Externe processoren Galm- en delay apparaten

5. 5.1 Externe processoren Galm- en delay apparaten echo : hoorbare herhaling van het originele geluid met duidelijk waarneembaar tijdsinterval galm : geheel van vele, zeer kort opeenvolgende herhalingen van het op lager niveau dan het origineel signaal, bestaande uit alle reflecties na de eerste reflecties tot het uitsterven van de laatste delay : tijd die verstrijkt tussen het origineel geluid en de eerste reflecties decay : tijd die verstrijkt tussen het begin van de echo of galm en het volledig uitsterven van die echo of galm Vroeger creëerde men galm en echo op artificiële manieren : galmkamer, bandecho, galmveren, galmplaten en analoge emmertjesgeheugen. Tegenwoordig gebruikt men de zogenaamde sound processor. 5.1.a Reflecties in gesloten ruimten De totale geluidsenergie van een bron in een gesloten ruimte bestaat uit 3 componenten : het directe geluid de eerste reflecties de latere reflecties of het diffuus veld Eerst hoort men het directe geluid, daarna de eerste weerkaatsing, gevolgd door de tweede weerkaatsing, waarna de opeenvolgende weerkaatsingen steeds sneller opvolgen zodanig dat ons gehoor ze ervaart als een diffuus veld. Soms worden de eerste reflecties niet als individuele geluiden ervaren, ze worden dan eerder als diepte ervaren 1

5.1.b De galmkamer De wanden zijn niet-parallel opgesteld om staande golven en flutter-echo s te vermijden. Deze constructies werken zeer goed, maar zijn vrij omslachtig en vrij duur Om de galmtijd aan te passen wordt het signaal van de eerste reflectie vertraagd 5.1.c De galmplaat Steunt op het principe van een elastisch medium dat door een geluidsbron aan het trillen gebracht wordt, en waarop een pick-up aangebracht werd Als de geluidsbron stopt zal de trilling stilaan uitdeinen ( decay ) De lengte van de galm kan binnen het toestel bepaald worden door dempend materiaal dichter of verder van de plaat te plaatsen De meeste sound processoren hebben nog steeds een plate programma 2

5.1.d De galmfolie De galmfolie steunt op hetzelfde principe van de galmplaat, alleen de staalplaat werd vervangen door een strak opgespannen goudfolie. Deze folie is veel beperkter qua afmetingen ( 27 op 30 cm ). De driver is een minuscuul piëzo-keramisch trillingselement, de trillingen worden door 2 spoelen opgepikt die zich aan beide zijden van de folie bevinden. Tussen beide spoelen zit een kleine magneet in de folie. De lengte van de galm kan geregeld worden via een mechanische demper in de vorm van venetiaanse blinden. 5.1.e De galmveer De galmplaat en galmfolie waren vrij duur, de galmveer is eerder een goedkope oplossing Dit systeem is ook gebaseerd op het elastisch principe : een veer wordt opgehangen tussen een bron ( keramische driver ) en een pick-up. De veer wordt in beweging gebracht en er ontstaat een op- en neergaande golf in de veer. De kwaliteit varieert van verschrikkelijk slecht tot redelijk goed. De meeste gitaarversterkers gebruiken nog steeds een galmveer. Het grootste probleem met galmveren is het ongecontroleerde slaan van de veer bij mechanische schokken en transiënten. 3

5.1.f Analoge vertragingssystemen Om op analoge manier te vertragen werd meestal gebruik gemaakt van een bandrecorder. Het signaal wordt opgenomen door de opnamekop, en terug weergegeven via de leeskop. Door de afstand tussen beide te veranderen krijgen we een langere of kortere vertraging. 5.1.f Analoge vertragingssystemen ( 2 ) Ook door de snelheid aan te passen kan men de vertraging regelen. Wanneer het vertraagde signaal terug in de recorder geïnjecteerd wordt krijgt men een echte echo Bij de tape-delay s maakt men gebruik van een eindeloze band en zet men verschillende weergavekoppen achter elkaar waarbij een selectie of combinatie van de verschillende koppen kan gemaakt worden. Een tweede systeem van analoge vertraging was het zogenaamde emmertjesgeheugen. Hierbij wordt het signaal bemonsterd door het in minuscule kleine tijdfragmentjes op te delen en deze signaaltjes te converteren naar overeenkomende spanningen. Daarna worden deze spanningen opgeslagen in een serie opeenvolgende condensatoren. De eerste ontlaadt op het ritme van de bemonsteringsfrequentie in de volgende condensator, enzovoort, tot de hele serie gepasseerd is en het signaal aan de uitgang komt, waar het min of meer gereconstrueerd wordt naar analogie met het inkomende signaal. 4

5.1.g Sound processors of digitale effectapparatuur Het analoge signaal wordt gesampled : elke analoge golf wordt in kleine stukjes opgedeeld. Elke opdeling heeft een numerieke waarde, uitgedrukt als binaire waarde of kwantisatieniveau. In deze binaire waarde wordt ook de polariteit van het gesamplede stukje opgeslagen. De samplingfrequentie ( aantal opdelingen / seconden ) is minstens het dubbele van de hoogste frequentie die men wil opslaan. Dit gebeurt via een A/D convertor, waarna de bitstroom opgeslagen wordt in een RAM-geheugen ( Ram Acces Memory ). Vervolgens zal de CPU ( Central Processing Unit ) de in het RAM geheugen opgeslagen informatie verwerken volgens vooraf geprogrammeerde algoritmes. Deze algoritmes zorgen voor de typische effecten zowel op het gebied van frequentie of op het gebied van tijd. Algoritmes worden opgemaakt door computermodellen te maken van echte galmfenomenen. Dit zijn normaal gezien enorm ingewikkelde en zeer lange berekeningen die enkel door snelle computers in een minimum van tijd kunnen uitgevoerd worden. 5.1.g Sound processors ( 2 ) Dit proces gebeurt continu : elk inkomend analoog signaal wordt continu opgeslagen, omgezet en bewerkt, en terug buitengestuurd als complex galmsignaal. Aan het einde van de keten wordt het bewerkte signaal terug omgezet tot een analoog signaal via een D/A convertor. Digitale galmapparaten hebben normaal gezien een bandbreedte van 20 khz. Via een zeer steile hoog-af filter worden alle frequenties boven 20 khz afgesneden. Hierdoor liggen de samplefrequenties iets boven het dubbele van de toegelaten audiofrequentie : 44.1 en 48 khz Aangepaste programma s kunnen nadien in specifiek RAM-geheugen opgeslagen worden om later door de gebruiker terug te kunnen oproepen. De digitale vertragingslijnen werken op hetzelfde A/D-D/A principe. Een interne klok bestaande uit een oscillerend kristal genereert tijdslots. Met elk tijdslot wordt binnen het RAM-geheugen een register met binaire data overgeheveld naar een volgend register. Na een groot aantal registers komt het signaal bij de D/A convertor die er terug een analoog signaal van maakt dat ten opzichte van het originele signaal vertraagd werd. 5

5.1.h Flanging De term flanging is afkomstig van het Engelse woord flange ( haspel ). Het effect bestond erin om op 2 bandopnemers een identiek signaal op te nemen en onmiddellijk weer te geven en dan met de hand de linkse haspel wat te vertragen en daarna beide signalen terug met elkaar te mengen. Dit resulteert in een voortdurende substractie en additie van faseverschillen. In een DSP gebruikt men een LFO ( Low Frequent Oscillator ) die de normale klokfrequentie moduleert en aldus zorgt voor een op- en afgaande oscillatie in de vertragingslijn. Deze oscillatie veroorzaakt faseverschuivingen over de gehele frequentiebandbreedte met een continu variërend kamfilter tot gevolg. 5.1.i Phasing Phasing is het creëren van een continu kamfilter via een zeer steil filter met zeer hoge Q-factor ( notchfilter ). Door deze filter aan beide zijden van de filterfrequentie te gebruiken zorgt men voor zeer hoorbare faseverschillen. Beide signalen worden met elkaar gemengd. Door nu een sweep te maken met de notchfilter creëert men een geluid lijkend op flanging maar met meer diepgang. Phasing wordt heel veel toegepast op gitaar, drums en soms ook op stemmen. 6

5.2. Aural Exciters De aural exciter is een generator van harmonischen. Het originele signaal wordt aan de ingang van het toestel opgesplitst in twee of meerdere delen. Eén deel gaat onmiddellijk verder naar een mix-bus aan de uitgang, het andere passeert eerst een laag-af filter en wordt in een harmonics generator gestuurd. De bijkomende harmonischen worden gegenereerd op basis van amplitude en frequentie van het originele signaal. Flanken van positieve ( even ) harmonischen worden met bepaalde frequenties steiler gemaakt. Deze artificieel gecreëerde harmonischen worden aan de uitgang terug bij het originele, ongefilterde signaal gevoegd. De effectiviteit van een aural exciter hangt sterk af van het soort signaal dat men erin stuurt. Dit apparaat heeft zowel fervente voorstanders en even fervente tegenstanders 5.3. Compressor - limiters De compressor - limiter reduceert de oorspronkelijke dynamiek tot een niveau dat zonder problemen verwerkt kan worden door alle elementen van de geluidsketen. We gebruiken de C-L. om 2 redenen : de echte dynamiek kan meestal niet verwerkt worden door het reduceren van de dynamiek van een signaal wordt het mogelijk om de gemiddelde inhoud van dat signaal dichter bij de headroom grens te houden. Dit bevordert de luidheidswaarneming in de keten. Door de komst van de digitale ketens, waarbij makkelijk de S-R verhouding hoger dan 90 db is, zal de noodzaak van de eerste reden minder belangrijk worden, de tweede wordt des te belangrijker 7

5.3.a Treshold en ratio Op de grafiek zien we duidelijk het knikpunt of de treshold waar de verzwakking begint. Ook de mate van verzwakking kan afgelezen worden : 10 db wordt 5 db. Dit betekent dat de compressieratio = 2:1 5.3.a Treshold en ratio ( 2 ) Een C-L wordt ook heel dikwijls gebruikt om de gemiddelde luidheid op te drijven. 8

5.3.a Treshold en ratio ( 3 ) Sommige C-L s hebben 2 instelbare tresholdpunten : 1 voor het begin van de compressie, en 1 voor het aanvangspunt van de limiting. Een ratio vanaf 10:1 wordt in de praktijk als limiting ( begrenzing ) beschouwd. 5.3.b Fixed treshold Sommige C-L s hebben een vast ingesteld tresholdpunt; dit zijn variable gain compressoren met een ingangs- en uitgangsversterker/attenuator. 9

5.3.b Fixed treshold ( 2 ) Stel treshold op -10 dbu en ratio 2:1 : bij een signaal met dynamiek van 30 db ( -20 dbu tot +10 dbu ) krijgen we volgend resultaat : De eerste 10 db blijven onaangetast Vanaf -10 dbu zal de resterende 20 db afgezwakt worden tot 10 db Dit levert een uitgangsdynamiek van 20 db op. Stel nu dat we het binnenkomend signaal met 10 db versterken : De treshold valt samen met de onderste grens van het signaal De volle 30 db worden nu gecompresseerd met een ratio van 2:1 Dit levert een uitgangsdynamiek van 15 db op. Het uitgangsniveau ligt nu wel 5 db hoger ( + 5 dbu ). Dit wordt met de uitgangsverzwakker aangepast. Dus : hoe meer versterking aan de ingang hoe meer de compressie hoorbaar is. 5.3.b Fixed treshold ( 3 ) Als we nog meer gaan versterken krijgen volgend schema : De uitgang ligt 10 db hoger dan de ingang De treshold schuift mee op Er is 1 punt waar het niveau niet aangetast wordt : het rotatiepunt. Alles onder het rotatiepunt wordt versterkt, alles boven het rotatiepunt wordt verzwakt. 10

5.3.b Fixed treshold ( 4 ) Bij een systeem met vaste treshold zal bij verschillende ratio s het rotatiepunt telkens op een andere plaats liggen, andere systemen werken met een vast rotatiepunt : C-L s met vaste treshold zijn vrij universeel en werken zeer gradueel in op het geluid aangezien zowel ingang en uitgang versterkt of verzwakt worden. 5.3.d De release of hersteltijd De release-tijd is de tijd die nodig is om terug te keren naar de originele dynamiek van het signaal. Ook deze tijd is regelbaar. 11

5.3.d De release of hersteltijd ( 2 ) Een korte release tijd geeft aanleiding tot zeer snelle dynamiek variaties en eerder een pompend effect, te lange release tijd zal de dynamiek uitvlakken. Bovendien kan een lange release tijd bij een piek signaal ook al het daaronder gelegen materiaal wegdrukken. Zo kan je een volledig orkest of stem gedurende de lange hersteltijd onderdrukken. Release tijden hebben steeds betrekking op een tijdsinterval / db restoratie. Sommige C-L s hebben een automatische setting : bij het detecteren van korte pieken zal de hersteltijd kort zijn, bij lange pieken zal de hersteltijd langer zijn. 5.3.e De de-esser Een de-esser is bedoeld om de storende transiënten, gevormd door sibilanten in de menselijke stem te elimineren. Hiervoor wordt de bandbreedte van de stem in 2 delen opgedeeld : het gedeelte onder 3 khz dat ongemoeid blijft. een tweede met alle bovenliggende frequenties. Enkel de de pieken van de hoge frequenties worden gedetecteerd en gecompenseerd. Aan de uitgang worden beide signalen terug gecombineerd. Buiten de hoeveelheid de-essing is bij de meeste de-essers weinig af te regelen. 12

5.3.f De multiband compressor In broadcast worden zeer tegenstrijdige eisen gesteld : zo luid mogelijk op de band gaan, zonder enige piek gezien modulatoren en zenders uiterst gevoelig zijn voor oversturing ( zenders of modulatoren hebben slechts een headroom van 6 db!! ) Hiervoor gebruikt men de multiband compressors : splitst het signaal in verschillende banden ( 2 tot 5 ) elke band wordt zo optimaal mogelijk gecompresseerd de bovenste banden worden ge-de-essed een simulatie met pre-emphase wordt gemaakt band-pass signalen worden terug samengevoegd en passeren een uiterst vlakke pieklimiter en een zeer steil hoog-af filter ( 24dB/octaaf @15kHz ) Dit bewerkt signaal kan zonder problemen in de transmissieketen bewerkt worden. Gezien de vele bewerkingen is het vrij kritisch om een dergelijk toestel af te regelen. 5.3.f De multiband compressor ( 2 ) 13

5.3.g De expander De expander is een toestel waarvan de versterking onder een bepaalde treshold afneemt. Nu spreken we over een expanderratio van bv. 1:2 Ook attack en release time regelingen vinden we op de expander terug. Een expander wordt veel gebruikt bij het opnemen van bv. drums omdat elke microfoon ongewenste geluiden oppikt. Door een goede afregeling van de expander kunnen deze bijgeluiden onderdrukt worden. 5.3.h De noise gate De noise gate lijkt sterk op de expander qua werking, men laat echter het tresholdpunt gelijk vallen met het kleinst mogelijke relevant geluid. Daarna wordt de ratio op bv. 1:5 geregeld zodat elk geluid lager dan de treshold steil afgezwakt wordt. Het gebruik van noise gates is niet zo evident omdat elk geluid beneden de treshold onverbiddelijk wordt afgesneden. In een rustig signaal wordt het de ene keer wel afgesneden, de andere keer niet 14

5.3.i De piek expander De piekexpander doet exact het tegenovergestelde van de compressor. Boven een bepaalde tresholdpunt zal een versterking toegepast worden. Het gebruik van de piekexpander situeert zich in het herwerken van een te sterk gecompresseerd programma. Daarom worden deze toestellen ook un-limiters genoemd Deze techniek ligt aan de basis van ruisonderdrukkingssytemen. 5.4 Ruisonderdrukkingssytemen Onder de term ruis verstaan we alle stoorsignalen bij een opname of transmissie. Geluidsbronnen kunnen makkelijk een dynamisch bereik hebben van 100 à 130 db SPL. Als je weet dat een analoge band een S/R heeft van 70 à 72 db ( cassette 50 db!! ) dan wordt het duidelijk dat dergelijke geluiden nooit op band kunnen opgenomen worden. Om deze reden werden ruisonderdrukkingssytemen ontwikkeld en wel in 3 vormen : Statische complementaire systemen ( pre- emphase / de- emphase ) Dynamische niet- complementaire systemen ( dynamische filtering enkel bij weergave ) Dynamische complementaire systemen( codecs / companders ) 15

5.4.a Statistische complementaire systemen Ruis werkt vooral storend tussen 4 en 15 khz. Aan de ingang zal men een graduele pre-accentuatie van de hoge tonen toepassen, terwijl aan de uitgang een deaccentuatie van de hoge tonen wordt gebruikt. Op deze wijze wordt het originele signaal gereconstrueerd en zal de band- of zender-ruis in grote mate verzwakt worden. Pre- en de-emphase worden bij praktisch elke magneetband registratie gebruikt, en wordt nog steeds toegepast bij analoge modulatoren om de signaal/ruis verhouding van de zenders te verbeteren. 5.4.b Dynamische systemen : expansie en DNR Door het signaal aan het einde te expanderen krijgen we ofwel een grotere dynamiek bij gewone expansie, ofwel een verzwakking van de ruisvloer bij neerwaartse expansie. Het gebruik van expansie als ruisonderdrukker geeft een hoorbaar effect : passages net boven de ruisvloer zullen erdoor aangetast worden. De expander wordt hier gebruikt in de vorm van een noise-gate. Het hoorbare expansie effect zal dan in de eindmix door de andere signalen gemaskeerd worden. Een tweede techniek is de Dynamic Noise Reduction System waarbij men gebruikt maakt van een programmagestuurde hoog-af filter. Men ging ervan uit dat stille passages een beperkte bandbreedte hebben en aldus weinig hoge tonen bevatten. Zo gauw een signaal weinig dynamiek bevat en onder een bepaalde waarde zakt, treedt deze filter in werking. Als het signaal terug stijgt, schakelt de filter uit. Deze techniek werd in de jaren 50 ontworpen om de 78 toerenplaten en de eerste vinylplaten te verbeteren. Fabrikanten zoals Philips, Dynafix en EMT hebben ooit professionele apparaten met behoorlijk resultaat ont wikkeld. 16

5.4.c Dynamische complementaire systemen Ook hier maakt men gebruik van het codeer / decodeer systeem, gebaseerd op compressie en expansie. Deze toestellen noemt men companders. Het toepassen van evenredig omgekeerde parameters bij compresseren en expanderen heeft afhankelijk van de ratio s een ruisreducerend effect. 5.4.c Dynamische complementaire systemen ( 2 ) Dit systeem heeft echter verschillende nadelen : De compressor zal altijd werken, ongeacht de inhoud van het signaal. Bij een signaal dat veel lage en weinig hoge tonen bevat zal de bandruis toch hoorbaar blijven, aangezien de compander enkel rek ening houdt met het niveau en niet met de spectrale inhoud. De tolerantie tussen de compressor en de expander parameters moet vrijwel nul zijn, aangezien de kleinste afwijking het gereconstrueerde signaal sterk zou vertekenen. De attack tijd van de compressor moet extreem snel zijn om expansie van doorgelaten transiënten te vermijden. Dit heeft vervorming van de lagere frequenties als gevolg. Om deze redenen werd de compander niet zoveel gebruikt. 17