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关于脉冲响应和卷积的基础知识
北京乐城仕国际科技有限公司 / 2021-06-24
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脉冲频响或者“脉冲频响文件”(Impulse Response Files,下文简称IR文件)常被用于卷积混响和箱头/箱体模拟的处理过程中。本文中,我将揭示算法背后的主要原理,列举一些运用了相关技术的常用的收费或者免费的应用程序,鉴别第三方来源的IR文件,并提供一些创造性的方法来制作和使用您自己的IR文件。

 

何为卷积?

IR文件的基础使用的就是卷积概念。简而言之,这个处理过程涉及了两个音频信号之间用乘法(或者用除法,做去卷积)运算出第三个信号(参考文献:Collins 第137页)。这种方法用于“无限脉冲响应”(Infinite Impulse Response)滤波器,实现了12dB/倍频衰减及更高的滤波斜率,若用于“有限脉冲响应”(Finite Impulse Response)滤波器,则可实现6dB/倍频衰减的斜率。卷积基于FFT即“快速傅立叶变化理论”,其中包括与音高无关的时间扩展和压缩,反之亦然。混响,调制,交叉合成和滤波技术中都会运用到卷积。


滤波器斜率(来苹果公司的技术支持


什么是脉冲响应(IR)文件

脉冲响应文件是一种快照,反映了物理空间或音频系统如何响应输入信号,并与输入信号结合产生一些输出。通过一个IR文件,您可以识别一个空间的声学特性,并研究它做声学优化的方法。您还可以将现有环境的声学特性施加于任何输入信号,这正是卷积混响的设计目的(参考文献:Creasey 第310页)。

IR文件对于复刻话筒拾音的音箱的声音也特别有用。一些箱头/箱体仿真应用程序运用算法模拟滤波和失真,另外一些使用通过物理设备捕捉分析脉冲信号产生的IR文件。

 

脉冲响应文件是如何被创建出来的?

下面是两种不同的创建脉冲响应的方法:

瞬态方法-这里涉及到像手枪射击一般的瞬态过程。在考虑到保真度的前提下,由于很难记录一个毫无失真的射击过程和缺乏全光谱的信息捕捉,使得这个方法并不太理想。但另一方面,生成的IR不需要进一步处理,以便将其导入卷积软件,该软件可以识别加载这种文件格式。

正弦波扫描和去卷积-第二种方法使用超越听觉范围的正弦波扫描,响应结果就会在频谱上被测量出来。使用这种方法,产生的记录必须进行反卷积,这是一个使用除法(信号的乘法的反向运用)的过程,所有被正弦扫描方式记录的反射都在时间和电平上对准到文件的最开始。(来自苹果公司的技术支持

对于这两种方法,如果看重准确性的话,那么脉冲源和麦克风的摆放会对结果产生至关重要的影响。设备在空间内摆放思路取决于要创建的IR类型(单声道、立体声、b格式环绕等)和空间本身的声学特性。如果不太关心保真度,那么具有创造性地摆放麦克风可以产生不寻常的独特的效果,这些都是非常规可能性或预想不到的结果。制作出色的IR文件是一门高度专业化的艺术,有几家公司在这方面做得很出色。

下面的视频来自于“Audio Ease”,描述了如何使用他们的网站提供的正弦波扫描工具来创建用于“Altiverb”的IR文件。“Audio Ease”需要这些专门的扫描文件包括页眉和页尾信息来加载IR。这些信息包括采样率,扫描的长度和扫描点周遭的寂静。

使用苹果公司的“Impulse Response Utility”,您可以在应用程序里进行扫描,生成的文件可以导入 “Space Designer”、“Altiverb”和其他相关应用程序。

 

专利文件格式与开源文件格式之争

由于创建IR文件和开发配套加载使用IR文件的软件都需要一定成本和专业的开发技能,许多公司都采用了专利文件格式。在“Logic Pro”自带的卷积混响和“Space Designer”中,带有“.sdir”“.Wav”的扩展文件名的经过去卷积处理的IR文件,可以适用于“Space Designer”。

一些第三方供应商会提供“.wav”后缀的IR文件,它们有着不同的采样率和采样时长。网站 http://celestionplus.com/ 有如下叙述

一些软件或硬件可能需要将文件转换成不同的格式才能使用。其他类型的软件/硬件可能会在加载文件的时候自动转化格式。您需要查看相对应硬件的说明,以确定支持哪些文件格式,以及可能需要哪些转换。”

诸如“Audio Ease”(Altiverb的开发商)和“Waves”(IR1的开发商)这类公司都使用专利文件格式来阻止其他软件加载,以保护他们自家在IR文件研发创建过程中的投资。这个举措让很多人不爽,但我个人觉得这种措施就像软件公司保护大型管弦乐器的采样文件或者保护自己旗下的任何软件产品一样,没有什么不妥之处。您现在可能觉得“Altiverb”定价过高,但是他们的IR文件库品质确实很卓越,软件界面也做的简洁直观,所以我建议大家在下定论之前先试试。

 

免费IR应用程序

有几个能创建和执行IR文件的免费软件

HISS Tools

如果您是“Max/MSP” 用户,我强烈建议您了解一下“HISS”软件包。它可以通过应用程序中的软件包管理器免费获取。这是专为处理卷积和IR文件而设计的外部对象集合。当然,您需要“Max/MSP”和一些程序经验来将它运用到实际工作中去。

Lancaster Audio

“Lancaster Audio”提供了一个叫做“Pulse的免费的脉冲响应加载器。他们提供了可以用于Kemper建模的箱头、大量经典箱体和话筒的IR文件。

 

NadIR是一个由“Ignite Amps”制作的免费IR加载软件,用于电吉他或电贝斯的箱体模拟。

 

苹果公司的“Impulse Response Utility” 用于给“Logic Pro”内置的“Space Designer”制作卷积IR文件,它使用正弦波扫描的方式记录空间的响应。

 

IR文件源

有很多很多第三方的IR文件源,电吉他箱体建模方面尤其多。除了付费版本,您也能在他们的网站上找到免费版,您还在许多IR相关的网络论坛社区找到一些下载的路径。

OwnHammer

Redwirez

CelestionPlus

Lancaster Audio

3 Sigma Audio

Forward Audio

Wilkinson Audio

Kalthallen Cabs

Joey Sturgis Tones

Signaltonoize

Prime Sonic Space

Resoundsound

Joshua Casper

Adventure Kid

Fokke van Saane

Open AIR

Wire Grind

Soundwoofer是一个免费的脉冲响应文件库,它邀请志愿者们共建网络社区:

“并不是每个人都能使用昂贵的音箱,脉冲响应是这些物理设备的数字格式“灵魂”。我们相信每个人都有能力制作采集美妙的声音。所以我们建了一个文件库,作为一个网络社区,我们可以集中一切资源。”


硬件设备

下面列举一些用于电吉他和电贝斯的硬件设备,他们可以加载第三方IR文件

Line 6 – Helix


这里能阅读我以前写的Helix的评测

Kemper Profiler

 

HeadRush

 

Zoom G6 Multi-Effects Processor

 

创建IR应用程序

并没有规定死IR文件必须跟真实的电吉他电贝斯音箱挂钩,任何的录音文件都能用于IR,并且很多的IR加载软件都明确提到可以通过滤波,衰减和其他参数的调整来改变已知IR文件的特性。如果您是刚开始接触学习相关知识,如果您只是在学习这个世界,我鼓励您尝试下面的方法,研究和建模奇怪的声学空间,调用极端的参数设置,探索各种瞬态声音和扫频的使用,并应用于各种来源的IR文件。使用自定的IR的美妙之处在于,您可以获得使用现有预置无法实现的独特效果。

 

卷积

冲动响应的世界充满了各种可能性,我希望这篇文章能激发您去探索和实验。在某种程度上,使用IR就像空间采样。与实地录音一样,您对地点、过程和结果的记忆将永远相连。

 

参考文献

Collins,Nick. Introduction to Computer Music. Wiley, 2010
Creasey, D. J. Audio Processes: Musical Analysis, Modification, Synthesis, and Control. Routledge, 2017
Roads, Curtis. The Computer Music Tutorial. MIT Press, 2012

 

作者简介

Philip Mantione是活跃在洛杉矶实验音乐领域的作曲家、合成器手、吉他手、教育家和声音艺术家。他的音乐作品曾出现世界各地的音乐节、博物馆和画廊中。他目前的项目名称叫做“三角变形”,是一个由“Don Preston”(Frank Zappa的发明之母乐队的初创成员)和电路更改大师“Jeff Boynton”组成的三重奏乐队。在philipmantione.com上查看更多详细资料。


本文出自《midifan月刊》2021年06月第183期

 

 

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