Zvukové efekty díl 3.: Dozvukové jednotky a Echo

Šestidílný seriál „Zvukové efekty“ napsal kolega Viktor Svoboda pro server Audiocity.cz. Předchozí díly seriálu najdete zde:

• Díl 1. – Dynamika a pannery
• Díl 2. – Ekvalizéry
• Díl 3. – Echo a dozvuk
• Díl 4. – Tempo
• Díl 5. – Fáze
• Díl 6. – Dokončení

Dozvuk je asi nejvýznamnější ze všech zvukových efektů (a ze všech akustických jevů vůbec) a proto bude tento díl poněkud delší. Tradičně si uvedeme principy vzniku dozvuku a jeho simulaci pomocí tzv. dozvukových jednotek.

Trocha pradávné historie

Podle jedné antické báje byl Echó víla, kterou odsoudila bohyně Héra za jistou věc k tomu, aby nadosmrti nevypustila z úst jediné vlastní slovo. Mohla jen opakovat koncové slabiky slov, která právě někdo řekl. Odtud pak pochází název pro následující zvukový efekt.

Echo

Echo pracuje tím způsobem, že původní signál  zpozdí o nastavenou dobu (např. t = 0,1s), přičte jej k původnímu signálu. Pak jej zpozdí o 2t (2×0,1s) a opět jej přičte a tak dále. Navíc mívá zpožděný signál nižší úroveň (záleží na nastavení).Další je patrné z obr.1, kde původní signál představuje pouze první perioda sinusovky (f = 100Hz, osa x představuje čas v sekundách).

Echo vlastně simuluje jev zvaný „ozvěna“. Ten vznikne, stojíme-li např. na jinak volném prostranství před rozměrnou překážkou, která je vzdálena nejméně 17m. Zvuk, který vydáme, se od této překážky odrazí a vrátí se nám za 0,1s [(17m x 2)/(340 m/s)]. Tehdy již lidskému uchu přestávají oba zvuky splývat a vnímá je proto odděleně.

Tato situace samozřejmě představuje pouze první odraz (v pořadí druhý impuls na obr.1). K docílení stejného efektu z obr.1 by musely existovat dvě rozměrnější  rovnoběžné stěny vzdálené min. 17m a my bychom stáli zády opření o jednu z nich a „křičet“ na druhou (tento příklad je samozřejmě jeden z možných).

Z předchozího příkladu je patrné, že echo simuluje pouze velmi specifický případ, který se ve skutečném světě prakticky nevyskytuje a nemá se skutečným dozvukem příliš společného. Přesto bývají často dozvukové jednotky nesprávně označovány jako echo.

Možnosti nastavení tohoto efektu také nejsou až tak rozmanité. Základním parametrem je doba zpoždění (delay), dále relativní „úroveň signálu z echa“ resp. úroveň 1. zpožděného signálu a dále poměr amplitud signálu zpožděného o kt  a  (k+1)t – tzv. „Decay“. Pokud bychom nastavili Decay rovný 1, pak by všechny zpožděném signály měly stejnou úroveň a impulzy na obr.1 by byly stejně vysoké jako 2. impuls. Dále bývá možné upravit zpožděný signál i jednoduchým ekvalizérem a tím simulovat podmínky odrazu zvuku od skutečných materiálů. Jedno z možných provedení ovládání tohoto efektu ukazuje obr.2

Dozvuk (reverb) a dozvukové jednotky

Nyní se konečně dostáváme snad k nejpoužívanějšímu nástroji ze zvukových efektů. Samotný dozvuk jakožto akustický jev je velmi komplikovaný a matematicky obtížně popsatelný. Jde zkrátka o velmi složité a dodnes ne zcela dořešené odvětví akustiky.

Předpokladem vzniku dozvuku je uzavřený prostor, ve kterém může vzniknout stojaté vlnění.  Pokud do tohoto prostoru umístíme zdroj zvuku (všesměrový!), bude se zvuk v kterémkoliv místě v prostoru skládat ze zvuku přímého (zvuk přímo ze zdroje bez jediného odrazu) a ze zvuků, které prošly na cestě k danému místu jedním a více odrazy. Je jasné, že „odražený“ zvuk je jednak zpožděný za zvukem přímým (delší dráha), a navíc má menší intenzitu a jiné spektrální složení (vlivem odrazových ploch). I když by se mohlo zdát, že  tento zvuk bude „maskován“ zvukem přímým (má přece menší intenzitu), skutečnost je opačná. Jde o to, že energie soustředěná v „přímém“ zvuku je podstatně menší, než energie vyzářená do zbylého prostoru, jejíž nezanedbatelná část „doputuje“ až k nám (záleží také na směrovosti reproduktorů, která je markantní hlavně u vyšších kmitočtů). Ve výsledku se tedy dá říci, že pokud zrovna nesedíme „u beden“ tak zvuk, který slyšíme, se skládá především ze zvuku odraženého. A co se stane, když zdroj zvuku náhle vypneme?

Doba dozvuku

Pokud vypneme zdroj zvuku, tak po chvíli ustane i přímý zvuk. Jenomže v prostoru se pohybuje ještě spousta zvukových vln, kterým ještě nějakou chvíli trvá, než se přemění v teplo na odrazových plochách, a část z nich také projde „poslechovým místem“. Zvuk „doznívá“, tj. v optimálním případě exponenciálně klesá intenzita zvuku v místnosti (i v referenčním bodě). A právě doba od vypnutí zdroje zvuku, za kterou klesne akust. tlak v místnosti na jednu miliontinu původní hodnoty (-60dB) se nazývá doba dozvuku.

Na stejný jev je možné nahlížet ještě z jiného, zajímavějšího pohledu. Náš zdroj zvuku (zářič) přivádí do prostoru energii ve formě akustického vlnění. Pokaždé když zvuková vlna narazí na překážku, tak se část energie přemění na teplo, část projde a část se odrazí zpět (úhel dopadu = …však vy víte:). Po nějaké době se přísun energie vyrovná úniku (ve formě tepla). V prostoru se nám tedy nahromadila energie ve formě akustického kmitání molekul vzduchu, která je rovnoměrné rozptýlena v celém prostoru (tzv. difuzní zvukové pole). Takže zatímco intenzita zvuku přímého klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje, intenzita difuzního pole je konstantní bez ohledu na umístění a tak je patrné, že v určité vzdálenosti se obě intenzity vyrovnají a za touto vzdáleností je již dominantní složkou právě difuzní pole.

Pokud zde vypneme zdroj zvuku, ustane přísun energie, ale nikoliv její výdej a intenzita difuzního pole začne exponenciálně klesat tak, jak se přeměňuje na teplo na odrazových plochách až prostor „utichne“. A zde pak opět měříme dobu dozvuku.

Vzhledem k tomu, že charakter difuzního pole (především spektrální složení) je závislý z valné části na místnosti a vzniklý „dozvuk“ se skládá z části obsažené v nahrávce a části vytvořené poslechovou místností, dostaneme jednoduchý poznatek: právě na základě nepřímého zvuku si ucho vytvoří představu o prostoru, ve kterém se nachází. A pokud dozvuk místnosti nebude výrazněji větší, než dozvuk v nahrávce, jsme tuto iluzi schopni vytvořit! (Určitě to zní poněkud kostrbatě, ale snad je vám jasné, oč mi jde)

Dozvuková zařízení

Udělat dobrou dozvukovou jednotku v „analogových“ dobách nebylo nic jednoduchého a tak se často improvizovalo. Velmi zajímavým řešením bylo například použití nějaké místnosti, do které umístíme zdroj zvuku a mikrofon. Pak pouhou změnou umístění a vzájemnou polohou mikrofonu a reproduktoru dosáhneme věrného dozvuku. Tento způsob je ale poněkud nepraktický.

Jeden ze způsobů je „nahrazení“ kmitajících molekul vzduchu (viz 4 odstavce nazpět) kmitajícími molekulami jiného předmětu. Tak vznikl pružinový dozvuk, kde se rozkmitávala soustava pružin, které pak pozvolna doznívaly, nebo stejný efekt s pomocí plechové desky aj. V dnešních dobách rozvinuté výpočetní techniky pak stačí „nudný algoritmus“ J.

Jaký je tedy rozdíl mezi echem a dozvukem?

Echo přidává do zvuku jen „odrazy“ s konstantním zpožděním, často spektrálně shodné s původním zvukem. Kdežto dozvuk přidává „nepřímý“ zvuk skládající se z velkého množství různě zpožděných zvukových vln. Těch je s přibývajícím časem stále více tak, jak k posluchači přicházejí postupně další a další vlny, které putovaly po delší dráze. Jejich intenzita pak postupně klesá. Navíc je nepřímý zvuk výrazně ovlivněn frekvenční závislostí odrazivosti materiálů – např. měkké, porézní a textilní povrchy výrazně tlumí vysoké kmitočty, naopak utlumit frekvence řádu stovek Hz již bývá problematické. A tak bývá obvykle nejvyšší uvažovaná frekvence obsažená v dozvuku do 10kHz.

Co lze nastavit?

Jal jsem již uvedl, používají se dozvukové jednotky (ať vědomě, či nevědomě) především k simulaci poslechového prostoru (koncertní síň, náměstí, pokoj, tělocvična, kostel, ….). A tak je dobré mít na zřeteli, jakého efektu chceme dosáhnout.

Základním parametrem je již uvedená doba dozvuku. Typická doba dozvuku pro běžně zařízený pokoj je 0,5 ± 0,1s, vícekanálový kinosál – do 0,7s atd. Dále nastavení poměru původního signálu a „dozvukového signálu“ resp. nepřímého zvuku. Tím se simuluje vzdálenost od zdroje signálu (čím menší zastoupení původního/přímého signálu, tím jsme dále).

Třetím důležitým parametrem je „doba náběhu“ (attack), která představuje prodlevu mezi přímým a odraženým zvukem (vzniklým dozvukem). Pokud budeme například v prázdné tělocvičně, tak tím více, čím my a reproduktor budeme vzdáleni od stěn, tím bude delší prodleva mezi příchodem přímého a odraženého zvuku a tedy i „attack time“.

Dalším parametrem bývá úprava spektrálního složení odraženého zvuku. Čím více je v místnosti měkčích a poréznějších materiálů, tím menší bude obsah vyšších kmitočtů. V mramorové koupelně to samozřejmě bude jinak. Názorný příklad ovládacího prvku dozvuku je na obr. 3 a na obr.4 je toto nastavení aplikováno na 2 periody sinusovky o frekvenci 200Hz – jsou bíle podsvícené. (asi toho patrného moc není :). Je jasné, že různé programy se mohou i výrazně lišit, avšak jádro je u všech stejné.

Jak s dozvukem pracovat

Základem je samozřejmě záměr. Musíme tedy vědět, jakou iluzi chceme vytvořit, resp. do jakého prostoru chceme posluchače uvést. Nejdůležitější je tedy stanovit základní dobu dozvuku a tím i velikost místnosti. Dále poměr přímého a odraženého zvuku a tím vzdálenost od zdroje zvuku. Také doba náběhu má vztah k velikosti prostoru a umístění. A konečně úprava frekvenčního spektra dozvukového signálu – obvykle stanovení horní mezní frekvence, která má vztah k povrchu stěn atd.

Možnosti experimentování jsou samozřejmě bohaté. Lze například umístit dozvukový signál do jiné stopy, zpracovávat odděleně signály L a P – to nechám na vás.

Závěr

Tento článek určitě nepatřil k těm jednodušším. Poněkud delší vyprávění o akustické podstatě dozvuku mělo za cíl vytvořit představu o principech vzniku tohoto jevu, především však usnadnit a zkrátit úsek mezi záměrem a výsledným nastavením několika málo ovládacích prvků dozvukové jednotky. Jestli se mi to povedlo – to bych také rád věděl. Omlouvám se za místy příšerná slovní spojení, ale lepší mě nenapadla.

Na připomínky a ohlasy se těším a přeji hodně úspěchů. Dekuji za pozornost.

Viktor Svoboda