造成声音空洞的原因：梳状滤波和镶边的探索

2018-4-3 13:57:20| 发布者: 吉他之家| 查看: 8901| 评论: 1

摘要: 想象一下，你正在录制一个自弹自唱的歌手的音乐，用一个麦克风对歌手收音，另一个麦克风对吉他收音。当你将这两个信号混合在一起时，人声的音质会变得奇怪。这到底是怎么回事？您应该怎么解决这个问题？对吉他进行收 ...

想象一下，你正在录制一个自弹自唱的歌手的音乐，用一个麦克风对歌手收音，另一个麦克风对吉他收音。当你将这两个信号混合在一起时，人声的音质会变得奇怪。这到底是怎么回事？您应该怎么解决这个问题？

对吉他进行收音的麦克风离歌手的距离比对人声进行收音的麦克风离歌手的距离更远，差距大概是一英尺。声音通过一英尺的距离大约需要1毫秒（ms）的时间，因此，对吉他收音的麦克风实际上在拾取歌手的声音，并且还有1毫秒的延迟。当把两个麦克风的声音混合成单声道时，人声的音质就变得空洞。

造成声音空洞的原因：梳状滤波和镶边的探索

这就是梳状滤波。梳状滤波是一个充满峰值和谷值的频率响应，是通过将两个相同的信号叠加在一起而形成的，这两个信号之间有着非常短的延迟，通常小于20毫秒。之所以被称为“梳状滤波”，因为频率响应看起来像倒置的梳子的齿（图1），声音有一种有色的、过滤过的音质，就像一架喷气式飞机从头顶上飞过。

造成声音空洞的原因：梳状滤波和镶边的探索

图1：1毫秒延迟的梳状滤波频率响应。这是在相同电平下，将两个相同的粉红噪声的音轨混合为单声道的测量频谱，其中一个轨道延迟1毫秒。

更具体地说，它是由各种频率下的相位消除引起的。当两个相同信号之间存在时间差时，就会发生这种情况。

要防止梳状滤波的产生，请遵循3比1（3：1）的规则。麦克风和麦克风之间的距离至少应为麦克风到声源距离的三倍（图2）。例如，如果人声话筒和吉他话筒间距为12英寸，那么应该将麦克风放在距离歌手和吉他最多4英寸（或更小）的地方。

造成声音空洞的原因：梳状滤波和镶边的探索

图2：放置麦克风的3：1规则。
3：1规则为什么能够起作用？这种放置麦克风的方法会使麦克风之间产生最小为10 dB的电平差异。因此梳状滤波效应会减少，几乎不会被察觉到（图3）。

造成声音空洞的原因：梳状滤波和镶边的探索

图3：将两个相同粉红噪声的音轨混合为单声道的测量频谱，其中一个粉红噪声的音轨延迟1毫秒，降低10 dB。

将指向性麦克风对准不同的方向，以增加其信号之间的间隔同样也能减少梳状滤波。例如将人声话筒朝向上方，将吉他话筒朝向下放。更好的是，将两个双向麦克风重合放置，这样做能够消除这两个麦克风之间的信号延迟。

造成声音空洞的原因：梳状滤波和镶边的探索

图4：一位正在唱歌的吉他手使用了一对重合的双向话筒。
更多的解决方案

- 设法将人声话筒的信号延迟约1毫秒，使其与吉他话筒中收录的人声一致。

- 在吉他上使用夹式麦克风或拾音器。

- 使用同一个麦克风拾取两个声源。

- 在录音室中，先录制吉他，然后再录制人声。

让我们看看能够导致梳状滤波产生的其他一些情况。例如，将麦克风安装在舞台中的桌子之上以拾取演员的声音。直接来自演员的声音，和通过地板反射回来并有延迟声音，在麦克风振膜处相互叠加在一起，也会引起梳状滤波效应。

这个问题的解决方法是使用界面式麦克风。使用这种麦克风，直接来自音源的声音和有延迟的反射声音会同时到达麦克风振膜，因此不会有梳状滤波。

另一个例子是：两个扬声器分别安装在舞台的两侧。观众的位置和两个扬声器的距离不相等，两个扬声器在播放同一音频时，一个扬声器比另一个扬声器的听音路径长，导致延迟。

针对这个问题的一个可能的解决方案是，在舞台上使用单扬声器。请注意，房间混响会降低梳状滤波的可听性。

工作原理是什么

假设你听到的一个声音，它是由某个声音和另一个一模一样但是具有延迟的声音混合而成的。通常这个具有延迟的声音是回声。但是，如果延迟时间是几毫秒或更短，我们就无法将直接信号和延迟信号分解为两个独立的声音，就像我们可以听到的回声一样，我们会听到一个具有不寻常频率响应的单个声音。

梳状滤波的频率响应是什么样的？为了弄清楚，我测量了两个相同信号在相同电平混合的频率响应，其中的一个信号稍微延迟。

为了得到梳状滤波的波形，我将一个粉红噪声的波形文件导入到多轨录音程序的两个轨道中。我同时还导入了1 kHz正弦波的波形文件作为计算延迟的参考。例如，与时间轴上的零点相比，1 kHz的波形中，一个周期的结束点刚好有着1 ms的延迟。通过将轨道2的声音信号与1 kHz正弦波第一个周期的结束点对齐，可以将该轨道的延迟设置为1毫秒（图5）。

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图5：两个相同的粉红噪声轨迹被加起来，产生梳状滤波效应。
第二个轨道中的粉红噪声（图5中的底部）被延迟了1毫秒（1kHz正弦波的一个震动周期）。在这里1 kHz的正弦波音轨仅用于作为延迟时间的参考，为了设置第二个粉红噪声音轨的时间偏移，而不是音频的一部分。

现在我们来看看，在两个粉红噪声轨道之间的各种延迟所产生的粉红噪声的频谱。当我们混合未延迟和延迟的音轨时，在这些声音的频谱中出现谷值和峰值：

A）延迟为0.12毫秒的两个粉红噪声所产生的梳状滤波频率响应（图6）。

Fdip = 1 /（2T）×1,3,5 ......其中T =延迟时间，以秒为单位

峰值出现在Fpeak = 1 / T x 1，2，3，4 ......

在这种情况下，

Fdip = 1 /（2T）×1,3,5 ... = 4,166Hz，12,498Hz ......

Fpeak = 1 / T×1,2,3,4 ... = 8,333Hz，16,666Hz ......

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图6： 0.12毫秒延迟造成的梳状滤波频率响应。
B）延迟为0.5毫秒的两个粉红噪声所产生的梳状滤波频率响应（图7）。

Fdip = 1 /（2T）×1,3,5 ... = 1,000Hz，3,000Hz，5,000Hz ...

Fpeak = 1 / T×1,2,3,4 ...... = 2,000Hz，4,000Hz，6,000Hz ...

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图7： 0.5毫秒延迟造成的梳状滤波频率响应。
C）延迟为1毫秒的两个粉红噪声所产生的梳状滤波频率响应（图8）。

Fdip = 1 /（2T）×1,3,5 ... = 500Hz，1,500Hz，2,500Hz ...

Fpeak = 1 / T x 1,2,3,4 ... = 1,000Hz，2,000Hz，3,000Hz ......

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图8：1毫秒延迟造成的梳状滤波频率响应。（在图1中也有描述。）
D）延迟为25毫秒的两个粉红噪声所产生的梳状滤波频率响应（图9）。

延时25毫秒时，基本上没有梳状滤波，但仍能听到由25毫秒的延迟所引起的“颤动回声”效果。

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图9：25毫秒延迟造成的梳状滤波器频率响应。
另一种变化

在被称为镶边的效果中，延迟时间是变化的，所以频率响应也会相应改变。峰值和谷值沿音频频谱上下移动。随着延迟时间的缩短，声音的谐波含量似乎在“pitch”中提高了。

镶边是一种可变的梳状滤波效应。它具有空洞，swishing，和飘渺的效果。很多唱片都使用了镶边效果，比如由Small Faces创作的“Itchycoo Park”，Nice的“Open My Eyes”，Byrds创作的“Old John Robertson”，Doobie Brothers的“Listen to Music”以及Toni Fisher 的“The Big Hurt”。

如果两个信号的极性相反，则低频部分会被抵消（图10）。当你改变延迟时间时，特别是改变了延迟的正负值，声音听起来就像是在由内到外被翻出来了！

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延迟0.5毫秒所产生的梳状滤波效应的频率响应，两个信号的极性相反。低频部分被抵消，高频处产生了梳状滤波效应。这就是被称为“负镶边”的效果。

一点点数学

对于数学爱好者来说，可能梳状滤波效应的方程式是十分有用的。在计算由于路径长度差异所导致的延迟后，您就能知道哪些频率将被抵消。

dB = 20 log ABS [2cos（pi F T）]

其中dB =分贝

ABS =绝对值（因为振幅总是正的）

cos =余弦函数

pi = 180度（弧度）

F =频率，以Hz为单位

T =延迟时间，以秒为单位

梳理滤波效应在镶边效果中可能有令人满意的效果，但是在其他情况下，梳状滤波效应会降低音质，因此我们需要采取措施来防止它的产生：在舞台地板上使用界面式麦克风，遵循3：1规则，将两个指向性麦克风指向不同方向，或者将它们重合安装都是比较实用的方法。

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