Эмуляция гитарного кабинета с применением КИХ-фильтров

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.