Reverb

Der Wavepurity Reverb Prozessor

Allgemeine Informationen:

Reverb kommt aus dem Englischen und bedeutet so viel wie Widerhall, Nachhall. Reverb Filter erzeugen einen Raumklang und können diesen mit dem Originalklang vermischen. So entsteht für den Zuhörer das Gefühl, in einer Konzerthalle zu sitzen.
Viele moderne Soundkarten bieten ebenfalls die Möglichkeit, Reverb Effekte zu erzeugen. Die Qualität der dort eingesetzten digitalen Signalprozessoren ist oft enorm. Allerdings gibt es ein wesentliches Problem: Man kann die Effekte der Soundkarte nicht zur direkten digitalen Signalverarbeitung benutzen. Im Notfall kann man bei Duplex-Soundkarten (Aufnahme und Wiedergabe gleichzeitig möglich) einen Titel mit Effekten abspielen und gleichzeitig wieder aufnehmen.

WavePurity bildet den Reverb Effekt über einen Software Algorithmus nach und kann so direkt Wave Dateien damit bearbeiten. Die Implementierung WavePurity Reverb Effekt Algorithmus basiert auf einer wissenschaftlichen Arbeit des

Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts
"The Virtual Acoustic Room", 1982
von William Grant Gardner, Master of Science

William Grant Gardner hat sich in dieser Ausarbeitung sehr ausführlich mit der akustischen Nachbildung von Räumen durch Allpass-Filtersysteme beschäftigt und Wege untersucht diese Filtersysteme durch digitale Softwarealgorithmen zu realisieren. Unter anderem zeigt er die konkrete Realisierung von 3 Filtersystemem zur Nachbildung kleiner, mittlerer und großer Räume. Die damit erreichbaren Klangschemen sind eng an "Klassenzimmer", "Auditorium" und "Konzerthalle" angelehnt.

Genau diese drei Softwarealgorithmen "Kleiner Raum", "Auditorium" und "Konzerthalle" wurden in WavePurity realisiert und können zur räumlichen Untermalung trocken klingender Aufnahmen benutzt werden.

Die Implementierung des Algorithmus mittels einfacher Allpass-Systeme erlaubt die Benutzung des Filters in Echtzeit, d.h. während WavePurity ein Musikstück an ihre Soundkarte sendet, hat WavePurity noch genügend Zeit, um alle Datenpunkte vorher noch durch das Reverb-Filter zu schicken. Es sei an dieser Stelle darauf verwiesen, daß hierfür eine CPU mit mindestens 400 MHz notwenig ist, um ein Stereo-Reverb-Klang in Echtzeit zu erzeugen.

Funktionsweise des WavePurity Reverb Filters

In diesem Abschnitt werden neben den Erklärungen eine Reihe Ausschnitte aus der wissenschaftlichen Arbeit von William Grant Gardner präsentiert.

1. Die akustische Nachbildung eines Raums in der digitalen Welt

Befinden wir uns in einem Raum, z.B. einer großen Konzerthalle, dann erreicht ein gesprochenes Wort, ein Geräusch oder Ton uns zum einen auf direktem Wege zugleich aber über eine Vielfalt von Echosignalen, nachdem der Ton an den Wänden, der Decke und an Gegenständen des Raums reflektiert wurde. Dabei treten auch Mehrfach-Reflexionen auf, die man im Normalfall als langsames Ausklingen eines Tons wahrnimmt. Gleichzeitig hat die Luft des Raums die Eigenschaft, tiefe Frequenzen besser zu übertragen als hohe. Denken Sie an ein Open Air Konzert, wo sie von weitem schon das tiefe Wummern der Boxen vernehmen, jedoch von weitem keinerlei hochfrequente Details hören. Das hat zur Folge, daß ein abklingender Ton in einer Konzerthalle mit der Zeit immer dumpfer erscheint. Denken Sie an das Innere einer Kirche, dort ist dies ganz deutlich zu hören. Jetzt haben wir schon zwei ganz wichtige Merkmale kennengelernt:

.Der Klang in einem Raum bildet sich aus der Summe vieler einzelner Reflexionen der Signalquelle

.Der Nachklang in einem Raum erhält eine zeitliche Dämpfung hoher Frequenzen durch die Absorption der Luft.

Man kann in der digitalen Welt nun theoretisch folgendes tun:
Wir benötigen eine signifikante Signalquelle, die ein möglichst kurzes präzises Geräusch erzeugt. Denken Sie an einen Händeklatsch in einer großen Halle. Diese Signalquelle nennt man technisch einen Dirac-Stoß. Es dürfte den nachrichtentechnisch ausgebildeten Lesern sofort eine Parallele zu elektrischen Signalsystemen auffallen. Dort ist bekannt, daß man mit einem Impulsgenerator das Systemverhalten einer elektrischen Anordnung prüfen kann, wie z.B. den Frequenzgang. Genau so funktioniert dies in der Akustik. Gelingt es uns, das Signal eines kurzen Tonimpulses in einer Konzerthalle digital aufzuzeichnen und auch die gesamte Nachhallzeit von vielleicht mehreren Sekunden mit zu erfassen, wissen wir "alles" über die akustischen Eigenschaften dieses Raumes.

Oben links sehen wir den Signalimpuls und rechts die im Raum aufgezeichnete Klangcharakteristik. Es gibt nun einen theoretisch einfachen Trick, der es uns erlaubt, die Charakteristik des Raums "exakt" auf einen "trocken" klingendes Musikstück anzuwenden und dadurch einen Klang zu erzeugen, als wäre diese Musik genau in dieser Konzerthalle gespielt worden. Dieser Trick heißt "Faltung". Man benötigt einen "Fifo", sprich ein first in first out Schieberegister, durch welches man die ankommenden digitalen Datenpunkte des Musikstücks schiebt. Das Fifo Register muß exakt die gleiche Länge wie das Klangsignal der Konzerthalle haben. In "jedem" Schritt führt man nun eine Multiplikation eines jeden Fifo Registerplatzes mit dem korrespondierenden Datenpunkt des Klangsignals aus und summiert alle Ergebnisse. Durch diese "Faltung" prägt sich die akustische Charakteristik der Konzerthalle exakt auf das Musiksignal auf. Als Ergebnis erhält man in jedem Schritt das Reverb Signal der Konzerthalle für diesen einen Datenpunkt. Soweit die Theorie. Hat man tagelang Zeit, auf das Ergebnis zu warten, dann ist dies der richtige Weg. In der Praxis ist dieses Verfahren selbst mit den heutigen superschnellen Prozessoren viel zu langsam und man würde es nie in Echtzeit ausführen können, denn wir müssen z.B. bei einer Nachhallzeit von 3 Sekunden und einer Datenrate 44.1 kHz für jedes Sample 132300 Multiplikationen und Summationen ausführen. In der Sekunden sind das dann 132300 x 44100 = 5.8 Milliarden Rechenoperationen - also praktisch überhaupt nicht anwendbar.

Deshalb hat es viele Untersuchungen gegeben, "Raumklang" durch einfache rückgekoppelte Systeme möglichst gut nachzubilden. Denken Sie an alte Karaoke Systeme, die teilweise bereits mechanische metallische Hallgeneratoren dafür benutzten. Aus heutiger Sicht sind derartige Systeme qualitativ und auch quantitativ aufgrund ihrer Baugröße völlig unbrauchbar. Heute sind kleine Käfer an ihre Stelle getreten, genannt DSP oder in Langform "digitale Signalprozessoren". Deren Architektur ist genau auf derartige Nachbildung bestimmter Effekte getrimmt. Heutzutage enthält schon fast jede Soundkarte so einen Baustein.

Aber es gibt noch einen zweiten Weg: Man kann Raumklang auch durch optimierte Softwarealgorithmen nachbilden. Dazu kommen sogenannte Allpass-Filtersysteme Einsatz, wobei zur Erzeugung eines Raumklangs mehrere Allpassfilter angeordnet werden, die sogar verschachtelt arbeiten. Was ist ein Allpass-Filter? Nun ganz einfach gesagt nichts weiter wie ein kompensiertes Comb-Filter (oder zu deutsch Echo-Filter). Letzteres ist nichts weiter als eine Verzögerung mit einer Rückkopplung, sprich ein Fifo, dessen Ausgangsignal mit einem bestimmten Rückkopplungsfaktor zum Eingang zurückgeleitet wird. Zum Beispiel besteht das WavePurity Echo Filter aus zwei Comb-Filtern.

Bei sehr kurzen Verzögerungszeiten enstehen logischerweise Interferenzen und Phasenverschiebungen bei bestimmten Frequenzen. Deshalb wendet man einen Trick an, das Originalsignal bewertet mit dem negativen Wert des Rückkopplungsfaktors vom Eingang auf den Ausgang überzukoppeln. So entsteht ein Allpass-Filter, daß diese störenden Effekte kompensiert.

William Grant Gardner zeigt uns nun in seiner Arbeit, wie man einen Allpass durch einen möglichst einfachen Softwarealgorithmus erzeugen kann:

Dieses Modul wird nun mehrfach benötigt, um einen Reverb Prozessor aufzubauen. Zusätzlich benötigt man einen Tiefpassfilter, der die Absorption der hohen Frequenzen durch die Luft im Raum im Rückkopplungszweig nachbildet. William Grant Gardner hat experimentell drei Raummodelle entwickelt, mit denen der Reverb Effekt für diese Räume sehr gut nachgebildet werden kann. Diese Modelle sind 1:1 im WavePurity Reverb Prozessor implementiert:

Die Schemen sehen verblüffend einfach aus - und einmal experimentell ermittelt -sind sie auch einfach zu implementieren, benötigen wenig Rechenzeit, und erzielen trotzdem eine extrem gute Nachbildung des Raumklangs.

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