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Audioeffekte Equalizer Echofilter

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Präsentation zum Thema: "Audioeffekte Equalizer Echofilter"—  Präsentation transkript:

1 Audioeffekte Equalizer Echofilter Flanging Chor Hall (Reverberation) Synthetische Instrumentenklänge Kompression / Expansion S.J. Orfanidis, Introduction to Signal Processing, chap. 8.2 & 11.4, Prentice Hall, F. Pieper, das Effekte Praxisbuch, GC Carstensen, DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 1

2 Equalizer DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 2 Ziele Korrektur schlechter Frequenzgänge ungünstige Raumakustik, Audiosystem betont gewisse Frequenzen aber auch Soundgestaltung Mischen von Einzelspuren Typen Klangregler ± dB boost / cut von Bässen, mittlere Frequenzen und Höhen grafische Equalizer ± dB boost / cut einzelner oder mehrerer Frequenzbänder mit parallelen Schiebereglern einstellbar, grafische Anzeige! Mittenfrequenzen ISO-normiert im Abstand 1/3, 2/3, 1 und 2 Oktaven äquidistant auf logarithmischer Frequenzskala! z.B. 5-Band, 2-Oktav-EQ: 50 Hz, 200 Hz, 800 Hz, 3.2 kHz, 12.8 kHz parametrische Equalizer neben boost / cut auch Mittenfrequenz und Bandbreite frei wählbar Einsatz u.a. für Absenken von Resonanzen, Stimme hervorheben

3 Grafischer Equalizer DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 3 VerstärkerFilterbank => diverse Varianten Level HP TP Probleme u.a. Beeinflussung benachbarter Filter Realisierungsaufwand (schmale BP mit tiefer Mittenfrequenz!) Symmetrie zwischen boost und cut 25 Hz 31 Hz 16 kHz 20 kHz BP Demo equalizer.m equalsim.mdl

4 IH 1 (f)IIH 15 (f)I nur 6 dB Ziele: Frequenzgang kompensieren, Vorder-/Hintergrund im recording N parallele BP-Filter (z.B. 1. Ordnung) vor Summation jeder Ausgang separat verstärkt / abgeschwächt (± 6-12 dB) Mittenfrequenzen sind äquidistant auf logarithmischer Frequenzskala Graphischer Equalizer DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 4

5 kleiner Rippel weitgehend lineare Phase Zeitverzögerung fast Null Graphischer Equalizer DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 5

6 Parametrischer Equalizer: Prototypen Bandsperre: Notch-Filter Bandpass: Peak-Filter Equalizer: Linearkombination H EQ (s) = G ref ·H BS (s) + G·H BP (s) Ω IH BS (s)I 1 GBGB Ω IH BP (s)I 1 GBGB boost: G ref < G B < G cut: G < G B < G ref typisch (Kaskade): G ref = 1 DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 6

7 Parametrischer Equalizer: z-UTF Bilineare Trafo => H EQ (z) = G ref ·H BS (z) + G·H BP (z) z-UTF mit f IH EQ (f)I GBGB G ΔfΔf f0f0 f s /2 DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 7 1 cut symmetrisch zu boost boost Amplitudengang Demo paramequalizer.m

8 Parametrischer Equalizer: Beispiel Design-Parameter f s = 48 kHz, f 0 = 1 kHz, Δf = 1 kHz, G = 6 dB, G B = 3 dB, G ref = 0 dB Filterparameter b = [ ] a = [ ] Amplitudengang ΔfΔf f0f0 GBGB G DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 8 G ref

9 Parametrischer Equalizer: Klangregler Bass-Regler Parametrischer Equalizer mit f 0 = 0 => cos(ω 0 ) = 1 H EQ (z) hat Faktor 1-z -1 im Nenner und im Zähler => H TP (z) hat 1. Ordnung Höhen-Regler Parametrischer Equalizer mit f 0 = f s /2 => cos(ω 0 ) = -1 H EQ (z) hat Faktor 1+z -1 im Nenner und im Zähler => H HP (z) hat 1. Ordnung DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 9

10 Klangregler: Beispiel DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 10 Bassregler f s = 48 kHz, Δf = 400 Hz, G = -12, 0, 12 dB, G B = G/2 dB, G ref = 0 dB Höhenregler f s = 48 kHz, Δf = 4000 Hz, G = -12, 0, 12 dB, G B = G/2 dB, G ref = 0 dB Δf Bass Δf Höhen G B boost G B cut G boost G cut

11 Grundbaustein für komplexere Audioeffekte Echo hat roundtrip-Delay D·T s und Dämpfung b D Echos auflösbar, wenn D·T s > ms FIR-Kamm-Filter => Kamm-Amplitudengang Echofilter z -D x[n] y[n] = x[n]+b D ·x[n-D] bDbD h[n] n D 1 bDbD 1+b D 1-b D f s /D f s /2 DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 11 Demo fircomb.m

12 Flanging Veränderung Tonlage, wenn Tape-Rand (Flange) gebremst wird Effekt kann mit Delay-Line variabler Länge modelliert werden Tonlagen-Modulation wegen variabler Lesegeschwindigkeit zeitvariantes FIR-Kamm-Filter y[n] = x[n] + b·x[n-D[n]] D[n] = floor{D min + 0.5·(D max -D min )·(1+sin(2πf D nT s ))} Varianten: Interpolation statt floor{}, Dreieck statt sin(), Feedback Flanging ist eine spezielle Form des Phasing (beliebige notches) z -D[n] x[n] b n·Tsn·Ts D[n] D max y[n] D min feedback D max < 10 ms f D < 3 Hz DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 12 Demo flanging.m

13 Mitglieder nicht ganz synchron, leicht verschiedene Tonlage vollere Stimme Modellierung mit mehreren Delay-Lines variabler Länge Delays grösser als beim Flanger, typisch [20…30 ms] Differenzengleichung y[n] = x[n] + b D1 ·x[n-D 1 [n]] + b D2 ·x[n-D 2 [n]] D 1 [n] = floor{D min + 0.5·(D max -D min )·(1+sin(2πf D nT s ))}, f D < 3 Hz D 2 [n] = floor{D min + 0.5·(D max -D min )·(1+sin(2πf D nT s +φ))} Varianten: b Dk zeitvariant, rand(), Dreieck oder log() statt sin() Chor z -D1[n] x[n]y[n] b1b1 z -D2[n] b2b2 DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 13 Demo chor.m

14 Reverberation bedeutet Widerhall, Nachhall Resultat der Schallreflexionen in einem Raum Serie von verzögerten, gedämpften Schallwellen Häufigkeitsrate der Reflexionen ändert mit der Zeit einzelne frühe Reflexionen (Raumbegrenzung) viele, zufällige, abfallende späte/diffuse Reflexionen Diffuser Nachhall gibt Raumempfinden behält Schallenergie im Raum (lauter sprechen im Freien) verteilt Schallenergie (man hört auch entfernte Instrumente, Geige klingt nicht in alle Richtungen gleich!) Nachhallzeit Zeit bis Ih[n]I 60dB abgeklungen Konzerthallen: 1.5-2s abhängig von Raumgrösse und -Absorption (Materialien) Hall (Reverberation) Ih[n]I nT s frühe Reflexionen späte Reflexionen DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 14

15 Schröders Nachhall-Prozessor (I) IIR-Kamm-Filter H 1 (z) bis H 4 (z) => Raumbegrenzung H 1 (z) H 2 (z) H 3 (z) H 4 (z) x[n] H 5 (z) H 6 (z) y[n] z -D aDaD b0b0 DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 15 x[n] y[n]=b 0 ·x[n]+a D ·y[n-D] h[n] / b 0 1 aDaD a2Da2D n D 2·D2·D y[n]

16 Schröders Nachhall-Prozessor (II) DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 16 H(z) = (-a D +z -D ) / (1-a D ·z -D ) Demo hall.m Modernere Algorithmen => frühe Reflexionen (FIR-Filter) => spätere Reflexionen (IIR-Filter) => Tiefpass (Absorptionen) H(z) = b 0 / (1-a D ·z -D ) IH(f)I / b 0 1/(1+a D ) n f s /D fsfs 1/(1-a D ) Allpässe H 5 (z) und H 6 (z) => IH(f)I=1, Kaskadierung möglich => für diffusen Nachhall verantwortlich z -D aDaD -a D x[n] y[n] = -a D ·x[n]+x[n-D]+a D ·y[n-D]) y[n]

17 Direkte Instrumentenklang-Synthese Frequenz-Synthese/Modulation gemäss Spektralanalyse beschränkte Qualität, kein Bezug zur eigentlichen Klanggeneration Sampling/wavetable-Synthese von Klangmustern kein Bezug zur eigentlichen Klanggeneration sehr gute Qualität, speicherintensiv, beschränkte Spielbarkeit Indirekte Instrumentenklang-Synthese Simulation des physikalischen Klang-Prozesses Kontrolle der Klanggeneration (Qualität) vielfältige Spielbarkeit, allerdings sehr viele Inputs erforderlich virtuelles Instrument reagiert so wie es gespielt wird (Erfahrung!) rechenintensiv! für jedes Instrument braucht es ein anderes Modell Synthetische Instrumentenklänge DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 17

18 Anfangswerte (Vorwärtswelle) Griff Anfangswerte (Rückwärtswelle) Reflexion: -1 StegAnschlag- punkt Pickup Ausgang y[n] …1 (Reflexion, Verlust) Tiefpassfilter Waveguide-Gitarre x[n] x[n-D] x[n-P] x[n-A] DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 18

19 2 Delay-Lines zur Simulation der Vorwärts- und Rückwärts-Welle Roundtrip bzw. Grundperiode T 0 D·T s bzw. D round(f s /f 0 ) dreieckförmige Anregung der Höhe M je näher der Anschlagpunkt beim Steg, desto mehr Oberwellen Reflexionskoeffizienten = -1 beim Steg und beim Griff Summe von Vor- und Rückwärtswelle an Saitenenden = 0 Energieabgabe der Saite mit L = 0.995…1 modelliert zirkulierende Welle wird bei jedem Durchgang mit TP gefiltert Differenzengleichung: x[n] = 0.5·(x[n-D]+x[n-D-1]) höhere Frequenzkomponenten klingen schneller ab als tiefe Ausgangssignal mit einem oder mehreren Pickups abgenommen Differenzengleichung: y[n] = x[n-P]+x[n-D+P] Input Parameter: D bzw. f 0, A, M, L, P einige wichtig für Spielbarkeit, z.B. A klein, metallischer Ton Waveguide-Gitarre DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 19 Demo saite.m und akkord.m

20 Reduktion Dynamikbereich (Abschwächung laute Töne) Schutz vor Verzerrung, leise Töne versinken nicht im Rauschen eingesetzt bei Aufnahme, Rauschverminderung, Live-Performance Prinzip: variable Verstärkung, durch Input-Level gesteuert Input-Output-Verhalten (x konstant oder Kurzzeit-Mittelwert) 2:1-Kompression (ρ=0.5) heisst Input muss um 2 dB erhöht werden, um Output 1 dB zu erhöhen Korrektur Output Level oft mit Verstärker Kompression Level Detector Gain Control x[n]y[n] Input Level [dB] Output Level [dB] keine Kompression 2:1 Kompression 4:1 Kompression 10:1 Kompression (Limiting) Schwelle x 0 c[n] g[n] y0y0 y = y 0 ·(x/x 0 ) ρ => 20·log 10 (y/y 0 ) = ρ·20·log10(x/x 0 ) wobei ρ x 0 DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 20

21 Kompression Level-Detektor macht normalerweise eine Mittelung über die Zeit Kontrollsignal c[n] ~ Ix[n]I, E[Ix[n]I] oder E[(x[n]) 2 ] einfacher Enveloppen-Detektor Beispiel eines Moving Averager, forgetting-Faktor λ typ 0.99 c[n] = λ·c[n-1] + (1-λ)·Ix[n]I c[n] = 1-λ n+1 x[n] 1 n z -1 λ 1-λ Ix[n]Ic[n] n eff log(ε) / log(λ) Gain-Kontroller (ein Beispiel) DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 21 1-ε

22 Kompression: Beispiel Sinuston 1000 Hz, 4:1 Kompression ρ=0.25, λ=0.99, c 0 =0.25·2/π Attack Time Release Time Demo sincompress.m DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 22

23 Kompression: Beispiel Ducker Level Detector Gain Control Sprache (kick drum) Ausgang c[n] g[n] Musik to duck => sich ducken Abschwächung Musik-Signal, wenn Sprachsignal über Ref-Level einfaches adaptives Filter Misch- konstante DSV 1, 2005/01, Rur, Audioeffekte, 23 Demo ducker.mdl

24 Expansion Vergrösserung Dynamikbereich (Abschwächung der leisen Töne) Gegenteil der Kompression für Rauschverminderung (noise gate), Erzeugung von Extremas Prinzip: variable Verstärkung, durch Input-Level gesteuert 4:1-Expansion: -3 dB am Eingang => -12 dB am Ausgang Companding: Kompression => Kanal => Expansion Dolby A: Kanal ist ein Tonband Aufnahme: leise (rauschgefährdete) Passagen lauter als normal Abspielen: Abschwächung der leisen Passagen Level Detector Gain Control x[n]y[n] Input Level [dB] Output Level [dB] - keine Expansion -- n:1 Expansionen Schwelle x 0 c[n] g[n] y0y0 y = y 0 ·(x/x 0 ) ρ => 20·log 10 (y/y 0 ) = ρ·20·log10(x/x 0 ) wobei ρ>1 und x


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