动态处理器:压缩器/限幅器

注:如果你还没有,请一定要先阅读动态处理器简介

1. 引言

使用压缩器的目的是降低最响信号的电平。通常使用压缩的理由如下:

  • 控制信号的能量. 人耳能察觉到信号的能量变化。我们可以用RMS值这样的数学方式来表示信号的能量(约等于它的绝对平均值)。人耳对能量的变化非常敏感,所以能量变化应该始终平滑和细微以使人耳不易察觉。此外,突然的或者极度的压缩可能会作为一种效果来使用,但是这通常使用在录音应用上,不会用在实况声上。
    如此,我们就可以使歌手的声音受控,补偿由于嘶吼或者离话筒太近而产生的高电平,并由此使歌声电平更为平坦。
  • 控制信号的峰值电平>. 很常见的是,我们的设备会由于自身的峰值信号容纳能力而受限。在混音台各个信号路径的放大可能会饱和。功率放大器可能会削波。扬声器可能会由于单元过度偏移而开始损坏。在这些情况下,我们应该关心如何控制信号的峰值电平,所以我们更需要一种处理用来做限制,而不仅仅是压缩。
  • 减少信号的动态范围. 动态范围是指最响和最轻信号之间的差异。如果我们衰减一个信号的峰值,就等于减少了它的动态范围。由于很多设备都有峰值限制(功率放大器、录音设备),这就允许我们增加信号的RMS电平。

除了压缩RMS或者峰值电平,监测电路也应基于RMS或者峰值。有些压缩器的监测可在基于平均(RMS,最常见的选项)电平压缩或者基于瞬态(峰值)电平压缩之间选择。监测RMS电平的方式也有差异:高质量的压缩器监测真正的RMS,而廉价的压缩器只是做近似值。

让我们再来了解何为限幅器。限幅器实际上只是压缩器的一种形式。我们可以说压缩是平滑的衰减,而限幅则是较为生硬。我们经常可以见到压缩器上带有限幅器的功能,在一台设备上同时提供压缩和限幅。一般来说,限幅器这个专业术语也同更快的时间,尤其是启动时间联系在一起,只需始终避免信号电平超过指定的最大值。标准的压缩器一般可以调节比率的范围,这就允许它同时拥有压缩和限幅的功能,这也就是我们称其为压缩器/限幅器的原因。

2. 控制

压缩是个困难的工作,根据信号的类型,它可能需要完全不同的调试参数。因而需要大量的控制。下图展示了一台有最常见控制功能的压缩器。

以下给出了压缩器上提供的最常见的控制。你的设备上可能不一定都有,或者你的设备上可能会有更多:

  • 门限. 当超过这个设定的电平,处理器开始压缩(即衰减、降低音量)。
    以下的插图表示的是信号通过较高的门限电平(左图)和较低的门限电平(右图)处理后所得到电平。在第一个范例中,第三个信号峰值未做处理而通过。
  • 启动时间. 它是当信号超过门限电平,开始压缩的触发时间。根据设备的品牌和型号,最小的启动时间可能在50至500us(微秒)之间,而最大的启动时间在20至100ms(毫秒)范围内。有时候这些时间并不被标示为时间,而是以每秒钟的dB数的斜率表示。快的时间可能会产生失真,因为它们改变了更慢速的低频的波形。例如,在100Hz上的周波持续10ms,因此一个1ms的启动时间有时间来改变波形,从而产生失真。
    对于期望低动态的母带后期制作和调频广播应用,专门有一种多段式压缩器(也被称为分段式压缩器),它可将频谱划分为多个频段,以不同的压缩时间(高频较快,低频较慢)分别进行压缩,然后再整合成单个信号。这种最小化的压缩在当达到最高压缩的时候也不会诱发失真,并避免音色发暗,压缩方面的效果在以后会有解释。
    在有限制的应用中,我们想要避免扬声器损坏,启动时间设得越长,设备损坏的风险越高。然而,太快的启动时间会引发失真…我们开始意识到选择正确的时间的困难性。
  • 释放时间. 它与启动时间正好相反,也就是说,这个时间是信号从被处理状态(衰减)到不被处理之间的时间。释放时间要比启动时间长很多,它的范围从40-60毫秒至2-5秒,这取决于设备。有时候这些时间并不被标示为时间,而是以每秒钟的dB数的斜率表示。一般来说,释放时间应该尽可能短以防止由于压缩激活和不激活的循环而产生的“抽气”效应。这些循环会激发震荡信号(通常是低音鼓和低音吉他)并改变本底噪声,产生“呼吸”效应。

有些型号的压缩器会提供一个保持时间的控制,尽管它并不常见(在噪声门上有此功能)。当需要设置快速的释放时间时,通过设置保持时间长于最低频率的周波,就可以帮助避免低频失真。例如,对于20Hz可设置为50毫秒。那样的话,压缩器延缓一个周波来完成,从而避免波形失真。

  • 压缩比率. 这个参数指定了应用于信号的压缩(衰减)的量。它的范围一般在1:1(读作一比一,表现为一致的增益,即根本不做衰减)到40:1(四十比一)之间。此比率以分贝表现,例如6:1的比率,意味着当一个信号超过门限6dB时,将被衰减至门限之上的1dB,而当一个信号超过门限18dB时,将被衰减至门限之上的3dB。同样的,3:1(三比一)的比率意味着一个信号超过门限3dB将被衰减到1dB。对于20:1及以上的比率,压缩器则被认为是工作在限幅器状态下,尽管理论上来说限幅器的压缩比率应该为无穷大比一(无论输入电平是多少,它总是被衰减到门限的电平,所以一旦到了启动时间,输出永远不会超过门限)。我们可以说大约3:1的比率是适度的压缩,5:1是适中的压缩,8:1是强烈的压缩,而当超过20:1(或者10:1,取决于你的要求)则为限幅。
    下图表示的是原始信号和压缩比率范围从适度的到最大的(限幅)压缩信号电平。压缩比率从左到右分别为3:1、1.5:1和无穷大:1(注意有轻微的过冲因为有一定的启动时间来将信号降低到门限电平)。

某种程度上来说,压缩比率与门限有一定的联系,因为同时增加比率并降低门限将导致对信号做更多的压缩。

通过输入输出比的图表能跟科学地表示压缩。我们可以在设备的用户手册中找到这种图表。45度的直线代表不做动态处理,也就像一根(无损的)连接电缆。在门限之上(我们随意设置为0dB),这条45度的直线有所偏离并形成另一条带有斜率的直线,那就是降低高电平的压缩比率。无穷大:1的直线显示为无斜率,因为我们不论输入信号是什么都强制输出信号永不超过门限电平。
注:如果你觉得这个图表难以理解,那就先找到一个输入电平(横坐标)并随着它直线向上直到你找到其中一条压缩线。将那一点沿直线一直往左到输出电平(纵坐标)并检查电平降低。例图中用灰色虚线显示的是在2:1的压缩比率下,一个+10dB的输入电平是如何成为+5dB的输出的。

  • 拐点. 在压缩器上能找到,它允许控制选择处理和不处理状态之间的过渡。通常你会得到“软拐点”和“硬拐点”的选项。有时这个控制可以允许选择两种拐点间的任意位置。有时软拐点压缩也被称为”OverEasy”,比如DBX品牌的压缩器。软拐点使压缩更平滑和渐进。
  • 立体声链接. 一般来说,当动态处理器用来处理立体声信号,我们需要能将两个通道的处理链接起来以便同时处理两个通道。否则声相会由于从中间移到其中一边或另一边而变得混乱。单声道的压缩器往往会带有链接的功能,可以连接到另一台设备并同步压缩处理。
  • 输出增益. 由于压缩产生了衰减,此功能可以通过提升输出音量来做补偿,实际上这个控制也常常被称为“补偿增益”,因为它补偿了压缩引起的衰减。或者说,考虑到压缩器降低了动态或是信号,我们可以提升输出增益来充分利用连接到压缩器的设备可得到的余量,不过那样也意味着提高了存在于信号中的背景噪声。为避免后者,压缩器经常与噪声门配合在一起使用,噪声门也可能自带于压缩器中。
  • 自动模式. 用它来自动控制基于信号特征的一些压缩器参数(一般为启动和释放时间)。变得越来越普遍。这种控制使那种工作模式成为可能。一般来说,当需要进行人耳不易察觉的压缩时自动模式压缩工作得相当不错,而如果需要特殊的效果则可使用手动模式。
  • 侧链监听. 具有侧链功能(稍后解释)的压缩器通常会提供一个侧链信号路由到压缩器输出的开关,它允许进行监听,可帮助我们进行故障排解和压缩器设置。
  • 旁路. 允许对比压缩的和不压缩信号。正确的对比需要匹配压缩的和不压缩信号的电平(这时候可以使用输出增益控制功能)。

3. 电平表

一般来说,压缩器都至少有某种形式表明衰减(压缩)的电平表,它一般是一排发光二极管指示灯。它会告知操作者应用了多少衰减,以便操作者判断信号是否被正确地压缩(是否压缩过多或过少)。此电平表至少在某些时候应该显示为0dB(即不压缩),否则某些压缩就只是连续地降低增益,通过音量控制可以很好地完成。

4. 侧链

监测电路一般使用需进行压缩处理的信号的副本来检查该信号是否超出门限电平。然而,很多压缩器允许使用外部信号通过侧链(有时也被称为“电钥”)输入来传递给监测器。那样的话,虽然压缩处理是在主信号上进行,但是由外部信号来触发压缩处理。在主信号和侧链信号之间应有一个开关来触发监测信号,或者,有时候如果侧链输入使用1/4”连接头,当1/4”插头插入时,由连接头实现此功能。此1/4”连接头是带有发送和返回信号的插入类型连接头,发送端携带主信号的副本来帮助连接到处理器(如均衡器),并通过侧链连接头的返回端将其传递回监测器。

对侧链使用一台均衡器的用法非常普遍;这就是为什么有些压缩器为监测器内置了均衡功能,因而不再需要使用外置的均衡器。例如,我们可以降低传递给监测器信号的高频来避免钗钹乐器触发压缩器。或者增加嘶嘶声频率使它们在主信号上压缩,这种处理被称为“嘶声消除”。

5. 根据应用场合来设置压缩器

首先,我们需要决定究竟是否需要压缩处理。商用产品已经被压缩过,因而很少再有必要添加进一步的压缩。在扩声应用中,创造性的方式来使用压缩以获得特殊的效果也不常见,因为音乐家对通过效果器和功率放大设备的他们自己的声音品质负有责任。我们必须牢记,压缩处理允许增加传递给功率放大器和扬声器的平均能量,它也会增加声反馈的可能性,由此产生一种延音效应。

在使用压缩器之前,我们需要确保将其连接在正确的地方。如果我们将其与混音台配合使用,我们应将其连接在插入点上。插入点输出始终是“推子前”的(即从推子前取出因而它的电平与推子的位置无关),这意味着不管推子的位置如何改变,我们都不需要改变压缩器的门限值。由于衰减高音量信号会产生延音效应,在存在声反馈问题的一些场合使用压缩可能会使情况更糟糕。另一方面,如果我们使用压缩处理来减少动态范围并增加一定量的增益使压缩后和不压缩信号的峰值电平相同,我们就提高了传递给功率放大器和扬声器的信号的平均能量,这对于我们使用的设备对应用环境来说功率不足可能有用,但是这存在产生扬声器过热故障的潜在可能(即我们可能烧坏音圈)或者触发功率放大器的过热保护(尤其当我们驱动低阻抗负载时),使信号哑音或衰减来保护功率放大器。如果对于应用场合我们有足够大的系统,最低限度地保持在乐器上的压缩处理是个不错的主意,从而可以维持它们的自然动态。

另外由压缩处理带来的效应是音色变暗,听感上表现为较少的高频内容。产生这种效应的原因如下:对于音乐的频率组成,低频上的能量会远远高于高频。这就是为什么VU电平表随着低音鼓和低音吉他而移动。在整体混音的情况下,当低音鼓被压缩,我们也压缩可能在同一时间发生的钗钹打击,它的电平会比低音鼓低很多。这导致的后果就是上述的音色变暗。这种效应可以通过减慢启动时间使瞬间冲击通过来最小化。某些程度上的高频提升也经常应用来消减音色变暗效应。

如果我们希望限制输出信号至设定的电平来保护某设备或避免失真,我们只需在此设备(比如功率放大器或者录音设备)前使用一台压缩器(如此是作为限幅器使用)。例如,使用在混音台主输出和功率放大器之间。如果功率放大器(或者有源扬声器)已经内置有根据功率放大器削波而运作的限幅器,那最好不要再使用压缩器,让功率放大器自己来完成限幅的工作。如果扬声器系统是主动式的,建议使用在每个频段带有独立限幅器的有源分频器,因为它们的启动和释放时间一般都适合再加工的频率(高频更快,低频更慢)。我个人喜欢有高峰值余量的干净的音响系统,所以我会设定为只是偶尔触发限幅器作为一种保护。

总之,本文中给出的准则可作为总体的指南和出发点,但它们取决于具体的压缩器型号,并且要调好它们还是需要靠耳朵。

限幅器
对于作为限幅器工作得压缩器,我们会将压缩比率调为20:1。与压缩不同,限幅就像一堵墙那样用来避免峰值信号造成扬声器损坏或者功率放大器(或是录音设备)过载,所以限幅器应该只是偶尔激活。否则出现的效果会非常明显且音质也会受损。启动时间需要设得快些以避免过载或者过冲程(在扬声器上)。由于限幅器总会有某种程度的过冲(限幅器需要一定的时间来提供完全限制,所以有些瞬间峰值可能会脱离限幅控制),门限电平应该设为比我们不希望超越的电平再低2或3dB,以允许限幅器得到一些时间来降低信号。

有些限幅器可能会使信号失真,产生突起的削波波形,这取决于限幅器启动时间的速度。上文提到过,有些压缩器配备有专门的峰值限幅器。如果这样的话,我们应加以利用,因为它们是特别设计来为我们服务的。

功率放大器通道中可能会集成一种特殊类型的限幅器用来保护持续的削波。如果它们设计得正确,压缩(限幅)的门限不是固定的,压缩处理仅当功率放大器通道真正削波才激活。功率放大器的削波发生在输出电压上,此输出电压可能根据信号的类型和市电电压的变化而变化,所以限幅器会使用一种“浮点”门限使限幅器跟踪功率放大器的削波,避免当功放并未削波时发生不必要的限幅处理,或者当市电电压低于标称交流功率电平时避免功率放大器削波。当限幅器处于分频器或者控制器中的情况下,理论上它们会从功率放大器上收到一个“感应”信号用来确定功率放大器给定频段是否削波,但是对于现场扩声应用场合来说,额外的布线有些不现实(除非这种感应功能使用在有源扬声器上)。如果使用一台分频设备用来兼顾限幅,实际上我们使用一台多段式压缩器,如果压缩的启动和释放时间用户可选择,我们需要为高频选择更快的时间,而低频选择更慢的时间,从而最优化保护和听感之间的平衡。

下潜
下潜 指的是当另一个信号被播放时降低(像一只鸭子低下它的头)一个信号的电平。标准示例为当DJ或主持人开始说话时音乐关小。我们可使用发言者声音的副本通过侧链(“电钥”)输入传递给监测电路来实现。

抑制系统啸叫
当系统正要进行啸叫抑制,即当系统主要的反馈频点已通过均衡器或者反馈抑制设备消除,压缩器可用来帮助设立系统。将压缩器设置为低门限电平并将压缩比率设为无穷大比1,使用硬拐点参数。从当前无信号状态,我们逐渐地增加音量直到第一个反馈频率发生啸叫。压缩器会捕捉到它并将其保持在一个恒定的安全电平,使均衡调试任务变得容易些。这个处理方法一般会重复直到第三或第四个反馈频点完成啸叫抑制。

嘶声消除器(压缩嘶嘶声)
某些歌手会表现出过多地S音,这是产生明显的嘶声的原因。我们可以使用侧链传递给监测器一个增强嘶声频率的信号,这样的话压缩器会对它们非常灵敏。在侧链中插入一台均衡器并在3.5-8kHz区域增加大约10dBs。那么,在唱歌或说话中嘶声部分出现之前,将对其进行10dBs的压缩。“s”声应该会触发大约5dB的压缩,这会被设置成相当快速。制造商一般提供仅为输入信号副本的侧链输出,但是这使得在均衡器或者其他设备更容易获取它。有时候侧链的输出和输入都是同样的1/4”立体声连接头,就像混音台上的插入母线。插图说明的是嘶声消除器的配置。

对于现场扩声来说这是个相当复杂的配置,所以如果压缩器内置有嘶声消除器,可能只是值得尝试一下。

“爆破音” 压缩
基本上与嘶声消除器相同,但是“爆破音“的频点(大约50Hz)将在均衡器上被提升来压缩从话筒带来的爆破音。

人声
在现场扩声应用场合,歌手经常会将话题放在离他们嘴巴很近的地方。这意味着话筒距离的细微变化将对音量产生很大的变化。有时候歌手可能趋向于大声呼喊,基于此,一些压缩处理能帮助我们得到更均匀的电平。另一方面,人们对人声上变化的听觉非常灵敏,所以压缩处理应该尽可能不易被人耳察觉。对人声的压缩处理通常会使用软拐点的设定,且根据应用场合使用3:1与6:1之间的压缩比率。启动时间应该快些,释放时间应该大约在0.4秒。对于最大声片段的电平衰减应该大约为5至7dB。对于摇滚型的人声,我们可以使用高达10:1比率的较重的压缩处理,使用硬拐点设定并高达15dB的电平衰减。
压缩处理的好处是得到某种温暖的感觉,如可以听到表演艺术家的低声细语。不过,其他的低电平人声噪音比如呼吸声和咂嘴声也同样被放大,所以有时需要使用噪声门(如果压缩器内置噪声门,可以使用)来对它们做消除或衰减。

原声吉他
(这些设定对原声电吉他同样有效)。启动时间应该设定在5-40毫秒范围内,释放时间大约为0.5秒。更慢的时间允许打弦声通过。压缩比率应该在5:1至10:1之间,并做大约5-10dB的电平衰减。

电吉他
一般来说,在扩声场合中,电吉他的声音不需要做压缩处理,因为吉他音箱和/或压缩处理踏板已提供了延音效应。但如有必要的话,启动时间应该在2-5毫秒范围内(如果一些重点需要保留可更慢些),释放时间大约为0.5秒。压缩比率应该约为6-10:1,并做8-15dB的压缩及硬拐点的设定。

对于放克类型的音乐,压缩处理应该跟高些,使用低的门限并使用大约6:1的压缩比率及软拐点设定。

低音鼓和军鼓
一般而言,应用在鼓上的压缩处理量相当可观,特别是如果鼓手的技术很不统一,击鼓产生的电平变化非常大。压缩比率应该设在4:1左右,启动时间设在1至10毫秒之间,如果我们需要加重打击声则使用接近后者的设定,这对于增强临场效果及增强低音鼓的深度特别有用。释放时间应该在20至200毫秒之间;并应始终比每次击鼓之间的时间要短。门限应该通过压缩电平表显示来设置,在最柔和部分只做少量压缩而在最大声的击打处做多达15dB的压缩。拐点应该是硬的。

通过声学鼓或电子鼓触发的从鼓机预录的或从鼓模块采样的鼓声只需要少量压缩处理,而真正的鼓组是通过话筒来采集鼓声的。

低音吉他(贝斯)
像电吉他手那样,(电)贝斯手一般会提供已经压缩的信号给调音师,那种压缩处理是他们声音的主要部分。无论如何,贝斯是摇滚和流行音乐的基础,所以它的电平不可以变化太大,这点很重要。尝试使用2至10毫秒之间的启动时间(更慢的时间可以突出弹击效果),并设置释放时间为0.5秒。压缩比率为4至10:1,硬拐点压缩,电平表指示5-15dB的衰减。

铜管乐器
启动时间为1至5毫秒,而释放时间约为250毫秒。使用硬拐点压缩,压缩比率6至15:1,并设置7-15dB的电平衰减。

合成器
一般来说,这些声音不会有大的动态范围,所以它们不需要大量的压缩处理。对于现场扩声,我们可以跳过压缩器,尽管有时不同的声音会有大大不同的信号电平。4:1的压缩比率对于提供最大声音的压缩应已足够。

普通乐器
我们可使用自动的时间设置,或者,如果没有自动的功能,则设置较快的启动时间和大约0.5秒的释放时间。压缩比率大约为5:1(软拐点),及大约10dB的压缩衰减。

最终混音
关于是否需要在主信号上使用压缩处理存在很多种观点。可以使用一些压缩处理来形成轻微的“抽气”效应并增加可感知的信号电平,使音乐更为刺激。理论上我们应使用一台多段的压缩器来实现。如果没有的话,我们可以使用快的启动时间(大约5毫秒)和最快的释放时间来避免产生过多地“抽气”效应。

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