混響是音頻在數(shù)字信號(hào)處理當(dāng)中所能實(shí)現(xiàn)的最有趣的效果之一。這是一種使用數(shù)字方式進(jìn)行處理的效果，而對(duì)于模擬電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種混響效果則是非常難以實(shí)現(xiàn)的。
在數(shù)字信號(hào)處理被應(yīng)用在混響效果之前，人們是通過(guò)換能器來(lái)創(chuàng)建混響效果的，也就是在物理延遲元件的兩端分別使用一個(gè)揚(yáng)聲器和一個(gè)麥克風(fēng)。延遲元件通常是指一組金屬材質(zhì)的彈簧，也可以使用一塊懸掛起來(lái)的金屬板。
使用物理延遲元件來(lái)創(chuàng)建混響效果時(shí)，我們很難對(duì)聲音的變化做出控制。而且使用物理延遲元件來(lái)創(chuàng)建混響，并不是件輕松方便的事情。就拿使用金屬?gòu)椈勺鳛槲锢硌舆t元件來(lái)創(chuàng)造混響效果來(lái)說(shuō)，這是其中唯一一個(gè)還算是輕便，并且費(fèi)用較低的解決方案。
那么什么是混響效果呢？
首先，了解一下混響的定義：自然混響是指聲音在有限空間/密閉空間中，經(jīng)過(guò)表面的反射所產(chǎn)生的效果。聲音從其聲源處發(fā)出，以每秒1100英尺(約335米)的速度進(jìn)行傳播，并撞擊到密閉空間的墻壁表面，從而產(chǎn)生各種角度的反射。其中的某些反射會(huì)很快的傳播到我們的耳朵(也就是我們所說(shuō)的“早期反射”)，而其他的一些(沒(méi)有被傳播到我們耳朵位置的)反射會(huì)在這個(gè)密閉空間中繼續(xù)傳播并撞擊其他的表面，持續(xù)不斷的發(fā)生反射，直到聲波傳達(dá)到我們的耳朵。對(duì)于那些堅(jiān)硬且厚重的表面(例如混凝土墻面)來(lái)說(shuō)，聲波經(jīng)過(guò)反射后的衰減不會(huì)很大，然而對(duì)于那些柔軟的表面來(lái)說(shuō)，聲波中的很多的能量會(huì)被這些表面所吸收，尤其是聲波中高頻部分的衰減最為明顯。
房間的大小，墻壁的復(fù)雜性和角度，房間內(nèi)所擺放的物品以及表面的密度這些因素共同決定了這個(gè)房間的“聲音特征”。在使用數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，原始的延遲時(shí)間僅受到可用內(nèi)存的約束；而反射次數(shù)以及與頻率相關(guān)的效果(濾波)模擬器只會(huì)受到處理速度的制約。
接下來(lái)讓我們看一看兩種用于模擬混響的數(shù)字化方法。第一個(gè)就是：暴力法，也叫強(qiáng)制法。
混響效果是一種時(shí)變效果(即隨著時(shí)間的變化而變化的效果)。也就是說(shuō)混響效果其實(shí)跟我們所演奏的音符沒(méi)有什么關(guān)系，無(wú)論我們演奏的音符怎么變換，我們所得到的混響效果依然是相同的。時(shí)不變系統(tǒng)(即指特性不會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化的系統(tǒng))可以完全由其脈沖響應(yīng)來(lái)表征。是否曾經(jīng)站在一個(gè)空曠的大空間中(比如健身房或者是建筑物的大廳)，發(fā)出一個(gè)很短促的聲音(擊掌就是個(gè)產(chǎn)生短促聲音很好的方式)，然后我們就能夠聽(tīng)到這個(gè)聲音的混響效果在逐漸減弱。其實(shí)這個(gè)過(guò)程，我們就是在聆聽(tīng)房間的脈沖響應(yīng)。
通過(guò)脈沖響應(yīng)，我們能夠了解到有關(guān)這個(gè)空間的所有信息。通過(guò)那一下短促的擊掌，我們就能夠立即感受到混響的強(qiáng)度，混響消逝的時(shí)間以及房間的混響效果是否夠“好”。通過(guò)聆聽(tīng)房間的脈沖響應(yīng)我們的不僅可以靠自己的耳朵對(duì)房間進(jìn)行分類(lèi)，而且我們可以對(duì)混響進(jìn)行記錄并進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)分析。所以說(shuō)，脈沖響應(yīng)能夠告訴我們關(guān)于這個(gè)空間的所有信息。
脈沖響應(yīng)的之所以這么好用，是因?yàn)槊}沖在理想的狀況下是一種瞬時(shí)聲音，并且它在所有頻率上所承載的能量都是相等的。而當(dāng)聲波以混響的形式反射回來(lái)時(shí)，它所攜帶的信息就是這個(gè)空間對(duì)這個(gè)瞬時(shí)全頻脈沖的響應(yīng)效果。
脈沖及其響應(yīng)
在現(xiàn)實(shí)世界中，擊掌的聲音，氣球破裂的聲音，或者鞭炮爆炸的聲音，還有通過(guò)氣體的電氣放電的聲音都是脈沖信號(hào)。
如果將一個(gè)房間的脈沖響應(yīng)數(shù)字化，然后將其導(dǎo)入到聲音編輯軟件中進(jìn)行查看，它的形狀看起來(lái)會(huì)像是正在衰減的噪聲信號(hào)。在信號(hào)的密度達(dá)到一定程度之后，它會(huì)逐漸平滑地衰減到零。實(shí)際上，聲音空間越平滑這種衰減就會(huì)越平滑。
就數(shù)字音頻處理而言，我們很容易理解脈沖響應(yīng)中的每一個(gè)采樣點(diǎn)都可以被看作是脈沖的離散回波。
在理想的情況下，由于脈沖是單一的非零樣本，因此不難理解當(dāng)我們使用了一系列的樣本時(shí)(即在房間中播放的音樂(lè))，我們得到的響應(yīng)將是所有的樣本在各自的時(shí)間點(diǎn)上的響應(yīng)之和，這被稱(chēng)為疊加。
換句話(huà)說(shuō)，如果我們已經(jīng)擁有了某個(gè)空間的數(shù)字化的脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)，那么我們就可以輕松地將這個(gè)空間的特征添加到任何一個(gè)數(shù)字化的干聲音中去。
用脈沖響應(yīng)中的每一個(gè)點(diǎn)乘以樣本的振幅即可得出這個(gè)空間內(nèi)該樣本的響應(yīng)；因此我們只需要對(duì)被“放入”該空間中的每一個(gè)聲音樣本進(jìn)行乘法操作就能夠得到整個(gè)聲音樣本的響應(yīng)。通過(guò)這種方法，我們只需將結(jié)果疊加在一起，即可所獲得一系列(數(shù)量與我們使用的樣本數(shù)量相等)重疊的響應(yīng)。
這個(gè)方法十分簡(jiǎn)單，但是計(jì)算量卻非常的龐大。我們所輸入的每一個(gè)樣本都需要和脈沖響應(yīng)中所對(duì)應(yīng)的樣本相乘，然后再添加到混音中。
一種實(shí)用的數(shù)字混響方法
我們所熟知和喜愛(ài)的那些數(shù)字混響效果器都采用了和上面所述的不同的方法?；旧蟻?lái)說(shuō)，它們會(huì)通過(guò)多個(gè)延遲和反饋的使用創(chuàng)建出一系列密集的回聲，這些回聲會(huì)隨著時(shí)間的流逝而消失。
想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果，我們所需的基本元素/模塊都是差不多的，然而我們可以通過(guò)變量的設(shè)置和模塊組合的方式來(lái)獲得不同的結(jié)果，從而給我們的數(shù)字混響單元賦予獨(dú)特的聲音特征。
最簡(jiǎn)單的操作方法是使用單個(gè)延遲，將部分信號(hào)反饋到該延遲中，從而產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間逐漸消失的重復(fù)的回波(反饋的增益必須小于1)。
將類(lèi)似但是不同長(zhǎng)度的延遲進(jìn)行混合能夠增加回聲的密度，從而達(dá)到更加接近混響的效果。例如，如果我們將延遲長(zhǎng)度設(shè)置為不同的質(zhì)數(shù)，就能夠讓每個(gè)回波都落在其他回波的空白區(qū)域，從而提高整體的密度。
實(shí)際上，上面所說(shuō)的這種簡(jiǎn)單的操作方法的效果并不理想。如果我們想要獲得平滑的混響效果，需要使用的這種硬回聲的數(shù)量是非常龐大的。
同樣的，這種簡(jiǎn)單的反饋容易引起梳狀濾波效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致頻率被抵消，雖然這種抵消可模仿出房間的效果，但是也會(huì)產(chǎn)生ringing和不穩(wěn)定的效果。雖然是有用的，但是僅僅靠這些梳狀濾波器并不能夠?yàn)槲覀儙?lái)令人滿(mǎn)意的混響效果。
通過(guò)正反饋(反相)和負(fù)反饋的加入，我們可以對(duì)頻率抵消進(jìn)行填充，使整個(gè)系統(tǒng)變成全通濾波。全通濾波器能夠像之前的方法一樣帶來(lái)回波，但是其頻率響應(yīng)會(huì)更平滑。
它們能夠提供頻率相關(guān)的延遲效果，對(duì)輸入信號(hào)的諧波進(jìn)行涂抹，能夠讓我們獲得更接近于真實(shí)混響的聲音效果。梳狀濾波和全通濾波的組合(串聯(lián)，并聯(lián)，或者是嵌套)的循環(huán)延遲以及其他元素(例如，在反饋路徑中加入濾波器以模擬高頻吸收)的共同作用，能夠?yàn)槲覀兲峁┱嬲糜玫臄?shù)字混響效果。
