1. Simulering av ett rums efterklang i surround

1. Simulering av ett rums efterklang i surround Sara Avén, Frida Norling, Fredrik Wictorsson 2010 Denna artikels syfte är att ge en överblick över en metod för att fånga ett visst rums akustiska karaktär, det vill säga dess efterklang. Rummets information tillsammans med ett reverb kan användas i olika sorters musik- och ljudproduktioner där man i efterhand vill kunna simulera just detta rum. För att sätta oss in i området har vi själva försökt simulera efterklangen i Operahögskolans studioteater med hjälp av rummets impulssvar. 1.1 Inledning Reverb är en av de mest förekommande effekterna i studiosammanhang och konvolverande reverb [se avsnitt reverb] är ofta anpassade för mono eller stereoinspelningar och förekommer mer sällan i surround. [1] Vi lockades av utmaningen att spela in impulssvaren med en ny teknik för surroundinspelning, och har på så sätt förhoppningsvis kunnat simulera rummet på en kvalitativ nivå med bredare användningsområden än för endast tvåkanalig musik. Artikeln börjar med att gå igenom en del bakgrund med begrepp som kan vara lämpliga att känna till för vidare läsning om vårt utförande. 1.2 Bakgrund 1.2.1 Surround sound system Historia År 1939 skapade Walt Disney filmen Fantasia, det var första gången världen kunden uppleva bio med någon form av surround ljud. Orkestern var inspelad med 33 stycken mikrofoner och mixades ner till 9 stycken kanaler. Detta spelades upp med hjälp av högtalare som förflyttades under filmens uppspelning och användes bara till filmen Fantasia, ingenting för gemene mans vardagsrum. [2] Det första kommersiella systemet kom 1970 i form av kvadrofonsystemet bild 1 [i]. Efter den lite tafatta lösningen med 4a högtalare i en kvadrat kom Dolby Labs, i samband med original filmen Star Wars 1977, med ett nytt system. Fyra kanaler med kanalerna left, center, right och surround, dessa placerade enligt bild 2 [ii]. Efter epoken med fyrkanaliga surround system kom slutligen Dolby med lösningar som gjorde flerkanaliga system möjliga och 5.1 blev standard i vardagsrummen. [3] Bild 1: Kvardrofonsystem med fyra kanaler

Bild 2: Surround sound system med fyra kanaler 1.2.2 Surround sound system Idag Idag är surroundsystem vanligt förekommande framför TV:n i hemmet. 1993 blev surround 5.1 en kommersiell möjlighet, det gjorde hemmabion till verklighet. Det finns många olika lösningar med högtalare men de mest förekommande uppställningarna är 5.1 och 7.1. 5.1 innebär att det är tre högtalare längst fram i form av höger, vänster och center. Vänster och höger högtalare ska stå i en riktning om 30 grader från centerhögtalaren. Två surroundkanaler placeras bakom lyssnaren med en surround vänster högtalare och en surround höger, dessa ska ha en vinkel på 110 grader från center högtalaren [4]. Den sista kanalen är en så kallad subwoofer som ger den lågfrekventa signalen, bild 3 visar uppställningen. I 7.1 system så läggs två surroundkanaler till bakom lyssnaren och resterande kanaler är kvar som i 5.1. Som bild 3 [iii] visar så finns det ett ställe där ljudet kommer att representeras perfekt, den så kallade sweet spot. I sweet spot kommer signalen från alla högtalare att ha rätt nivå och de olika signalerna kommer att uppfattas som att de kommer ifrån de inspelade riktningarna Bild 3: Surround sound system 5.1

1.2.3 Inspelning i surround Att spela in i surround är en väldigt ny teknik och något som man inte har gjort särskilt länge med tanke på hur länge stereo inspelningar har funnits [5]. Den största anledningen till detta är att 5.1 system ganska nyligen har blivit en standard. Vanligtvis när man ska spela in i surround så använder man sig av 5 stycken separata mikrofoner som sitter ihop på olika sätt i förhållande till varandra. Det är inte helt lätt att lyckas med inspelningen eftersom alla 5 kanaler ska fungera samtidigt och tillsammans skapa en ljudbild. Det finns flera olika sätt att spela in i surround på och det finns egentligen inget som är rätt eller fel utan allt handlar om vad man tycker låter rätt och det är något som är olika från person till person. Detta gör att man kan få samma rum inspelat på olika sätt [6]. En viktig faktor när man ska spela in en miljö är att placera mikrofonen i rummets kritiska avstånd, den punkt där det direkta ljudet och reverbet är lika för en bestämd källa. Om man har lyckats spela in i surround så kommer man inte bara att ha en bra inspelning av tillexempel en konsert utan man kommer få känslan av att faktiskt befinna sig på själva konserten. 1.2.4 Soundfield SPS200 Mikrofonen vi använde var en SPS200 sofware controlled microphone från Soundfield, mikrofonen släpptes nyligen och är en förbättring av den tidigare B-format mikrofonen. Skillnaden mellan A- och B-format mikrofonerna är att A-format är mindre och konverteringen från A till B format kan göras i den medföljande mjukvaran Surround Zone [7]. Mikrofonen består av 4 stycken mikrofonkapslar som vardera har ett sub-cardiod polar pickup mönster, en blandning av vanlig kardioid och rundstrålande mikrofon, för ljudupptagningen. Dessa är placerade i en tetraedrisk form i olika vinklar kring mittpunkten och kan därför ta upp signaler från alla riktningar det vill säga [8]: Left-Front - (LF) - Azimuth 135, lutning 35,3 Right-Front - (RF) - Azimuth 45, lutning -35,3 Left-Back - (LB) - Azimuth -45, lutning -35,3 Right-Back - (RB) - Azimuth -135, lutning 35,3 Efter inspelning får vi ut 4st monosignaler i A-format, dessa konverteras till B-format genom följande formler: X = 0.5((LF-LB) + (RF-RB)) Y = 0.5((LF-RB) + (RF-RL)) Z = 0.5((LF-LB) + (RF-RF)) W är en flerkanalig komponent som mäter trycket, denna fungerar som referens till de andra kanalerna och skiljs ur genom att man lägger ihop summan av utsignalerna från de olika riktningarna. W = 0.5(LF + LB + RF + RB)

Nu när B-format signalerna är separerade så har man möjlighet att styra signalen och ändra fokus på de olika kanalerna genom justering av azimutvinkeln, höjden och lutningen. Bild 4: Soundfield SPS200 [iiii] 1.2.5 Reverrb Reverb är en förkortning av reverberation, efterklang på svenska, och det uppstår när ljudet från en ljudkälla reflekteras mot golv, väggar och tak. Med reverb menar man själva effekten som gör att man kan simulera dessa reflektioner i efterhand. Från en ljudkälla hör man tre typer av akustiska element, först direktljudet som inte innehåller några reflektioner och sedan hörs de tidiga reflektionerna från närmaste ytor. Reflektionerna fortsätter att studsa i rummet och formar de sena reflektionerna. Efterklangstid är tiden det tar för ljudets intensitet att sjunka med 60 db. I de flesta fall sjunker de höga frekvenserna snabbare än de lägre, detta gör att de sena reflektionerna kan upplevas som dovare [9]. Digitala reverb är av två olika typer, traditionella och konvolverande. Traditionella använder matematiska algoritmer för att återge ljudet i en rymd med efterklang. För konvolverande reverb spelar man in en klapp eller ett sinussvep inuti ett rum. Då ett sinussvep används består den inspelade ljudfilen av ett svep (som i vårt fall gick från 20Hz-32KHz) tillsammans med rummets respons (reflektionerna i rummet) under ett visst tidsintervall. Efter att ha faltat sinusvepet mot rummets respons får man kvar ett impulssvar som en modell av hur efterklangen i just det rummet beter sig [10]. Modellen kan sedan appliceras på helt andra ljud genom faltning så att de upplevs komma från samma rum som sinussvepet togs ifrån. Detta kan då användas i musikproduktion och vid ljudläggning i film då man vill placera till exempel en röst i en annan miljö än inspelningsstudion. Ett annat sätt är att använda modellen för att analysera rum där akustiken behöver korrigeras.

1.3 Utförande Första steget var att välja lämpliga metoder för inspelning och bearbetning av impulssvaret. Då det finns välutvecklade program för att just bearbeta våra inspelningar valde vi att använda dessa istället för att själva programmera då vi behövde spara tid. Vi valde att spela in ett sinussvep istället för ett pistolsskott eftersom resultatet ofta blir bättre och risken för distorsion ska ske minskas med sinussvep. Eftersom vi hade tillgång till en Sound Field A-format mikrofon ville använda denna för att kunna fånga efterklangen i surround. Detta gav oss även möjlighet att kunna experimentera i efterhand med att ändra mikrofonens karaktär som att rotera, tilta och använda andra format som till exempel stereo. Det rum vi har använt oss av vid inspelning är Operahögskolans studioteater [11]. Den har en rumshöjd på ca 10 meter, scendjup på 10,7 meter och en scenbredd på 14 meter. När vi gjorde vår inspelning var rummet till största del nerplockad och gradängen var inskjuten, tyvärr fanns det ingen möjlighet att fälla ut den just då på grund av pågående repetitioner. Anledningen till att vi använde oss av just detta rum var att vi ville fånga efterklang från ett rum som var akustisk inrett och byggt för att få så bra akustik som möjligt. Sedan spelade vi in själva sinussvepet. För detta använde vi en laptop, en monitor som ljudkälla, ett flerkanaligt ljudkort och en mikrofon. Monitorn placerades i mitten på scenen i huvudhöjd riktad mot publiken och mikrofonen placerades i mitten på första raden i huvudhöjd riktad mot ljudkällan. Ett 15 sekunders sinussvep med frekvensomfånget 20Hz-32KHz tillsammans med 10 sekunders tystnad spelades in i A-format på 4 separata kanaler (LF, RF, LB och RB) i Logic Pro. Nästa steg blev att konvertera ljudspåren från A-format till ett mer lämpligt format för att kunna göra ett impulssvar av det inspelade sinussvepsvaret. Med soundfield mikrofonen medföljde en plugin som användes för att konvertera ljudspåren i A-format till 5.1 surround. LFE kanalen behövde vi inte då den här inte ger någon relevant information utan det vi använder oss av är 5.0. Kanalerna exporterades från Logic som de-interleaved för att enkelt separera de olika spåren. Kvar återstod 5 kanaler (L, C, R, LS och RS) som importerades till Waves 360 plugin. Denna användes för att göra våra ljudfiler med sinussvep till impulssvar. I pluggen beräknades även efterklangstiden i rummet till 1.3 sek. Efter att ha sparat denna preset kunde vi till slut använda studioteaterns impulssvar i Waves 360 tillsammans med önskade ljudsignaler vi ville placera in i rummet. Waves 360 använder nu våra impulssvar som råmaterial men vi kan även i efterhand ändra parametrar som efterklangstid, storlek med mera efter eget tycke då denna plugin är en hybrid mellan konvolverande reverb och traditionellt syntetiskt reverb [12]. Bild 5: Uppställning och inspelning i Studioteatern

Bild 6: Signalkedjan Följande utrustning användes i projektet: Hårdvara 1. Monitor - Genelec med en rak frekvenskurva 2. Mikrofon - Soundfield sps200 3. Laptop - Macbook 4. Ljudkort - RME Fireface800 Mjukvara 1. Logic Pro, Digital Audio Workstation (DAW) 2. Surround Zone plugin från Soundfield 3. Waves 360 convolution reverb plugin, bild 6 [iiiii] Bild 7: Waves IR360 Convolution reverb

1.4 Resultat Ja, hur lät det då till slut? Utan att ha ändrat några parametrar i efterhand och testkört några olika torra ljudfiler genom reverbet, tycker vi att kvalitén lever upp till många andra reverbinställningar med impulssvar från andra rum och är därmed helt klart användbar. Ljudexempel där först en helt torr signal spelas upp följt av samma signal genom reverbet finns att hämta här: http://dl.dropbox.com/u/13192136/surrounddemo.wav http://dl.dropbox.com/u/13192136/surrounddemodrums.wav På grund av tidsbrist valde vi att spela in med endast en mikrofonposition och en position på källan, monitorn. Detta medför att vårt resultat blir något begränsat. När vi använder reverbet har vi bara en lyssningsposition och panorering av en torr ljudkälla som körs genom reverbet. Detta kommer inte riktigt att överensstämma med den verkliga efterklang rummet egentligen har. Att rummet var nerstrippat och närmast tomt på folk medför även det en avvikelse man bör ha i åtanke. 1.5 Referenser Litteratur och Internet [1] http://web.uvic.ca/~timperry/elec499surroundsoundimpulseresponse/ Elec499-SurroundSoundIR-PreREVA.pdf [2] An introduction to Spatial Sound (1): The development of Surround Sound, sid 3-4 [3] An introduction to Spatial Sound (1): The development of Surround Sound, sid 5-6 [4] An introduction to Spatial Sound (2): The Current Standard: Dolby Digital, 5.1 and AC-3 sid 11-13 [5] An introduction to Spatial Sound (4): Recording in Surround - Spaced Techniques, sid 29-33 [6] http://www.dpamicrophones.com/ [7] http://www.soundfield.com/products/sps200.php [8] An introduction to Spatial Sound (5): Alternatives to 5.1 - Ambisonics and the Soundfield Microphone, sid 35-43 [9] Paul Gilreth (2010) Guide to Midi Orchestration 4th Edition. ISBN: 978-0-240-81413-1 [10] Impulse response utility manual (Apple) [11] http://www.operahogskolan.se/teatern/teatern.html

[12] Waves 360 manual Bilder [i] Bild 1: [ii] Bild 2: [iii] Bild 3: [iiii] Bild 4: http://documentation.apple.com http://www.hovirinta.fi/audio/monikanavatekniikat/multi-channel_audio.htm http://tech2.in.com/india/topstuff/home-theater-systems-hifi-tv /home-theater-fundas/14881/4 http://www.synthtopia.com/content/2007/03/24/surround-sound-microphone/ [iiiii] Bild 7: Screenshot av programmet Artikelförfattare: Sara Avén saraaven@kth.se Frida Norling fnorling@kth.se Fredrik Wictorsson frewic@kth.se Stockholm 2010-12-05