить конфликт между ними и придать звуку пульсирующую, ритмичную динамику.
Компрессор можно использовать для уменьшения шипения (звуков «эсс») в вокале ( де-эссинг ), подавая на боковую цепь компрессора эквалайзерную версию входного сигнала, чтобы определенные частоты, связанные с шипением (обычно от 4000 до 8000 Гц), ) активируйте компрессор еще больше. [14]
Сжатие используется в голосовой связи в любительском радио , где используется однополосная модуляция (SSB) , чтобы сделать сигнал конкретной станции более читаемым для удаленной станции или чтобы выделить передаваемый сигнал одной станции на фоне других. Это особенно применимо в DXing . Сила сигнала SSB зависит от уровня модуляции . Компрессор увеличивает средний уровень сигнала модуляции, тем самым увеличивая мощность передаваемого сигнала. Большинство современных радиолюбительских SSB-трансиверов имеют встроенные речевые компрессоры. Сжатие также используется в наземной мобильной радиосвязи , особенно в передаваемом звуке профессиональных раций и пультов дистанционного управления . [15]
Сжатие широко используется в радиовещании для увеличения воспринимаемой громкости звука при уменьшении динамического диапазона исходного звука. Чтобы избежать перемодуляции , вещательные компании в большинстве стран имеют юридические ограничения на мгновенную пиковую громкость, которую они могут транслировать. Обычно этим ограничениям соответствует постоянно включенное в эфирную цепь оборудование сжатия.
Вещательные компании используют компрессоры, чтобы их станции звучали громче, чем аналогичные станции. Эффект заключается в том, что при заданной настройке громкости радиостанция с более сильным сжатием выскакивает перед слушателем. [12] Это не ограничивается межканальными различиями; они также существуют между программным материалом в пределах одного и того же канала. Разница в громкости является частым источником жалоб аудитории, особенно на телевизионную рекламу и рекламные ролики, которые кажутся слишком громкими.
Европейский вещательный союз (EBU) занимается этим вопросом в группе EBU PLOUD, в которую входят более 240 специалистов в области аудио, многие из которых представляют вещательные компании и производители оборудования. В 2010 году EBU опубликовал EBU R 128 , который представляет новый способ измерения и нормализации звука . В Рекомендации используется измерение громкости согласно ITU-R BS.1770 . По состоянию на 2016 год [обновлять]несколько европейских телеканалов заявили о своей поддержке новой нормы [16] [17], и более 20 производителей анонсировали продукты, поддерживающие новые измерители громкости режима EBU . [18] [ не удалось проверить ]
Чтобы помочь звукоинженерам понять, из какого диапазона громкости состоит их материал (например, чтобы проверить, может ли потребоваться некоторое сжатие, чтобы вписать его в канал конкретной платформы доставки), EBU также ввел дескриптор диапазона громкости (LRA). [19]
Большинство телевизионных рекламных роликов сильно сжаты для достижения почти максимальной воспринимаемой громкости, оставаясь при этом в допустимых пределах. Это вызывает проблему, которую часто замечают телезрители: когда станция переключается с минимально сжатого программного материала на сильно сжатую рекламу, иногда кажется, что громкость резко увеличивается. Пиковая громкость может быть такой же, что соответствует букве закона, но высокая степень сжатия приводит к тому, что гораздо больше звука в рекламном ролике приближается к максимально допустимому, из-за чего рекламный ролик кажется намного громче. [20]
Звукозаписывающие компании, инженеры по микшированию и мастерингу постепенно увеличивают общую громкость коммерческих альбомов. Это достигается за счет использования более высоких степеней компрессии и лимитирования во время сведения и мастеринга ; Алгоритмы сжатия были разработаны специально для достижения максимального уровня звука в цифровом потоке. Это может привести к жесткому лимитированию или клиппированию , влияющему на тон и тембр музыки. Попытку увеличить громкость называют войной за громкость .
Системы шумоподавления используют компрессор для уменьшения динамического диапазона сигнала для передачи или записи, а затем расширяют его (процесс, называемый компандированием ). Это уменьшает влияние канала или носителя записи с ограниченным динамическим диапазоном.
Инструментальные усилители часто включают в себя схему сжатия, предотвращающую внезапные пики высокой мощности, которые могут повредить динамики. Электрические басисты часто используют эффекты сжатия, либо блоки эффектов, доступные в педальных, стоечных устройствах, либо встроенные устройства в басовых усилителях, чтобы выровнять уровни звука их басовых партий .
При создании музыки обычно избегают накачки усиления , когда регулярный пик амплитуды (например, ударный барабан) вызывает изменение громкости остальной части микса из-за компрессора. Однако многие танцевальные и хип-хоп музыканты целенаправленно используют это явление, заставляя микс ритмично изменять громкость в такт биту. [21]
В слуховых аппаратах используется компрессор, который доводит громкость звука до уровня слуха слушателя. Чтобы помочь пациенту воспринимать направление звука, некоторые слуховые аппараты используют бинауральную компрессию. [22]
Компрессоры также используются для защиты органов слуха в некоторых электронных берушах и берушах с активной защитой органов слуха , чтобы обеспечить нормальную слышимость звуков обычной громкости, одновременно ослабляя более громкие звуки и, возможно, усиливая более тихие звуки. Это позволяет, например, стрелкам, использующим средства защиты слуха на стрельбище, нормально разговаривать, резко приглушая при этом гораздо более громкие звуки выстрелов [23], а также музыкантам слышать тихую музыку, но быть защищенными от громких шумов, таких как барабаны или тарелка выходит из строя. [ нужна цитата ]
В приложениях машинного обучения, где алгоритм обучается на аудиосэмплах, сжатие динамического диапазона — это способ расширить выборки для большего набора данных. [24]
Компрессия и лимитирование идентичны по процессу, но различаются по степени и воспринимаемому эффекту. Лимитер — это компрессор с высоким коэффициентом и, как правило, быстрым временем атаки . Сжатие с соотношением 10:1 или более обычно считается ограничивающим. [25]
Ограничение кирпичной стены имеет очень высокий коэффициент и очень быстрое время атаки. В идеале это гарантирует, что аудиосигнал никогда не превысит амплитуду порога. Соотношения от 20:1 до ∞:1 считаются кирпичной стеной . [25] Звуковые результаты более чем кратковременного и редкого ограничения «кирпичной стеной» резкие и неприятные, поэтому оно чаще используется в качестве защитного устройства при живом звуке и вещании.
Некоторые басовые усилители и усилители акустической системы оснащены ограничителями, предотвращающими возникновение искажений или повреждение динамиков при резких пиках громкости.
Компрессор с входом боковой цепи управляет усилением от основного входа к выходу в зависимости от уровня сигнала на входе боковой цепи. [26] Ранним новатором в области сжатия боковой цепи в блоке эффектов был Eventide Omnipressor 1974 года. [27] При использовании боковой цепи компрессор ведет себя обычным образом, когда на входы основной и боковой цепи подается один и тот же сигнал. сигнал. Вход боковой цепи используется диск-жокеями для приглушения звука — автоматического уменьшения громкости музыки во время разговора. Сигнал микрофона диджея направляется на вход боковой цепи, поэтому каждый раз, когда диджей говорит, компрессор уменьшает громкость музыки. Сайдчейн с элементами управления эквалайзером можно использовать для уменьшения громкости сигналов, имеющих сильное спектральное содержание в определенном частотном диапазоне: он может действовать как де -эссер , снижая уровень вокальных шипений в диапазоне 6–9 кГц. [28] Другое использование боковой цепи в производстве музыки служит для поддержания громкой басовой дорожки без того, чтобы большой барабан вызывал чрезмерные пики, которые приводят к потере общего запаса мощности . [26]
Включение компрессора в параллельный путь прохождения сигнала называется параллельным сжатием . Это форма восходящей компрессии, которая облегчает динамическое управление без значительных звуковых побочных эффектов, если соотношение относительно низкое и звук компрессора относительно нейтральный. С другой стороны, в одном из двух параллельных путей прохождения сигнала можно выбрать высокую степень сжатия со значительными слышимыми артефактами. Это используется некоторыми концертными микшерами и инженерами звукозаписи как художественный эффект, называемый компрессией New York или компрессией Motown . Объединение линейного сигнала с компрессором и последующее уменьшение выходного усиления цепи сжатия приводит к улучшению детализации на низком уровне без какого-либо снижения пиков; Компрессор значительно увеличивает общий коэффициент усиления только на низких уровнях.
Многополосные компрессоры могут действовать по-разному в разных диапазонах частот. Преимущество многополосного сжатия перед полнополосным сжатием заключается в том, что проблемы, связанные с конкретным частотным диапазоном, могут быть устранены без ненужного сжатия на других, несвязанных частотах. Обратной стороной является то, что частотно-зависимое сжатие является более сложным и требует большей вычислительной мощности, чем полнополосное сжатие, и может привести к проблемам с фазой. [29]
Многополосные компрессоры работают, сначала разделяя сигнал через некоторое количество полосовых фильтров , кроссоверных фильтров или банков фильтров . Каждый разделенный сигнал затем проходит через собственный компрессор и независимо регулируется по порогу, соотношению, атаке и затуханию. Затем сигналы рекомбинируются, и может использоваться дополнительная схема ограничения, чтобы гарантировать, что объединенные сигналы не создают нежелательных пиковых уровней.
В производстве музыки многополосные компрессоры в первую очередь являются инструментом мастеринга звука , но их включение в наборы подключаемых модулей для рабочих станций цифрового аудио расширяет их использование среди инженеров микширования. TC Electronic Finalizer включал в себя трехполосный компрессор и был популярным инструментом для мастеринга звука примерно в 2000 году.
В эфирных цепях сигналов радиостанций обычно используются многополосные компрессоры для увеличения громкости без перемодуляции . Более громкий звук часто считается преимуществом в коммерческом вещании.
Последовательное сжатие — это метод, используемый при записи и микшировании звука . Последовательное сжатие достигается за счет использования двух совершенно разных компрессоров в сигнальной цепи. Один компрессор обычно стабилизирует динамический диапазон , а другой агрессивно сжимает более сильные пики. Это обычная внутренняя маршрутизация сигнала в обычных комбинированных устройствах, продаваемых как компрессоры-лимитеры , где за компрессором RMS (для общего контроля усиления) следует быстрый лимитер с чувствительностью к пиковым значениям (для защиты от перегрузки). Если все сделано правильно, даже тяжелое последовательное сжатие может звучать естественно, что невозможно при использовании одного компрессора. Его чаще всего используют для выравнивания неустойчивого вокала и гитары .
Некоторые программные аудиоплееры поддерживают плагины , реализующие сжатие. Они могут увеличить громкость звуковых дорожек или выровнять громкость очень разнообразной музыки (например, классической музыки или списка воспроизведения, охватывающего несколько типов музыки). Это улучшает качество прослушивания звука, воспроизводимого через динамики низкого качества или при воспроизведении в шумной обстановке (например, в машине или на вечеринке).
В статье, опубликованной в январе 2014 года в журнале Journal of the Audio Engineering Society , Эммануэль Дерути и Дэмиен Тардье провели систематическое исследование, описывающее влияние компрессоров и ограничителей на музыкальный аудиосигнал. В эксперименте участвовали четыре программных лимитера: Waves L2, Sonnox Oxford Limiter, Thomas Mundt's Loudmax, Blue Cat's Protector, а также четыре программных компрессора: Waves H-Comp, Sonnox Oxford Dynamics, Sonalksis SV-3157 и URS 1970. В исследовании представлены объективные данные о том, что лимитеры и компрессоры делают с аудиосигналом. [31]
Были рассмотрены пять дескрипторов сигнала: среднеквадратическая мощность , интегральная громкость EBU R 128 , [18] пик-фактор , R 128 LRA, [19] и плотность обрезанных выборок. Среднеквадратическая мощность учитывает физический уровень сигнала, а громкость R 128 — воспринимаемый уровень. [18] Пик-фактор, который представляет собой разницу между пиком сигнала и его средней мощностью, [31] иногда рассматривается как основа для измерения микродинамики, например, в подключаемом модуле TT Dynamic Range Meter . [32] Наконец, R 128 LRA неоднократно рассматривался как мера макродинамики или динамики в музыкальном смысле. [31] [33] [34] [35] [36]
Тестируемые лимитеры оказали на сигнал следующее влияние:
Другими словами, лимитеры повышают как физический, так и перцептивный уровни, увеличивают плотность обрезанных сэмплов, уменьшают пик-фактор и уменьшают макродинамику (LRA), учитывая, что степень лимитирования значительна.
Что касается компрессоров, авторы выполнили два сеанса обработки, используя быструю атаку (0,5 мс) в одном случае и медленную атаку (50 мс) в другом. Компенсация усиления деактивируется, но полученный файл нормализуется.
Установленные с быстрой атакой протестированные компрессоры оказали на сигнал следующее влияние:
Другими словами, компрессоры с быстрой атакой повышают как физический уровень, так и уровень восприятия, но лишь незначительно. Они уменьшают плотность обрезанных образцов и уменьшают как пик-фактор, так и макродинамику.
Установленные с медленной атакой, тестируемые компрессоры оказали на сигнал следующее влияние:
Другими словами, компрессоры с медленной атакой снижают как физический, так и перцептивный уровни, ухудшают макродинамику, но не влияют на пик-фактор и плотность обрезанного сэмпла.
Не существует отраслевого стандарта, и разные производители определяют [время выпуска] по-разному.
Благодаря своим гелевым колпачкам они удобны в течение нескольких часов, имеют легкодоступные кнопки управления, отличное отключение и сжатие звука, а также позволяют использовать затычки для ушей, если приличный NRR в 22 дБ не помогает.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )