Недавно вышла статья о том, что современные гитаристы вместо традиционных гитарных кабинетов используют Full Range Flat Response (FRFR) системы. В связи с этим решил довести до конца статью о программной эмуляции гитарных кабинетов, плюс, возможно, чуть больше раскрыть изначальную статью.
Гитарные усилители и кабинеты
Для начала, обозначим терминологию. Гитарный усилитель предназначен для формирования звука (в том числе с учётом нелинейных искажений) и увеличения мощности сигнала. Кабинет — это конструкция из динамика в корпусе, обеспечивающая преобразование электрического сигнала с выхода усилителя непосредственно в звук. Весьма распространенными также являются комбоусилители, в которых усилитель и кабинет совмещены в едином корпусе.
Для лучшего понимания пройдём по традиционной цепи сигнала электрогитары, как на картинке выше. У нас есть красивый стратокастер, кабель, некоторые педали эффектов (для упрощения отсутствуют, как и "петля"), усилитель и кабинет. Все приведённые части системы важны и оказывают значительное влияние на звук. Гитара (с вашей помощью, конечно же), формирует электрический сигнал, который впоследствии передаётся по инструментальному кабелю в усилитель.
Гитарные усилители представляют собой совершенно другой мир и отличаются от HiFi-оборудования. Это связано с тем, что их основной задачей является не столько увеличить мощность сигнала, сколько внести искажения и окрасить его таким образом, чтобы его было приятно слушать. HiFi-аппаратура, в свою очередь, стремиться воспроизвести звук максимально близко к оригиналу. В конце нашей упрощённой цепи расположен кабинет, о котором и пойдёт речь дальше
Небольшой оффтопик: одна из составных частей гитарного оборудования, которая часто и незаслуженно обходится стороной, это инструментальные кабели. Его важнейшей характеристикой является его ёмкость. В случае, если кабель достаточно длинный, он начинает работать как фильтр нижних частот (RC-цепь) и подавляет верхний частотный диапазон. Один из моих знакомых однажды рассказал, что чуть не продал свою гитару из-за того, что она стала звучать "мыльно". К его облегчению, когда он заменил кабель на хороший, эта проблема отпала. Здесь же стоит отметить, что для активных звукоснимателей (звукосниматели, у которых конструкцией предусмотрено наличие предусилителя) влияние кабелей практически ничтожно.
Подробнее о кабинетах
Для начала, закрасим серым части схемы, которые нас сейчас не интересуют, и оставим только кабинет. Как уже было сказано выше, в его задачи входит преобразование электрического сигнала в звук. Однако, вторым важным фактором является то, что гитарные динамики спроектированы для работы в виде дополнительного ФНЧ.
Усиленный (и, зачастую, искажённый) гитарный сигнал имеет множество гармоник, в особенности, в области верхних частот. К сожалению, для нашего уха это звучит достаточно грубо и неприятно, зачастую используется жаргонный термин "песок". Для избавления от этого эффекта, большинство динамиков имеют в амплитудно-частотной характеристике достаточно крутой срез в области 6-8 кГц. Пример АЧХ одного из кабинетов приведён на рисунке ниже.
В настоящее время, широкое распространение получили системы, позволяющие программно эмулировать искажения, вносимые кабинетами.
Эмуляция гитарного кабинета
Гитарный кабинет, в общем случае, представляет собой линейное устройство и может быть смоделирован в виде цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Тема цифровых фильтров достаточно подробно была тут рассмотрена, поэтому не будем на ней подробно останавливаться, приведём схему и основное уравнение:
Логика функционирования КИХ-фильтров достаточно проста: для каждого выходного отсчёта осуществляется перемножение последних N отсчётов на соответствующие коэффициенты фильтра (зачастую называемые весами) с последующим накоплением:
Эта операция также известна как свёртка, получившая больше внимания с развитием и распространением свёрточных нейронных сетей.
Влияние гитарного кабинета
Предположим, у нас есть небольшая гитарная партия, записанная напрямую через звуковую карту или DI-box:
Звучит несколько плоско, даже можно сказать никак, но это только начало. В соответствии со схемой выше, эта запись в себя включает гитару и кабель. Следующим шагом будет добавление усилителя (с опциональными эффектами). Ради лучшего демонстрационного эффекта предположим, что нам нужен подгруженный усилитель. Подобные усилители обогощают исходный сигнал высокочастотными составляющими, так что будьте осторожны, следующая запись не самая приятная для прослушивания.
Однако, если использовать эмулятор кабинета, от этого "песка" получается достаточно эффективно избавиться и получить приятный звук тяжёлой гитары.
Простота и эффективность этого подхода обеспечила появление большого количества качественных продуктов, что отлично для гастролирующих музыкантов, позволяя получить воспроизводимый звук на различных площадках, а также открывает возможности получить больше управляемости и возможностей регулировки звука при записи.
Технологии эмуляции кабинетов и усилителей в том числе проникли в цифровые гитарные процессоры (хотя англоязычное название multi-effects unit точнее передаёт суть), в связи с чем с выхода такого устройства имеется уже полностью сформированный звук, который можно подавать напрямую на микшер, либо на FRFR-мониторы, без необходимости дополнительной обработки.
Комментарии (16)
Zhuriken
10.05.2022 19:32Технология эмуляции посредством импульсного отклика полностью закрыла все нужды в этом направлении лет десять назад, городить такую сложную эмуляцию тратя вычислительное время процессора бессмысленно. Импульсы не просто убедительно звучат, они звучат лучше чем 95% людей на студиях запишут, даже провозившись целый день с микрофонами. Дешевизна, эффективность и быстрота. К тому же изготовление импульса простая задача которую осилит любой за десят минут на ютубе, раз уж захочется свой комбик в своем помещении эмулировать.
NelSon29 Автор
10.05.2022 19:34+1Хорошо, каким образом вы реализуете этот импульсный отклик? Это делается именно КИХ-фильтром, ничего сложного в этом нет, есть оптимизированные библиотеки как под x86 (Intel IPP), так и под Cortex-M (CMSIS), не говоря уж про специализированные DSP.
UPD: вдобавок стоит отметить, что термин "импульсный отклик" это калька с английского "impulse response", что в русскоязычной радиотехнике и цифровой обработке сигналов называется "импульсная характеристика". А для применения ИХ к сигналу требуется фильтр (либо различные подходы к оптимизации свёртки, например, через FFT, но это отдельная история).
TheNavi
10.05.2022 21:56+2Пардон муа, но КИХ, ака сверточные уже неocoбо в тренде. По большому счету в эмуляция кабинета с помощью свертки aka convolution signal processing лишь малая часть в эмуляции тракта гитара-комбик-микрофон. Куда большую проблему представляло эмуляция самого гитарного усилителя сигнала - поскольку там все очень нелинейно в плане добавления искажений от уровня входного сигнала, его спектра и тд и тп. Ранние софтовые эмуляции очень плохо работали с динамическим диапазоном гитары. Переход на нейросетки - вообщем то кардинально ситуацию изменил - сетка может научится правильно обрабатывать весь тракт включая и кабинет.
NelSon29 Автор
10.05.2022 22:14Согласен, тут речь идёт только об эмуляции кабинета+микрофона. То, что это не весь тракт, однако, не мешает выходу нового оборудования в этом сегменте (CabZone от Shift-Line и Impulse IR Loader от TC Electronic), что говорит о спросе на этот класс приборов.
Про эмуляцию усилителя согласен, Neural DSP говорит о применении ИИ, но тот же Kemper, вроде, нигде не заявляет об этом и просто профилирует усилитель заданными тестовыми сигналами. Не уверен на 100%, но похоже, что там используется более традиционная обработка сигналов, возможно, на рядах Вольтерра (Вольтерры?).
soundengineer
Если речь идет о концерте, да и к студии это тоже применимо, то после комбика у нас есть еще микрофон, зачастую не один, а в студии еще и комната. И подбором микрофонов и их положения можно сильно варьировать звук, в том числе и по динамике, а не только частотно. И вот действитеьно убедительная эмуляция связки кабинет + комната + микрофоны - это сложно и весьма недёшево.
NelSon29 Автор
Согласен, в импульсную характеристику обычно входит комбинация кабинет + микрофон (зафиксированный в определённом положении). Комната это, всё-таки, больше про некую реверберацию, я всё чаще вижу, как кабинеты с микрофонами упаковывают в звуконепроницаемые коробки, чтобы избавиться от этого.
Zhuriken
Так а разве их не пакуют в звуконепроницаемые кейсы чтобы просто не мешать никому очень громким звуком от раскачки лампового усилителя? Чувствительность микрофона такая и направленность как правило, что на фоне источника все что гуляет по помещению пренебрежимо мало.
NelSon29 Автор
Кому в студии будет мешать усилитель? Практика показывает, что даже направленный микрофон (как традиционный sm57) отлично ловит дополнительную реверберацию комнаты, всякие вентиляторы, шумы и прочее, от чего хочется избавиться.
Zhuriken
Эти кейсы используют в домашних студиях, никакой реверберации 57 вам не словит, какая бы там комната ни была, он и бочку с железом под боком еле ловит когда усилитель разогнанный вовсю. И в проф студии шума никакого быть не может, тонрум где кабинет стоять будет звукоизолирован, а вся апаратура что может шуметь вынесена в отдельную, точно так же изолированную комнату.
NelSon29 Автор
Тут, к сожалению, дискуссия зашла в тупик, но такое бывает, когда опыт сильно различается.
soundengineer
Если 57 уткнут прямо в кабтнет, то не словит. А что мешает поставить еще микрофон в метре от динамика? Там совсем другой звук. А еще 57 можно поставить в углу комнаты и снять очень естественный и красивый рум. Лучше, конечно, не 57 для этого юзать, я просто к тому, что одна кардиоида вплотную к морде кабинета - это не единственный способ сьема. Хотя на маленькой и громкой сцене, часто, единственный практичный вариант. Но и там можно микрофонами поиграть. Тот же 421 по мне звучит вкуснее.
soundengineer
Сайлент-боксы на сцене видел и сам использовал. Очень помогает держать громкость на сцене в рамках. Но на студии это решение спорное. Там наоборот чаще стараются в хорошо звучащей комнате кабинет погромче разогнать. Да и реампинг не на пустом месте появился.
Zhuriken
Реампинг в наше время это чисто маркетинговая шелуха, способ хоть как то задействовать уже не так сильно полезные железки. Большая часть всего что пишется в гитарной музыке пишется тупо дома в аудиокарту через мониторы и какой-нибудь неурал, подсводится и отправляется в студию с хорошим контрольным звуком на окончательное сведение и мастеринг потом. Раньше еще была проблема с эмуляцией мощника, что сильно отличало звук усилителя, но и это давно решено, большая часть того что нужно есть в софте в великолепном исполнении, и все в просто достаточном, тут разве что месовские всякие усилители посредственно сэмулировали. Вы не накрутите с кабинетом ничего такого что не сделать в софте, зато в софте можно накрутить то что в реальности тяжко и муторно.
soundengineer
Вы очень категоричны и слишком обобщаете на основе своего опыта. Помимо домашней записи "гитарной музыки" (что бы это странный термин не значил), слава богу существуют музыканты, звукорежиссеры и студии, где предложить гитаристу уровня, например, Гатри Гована, сыграть в саундкарту, типа потом софтом накрутим, -- это конец сотрудничества и заоодно репутации студии/звукорежиссера. Слава богу, за 15 с лишним лет я с приличным количеством музыкантов мирового уровня поработал и научился понимать что к чему. "Большая часть всего что пишется в гитарной музыке" может и пишется в дибокс и софт. Но меньшая часть, которая и представляет особый интерес, пишется в тщательно подобранные связки голова+кабинет+микрофоны+комната. И поверьте, действительно хороший гитарист звук своего тракта знает наизусть и "резиновую зину" вычисляет на раз-два. И если процессоры эти ребята использую каждый второй, то вот хороший оконечник с кабинетом, снятые микрофоном, они ни на что менять не готовы. Так что приходится на чеке тратить и час, и два, на таскание по сцене ящика с динамиками и расстановку микрофонов вокруг него. Но результат того стоит.
P.S. "Вы не накрутите с кабинетом ничего такого что не сделать в софте..." -- а давайте на спор? Я запишу партию в старый Roland JC-120 с его аппаратным хорусом, сниму MS-парой от Royer, а вы повторите в софте? Или даже еще круче. Я в него запишу не гитару а Fender Rodes Piano.
Zhuriken
Да уже только ленивый не предлагал на штуку баксов забиться в определении где оригинал а где эмуляция. Это настолько избитая тема что уже практически крылатое выражение. Если вы так топите за прошлые поколения гитаристов выросших полностью на железе, то я навскидку помню что последний альбом Сатриани точно на софте весь сделан. На rmmedia все это столько раз обсосано с примерами, разборами и прочим, что удивительно как люди свои банальные когнитивные искажения защищают до талого, хотя любой должен понимать насколько инертная такая вещь как слуховое восприятие.
soundengineer
"прошлые поколения" -- это, знаете, сильно. Я бы не называл мужиков, которым где-то от 35 до 45 прошлым поколением. А вот то, что выросло поколение слушателей, которые слаще хрена ничего не пробовали -- это факт. Впрочем, в этом тоже нет ничего плохого.