延時效果及延時器

編譯/朱慰中

（廣東亞視演藝職業學院 電視制作系，廣東 東莞 523710）

延時效果及延時器

編譯/朱慰中

（廣東亞視演藝職業學院 電視制作系，廣東 東莞 523710）

闡述聲頻系統中的延時效果及其應用，介紹延時器的類型及其發展。

延時；聲波；聲源信號；梳狀濾波效應；頻率

延時器常常在音頻系統內使用。在需要延時效果時，這種設備使用得當與否，關系到擴聲效果的成敗。本文關注在什么場合、如何使用延時器以及使用什么樣的工具能夠得到滿意的結果，并介紹多款知名延時器。

1 相關理論與延時技術

1.1 溫度對聲傳播的影響

眾所周知，在20℃的干燥空氣中，聲波的傳播速度并不快，其速度為343.2 m/s（1 126 ft/s）。這相當于聲波傳播1 km要用3 s，或是用5 s傳播1英里。聲波在不同空氣密度中的傳播速度有顯著的變化，通常由于溫度的差別所引起的變化要比實際大氣壓的差別引起的變化大。這些速度上的變化可以使聲波從一種密度通過另一種密度時引起折射——猶如光線通過玻璃、水界面時所引起的那種折射。不用探究冗長繁復的方程式即可得出的結果是，在溫度差別200℃時，將會引起12 m/s（或39 ft/s）的速度差別，這相當于約4 m（13 ft）的距離差。音頻延時時間約為3 ms/m。聲波在暖空氣中的傳播較快，當聲波通過暖氣團，而在暖氣團上方帶有一個冷氣團時，將會把聲波向上折射到冷卻的空氣中，反之亦然。就像幾年前發生在英國Glastonbury音樂節的一種現象，由于大批熱舞的觀眾身體散發出熱量，圍繞場地外圍測得的聲壓級要高于觀眾區域內的聲壓級。

音頻頻段在343.2 m/s速度時的波長，在20 Hz時為17.16 m，而在20 kHz時縮短至17.2 mm——只要把聲速除以頻率即可得出波長。此外，不僅聲速與溫度有關，頻率也與溫度有關聯。如果某一系統在室內22.50℃時產生一個1 kHz的駐波，當溫度升高至33.60℃時，頻率將會偏移18 Hz左右。這種溫度梯度（或變化）在空調關閉的劇院內或在夏天的露天演唱會上是有可能發生的。當同時聆聽某個聲源信號和一個頻率下移約12.5 Hz的拷貝聲時，會聽到類似“差拍”的聲音，這種聲音的聲壓級出現波動起伏有些像老式螺旋槳飛機飛過頭頂時的那種聲音。頻移高出15 Hz時，則音調是被融合的，但聲音粗啞刺耳。如果聽者就坐在廳堂后座高處的包廂內，此處的溫度要比舞臺口音箱處高數度，聽到的聲音是來自某只延時的音箱以及某只舞臺主音箱，那么兩者之間所產生的頻移將導致一種粗啞刺耳的聲音。

1.2 關鍵性的理論依據

低速的聲波需要對聲音加以延時。例如大型室外演出場所應用音箱塔作延時，或是對劇院內用包廂下的音箱做延時。不過，也有把延時時間設定在零點幾秒或更長些，會使效果更為明顯，有時，更短的數十毫秒的延時也會產生不尋常的效果，并使效果更為突出。因為人耳可以鑒別出低至7 μs的差別。人耳的響應比起在給定的時間間隔內所出現音頻的變化較為遲鈍；低于35 ms的延時可使人耳感知得以積累，人耳綜合了在短時間區段內抵達室內表面的反射聲，這就是為什么室內聲響要比室外聲響較強的緣故。

一般來說，低于20 ms以下的延時會引起聲像漂移及聲染色，因而會影響可懂度。非常短的延時會引起梳狀濾波效應，這時兩個音頻波形相互疊加和抵消，使相互間引起干涉，產生一種看上去像梳子的齒狀那樣的頻率響應。這種響應有時被音樂人用作一種效果，人們常稱之為“鑲邊”聲。

約在10 ms ～ 20 ms的延時被證實極為有用，因為可以產生優先效應，或稱之為“哈斯”效應，這是以驗證該效應的一人的名字命名（哈斯并不是惟一的驗證者）的。延時與心理聲學極為有關。人耳對聲波波陣面到達時間上的差別極其敏感，人的雙耳間距（約180 mm）可以讓大腦鑒別出最接近聲源的耳朵與遠離聲源耳朵之間的時間差——稱之為“兩耳時差”。究其要點，如果聆聽者在一對音箱前聆聽，那么，人耳將會對到達人耳的第一個聲波波陣面的聲音，也就是來自聲源的直達聲進行鎖定。在規定的時間間隔內（人所共知的融合區），人耳不能把來自其他方向的聲音當做獨立的空間事件。

就此而論，當人們席坐在一對音箱前方的中央（例如坐在家中高保真音箱前），用相同的聲壓級播放單聲道聲音，那么聲像將會游蕩在一對音箱的中間的前方，也就是在人們的正前方。如果把送至一只音箱的信號逐步增加至1 ms的延時，那么聲像將會從中心向未延時的音箱那里顯現，直至增加延時達30 ms時，聲像將會停留在那里。當把被延時的音箱的聲壓級提升時，出現了有趣的現象：在此期間，未經延時的音箱（仍然顯現占支配地位的聲源以及在那里出現聲像）的聲壓級隨之增加。直到大約有10 dB的差別時，聲像才返回到實際被提升聲壓級的那只音箱上。如果家中有一套立體聲音響設備，只要在一個聲道內用一臺延時器作試驗，就可以驗證。

這一現象在劇院內獲得了極好的效果，因為這樣能保證聲音從演員所在舞臺上準確地發出，觀眾不會感到是從音箱里發出的。如果一個劇場，在其舞臺上方裝有一組點聲源音箱群（觀眾會認為聲音是從演員那發出的），要在距舞臺30 m處的一個包廂下方的音箱使用延時方式，則音響設計者通常把此音箱延時3 ms × 30 m=90 ms。這樣會使聽眾注意到來自包廂下的聲音，但并不明顯（除非其聲壓級比舞臺音箱強得多時）。在此基礎上，再增加20 ms的延時，就將會把聲像拉回到舞臺口（也就是舞臺上的演員那里），這樣可使聲壓級增加到能充分地到達后排座位處。用更多的音箱和復雜的延時系統，有可能把圍繞在觀眾席的聲像移動到與演員的位置準確匹配。基于同樣的原理，有時也在錄音時把某種聲音圍繞著立體聲聲像本身作聲像移動——這是一種少見的做法，卻可以實實在在地“安排在混錄中”。

在融合區內使用延時和單次反射有助于提高可懂度，并為心理聲學提供有用的工具，超過35 ms ～ 40 ms的延時則可聽到回聲。如果有多次反射，那么那些延時的組合稱之為“混響”——這在固定安裝的擴聲系統中通常是令人頭痛的事，不過，對于音樂人和錄音作品而言，卻正是期望得到的效果。

1.3 延時器技術的發展與硬件

1.3.1 模擬技術產品

早期的延時器不外乎使用彈簧延時線或模擬取樣電子款式，基本上基于模擬濾波器制成。直到1980年才出現了數字款式。彈簧變形引用金屬彈簧的字面意思命名，在它的一端振動，其振動取決于彈簧的張力和長度，稍后，在另一端傳感器上產生振動。它們受到帶寬的限制并易受物理干擾的影響（例如在其機箱頂部放上一大杯咖啡），但有其獨特的質量。它們曾被許多歌手使用，對歌手的歌聲加入稍許不同的色彩——甲殼蟲樂隊的約翰·列農就是一個顯著的例子。彈簧混響獨特的音色質量，及其在許多音樂風格歷史上的重要性，促使國際音頻技術學會（AES）一些會員利用現代DSP技術作為修飾聲音的手段。探索彈簧混響產生的像蟲鳴般的響應不是試圖去產生彈簧的物理振動，而是研究如何使用參數模型來復制它們的聲音，允許調節諸如延時時間、各類聲響的頻譜形狀以及衰減比率等參數。

老式的模擬技術不僅受到彈簧和濾波器等的限制，磁帶錄音機也存在很大問題。在多聲軌磁帶錄音機上，偏置錄音與放音磁頭曾是產生和聲效果及“鑲邊”聲等廣泛采用的方法，“鑲邊”效果采用一種梳狀濾波效應，用兩條同樣素材聲軌在同步放音時，錄音師用一個手指摩擦一個磁帶帶盤，使一條聲軌相對于另一條產生輕微的相位差。

1.3.2 數字技術產品

在擁有廉價的閃存和DSP的今天，在設定延時、回聲和混響時，只要按下某個按鍵，就可輕而易舉地達到毫米級的精度。幾乎所有的數字調音臺，包括像Yamaha 02R或Soundcraft Si16那樣的小型數字調音臺在每條通道內均設有延時器——雖然可能只有100 ms或稍長些的延時時間。

Peavey、Rane、BSS、Symetrix、Biamp以及Bose等公司擁有功能齊全的DSP制成大量的延時器。盡管要耗用工作存儲器，但是許多程序應用軟件可用表頭指示已有多少存儲量用于延時，還有多少存儲量可被利用。

DSP的導入——諸如Cobranet或EtherSound以及DSP本身等的數字音頻的傳送，通常是無需延時的，它們有內置的延時處理器，會使驅動處理器的數字時鐘以實際速度運行，即大家熟知的等待時間。通常規定其總量（典型為5.25 ms）后就能從事工作，但是由模擬和數字組成的混合信號設備需要有一點規劃。當然，延時器系統也是音箱處理的必要部分，可以確保來自雙功放/三功放揚聲器的信號具有一致的波陣面，需要特別注意，數字音箱處理器可能會引入不在計劃內的延時總量。

1.4 音視頻同步問題

在提到視頻與廣播時，延時器起到一種決定性的作用。不具有當地時間控制標記的視頻信號源（例如遠距離的信號源）要通過一臺同步器，它需要用一幀視頻來做有效的緩存，然后按照本地的同步鎖相裝置來釋放那些幀，以此來提供同步——這一方法可以把任何地點的任何視頻信號源組合在一起同步。然而按照傳統方式，音頻是以實時和未經緩存的方式到達的，因此，將會先于視頻到達。一幀畫面的延時并不顯著，但是長長的傳輸鏈會有許多幀延時，這樣就會出現音視頻口形同步上的誤差。

所以，此后就出現了用數字硬件處理的應用市場，且大多數用獨立的延時器來解決這一問題。使用兩條或四條通道的延時器并不復雜，大多數延時器是與其他的效果處理功能整合在一起的。

2 知名延時器廠商與產品

2.1 艾利斯（Alesis）

艾利斯MicroVerb4（見圖1），廣泛應用在較小的演播室。它提供200種立體聲效果（外加100個用戶自定義），其中包括混響、延時、合唱及“鑲邊”聲等。要獲得更多靈活性，MidiVerb 4可以使用它的32種效果算法的組合來產生稠密度、自然混響、濃烈合唱、“鑲邊”聲、延時、定調效果以及多達3種同時產生的多重效果等。它共有256種內置程序，外加128種可由用戶創建的效果，還有許多真實的立體聲并行處理功能。如果想要有簡易型，那么Nanoverb是一款只有1/3機身寬度的、使用24 bit DSP的處理器，它能提供超過20種延時、混響甚至還有旋轉式揚聲器模擬裝置等效果。

2.2 雅馬哈（Yamaha）

雅馬哈（Yamaha）SPX幾乎與舒爾SM58傳聲器一樣，近十幾年來已經成為各類租賃公司和演播廳內的常備工具。其系列包括SPX90、SPX90II、SPX900、SPX1000 或SPX990（隨之而來的是SPX2000，見圖2）。它繼承了來自前輩產品的標準接口及通用程序，而且還增加了先進的REV-X reverb算法及24-bit、96 kHz音頻處理功能。它還提供更為靈活的具有五種可分配的LCD彩色背景光、操作鎖定方式以及電腦編輯等功能的用戶接口。

對于較為簡單的延時、調制和混響效果來說，REV100具有99種預置效果，并能用前面板控制部件來輸入所有的參數。可輸入起始延時、混響時間、高頻阻尼參數、輸入電平以及干/濕平衡調節等。它能提供足夠的用戶存儲器，可以讓用戶配置變成簡單的存儲及調用。

2.3 貝林格（Behringer）

盡管貝林格（Behringer）在音頻界曾一度名聲不佳。不過，該公司的產品由于具有相當的堅實和可靠性以及很高的性價比，所以，在租賃公司或演播廳還能找到它的產品。近來，因為該公司集中關注模擬與數字產品的設計，使得一系列產品具有良好的性能。其在真實性及感知度方面所具備的質量，想必是獲得Midas-Klark Teknik集團的星級品牌的原因。在效果器陣營內，Virtualizer Pro是其強項，目前的牌號為DSP2024P。它提供通用混響，典型的磁帶回聲，包括降噪器、壓縮器和噪聲門等的動態效果器，聽覺心理學方面的增強器、激勵器、濾波器、聲音畸變器，以及含有和聲器在內的放大器效果等一系列的效果。這些均使用71種效果算法，在48 kHz、24 bit的DSP上運行，而A/D和D/A轉換用24 bit及64/128倍過采樣，所以只有很小一部分質量受損。其處理能力可以在實時方式下同時用多種效果加以覆蓋。除了DSP2024P以外，還有兩種較小型的設備。Virtualizer Pro 3D型號功能更強，它可提供3D效果并能精確地仿真聲學環境（使用“實時聲音模型”技術）。Minifex FEX800是一款精巧的立體聲多功能效果處理器，有16個預置，其功能包括混響、延時、合唱、“鑲邊”聲、移相、旋轉式揚聲器、移調器以及多功能效果等。

圖1 Alesis MicroVerb4效果器

圖2 Yamaha SPX2000(上)和REV100產品

2.4 TC電子（TC Electronic）

擁有更為先進的延時處理的TC電子公司開發了D-Two產品（見圖3）——一種多節拍敲入旋律延時器。它具有一種音樂旋律節拍敲入特點——不僅在節拍上，而且實際旋律的模型按照指定的節拍和分部變奏來直接敲入（或稱為量化），每次延時及旋律模型可以長達10 s時間。它使用24 bit的轉換、DSP以及24 bit的存儲器——有時不是所有廉價的處理器都能勝任這一工作。設備原理基于使用反饋回路的延時線。音頻信號經由回路返回，故可得到重復。其延時/反饋的構架與普通的延時器產品有所不同，那些多次的重復是用許多的節拍敲入來產生，而節拍敲入不會返回到延時線上。這樣就可以使延時器輸出規定數量的重復次數，也就有可能把最后的節拍敲入返回到延時線上，從而產生一條完整的旋律音序，在反饋控制時旋律就被重復。

該公司的Fireworx效果處理器（見圖3）有一系列可以利用的效果。除了有一個5段參量均衡之外，全部使用標準的反饋發送及返回、雙路聲調移調、噪聲及無序聲發生器、環形調制器以及六節拍敲入延時器等。它用一個8×8位置路由格來實現那些功能。用戶把算法放在格柵的任何地方，則會根據位置把它們自動地用并聯和串聯的方法“連線”在一起。這是一種動態資源分配系統，可以監視已經使用了多少DSP容量以及算法是否可以在受到限制之前繼續增加。當所需要的算法組合在格柵上被選定之后，則所有的編輯工具均可被利用，包括一個獨特的修飾矩陣，能讓用戶動態地轉換參數選擇。

2.5 萊思康（Lexicon）

萊思康（Lexicon）為哈曼集團的一種產品品牌，在效果器處理方面已有較久的歷史。早在1971年它即為首先實現數字處理的產品之一。它與其他的哈曼集團產品（例如聲藝（Soundcraft）調音臺合作開發了各種效果的處理，將一系列處理器的研發瞄準現場擴聲或演播室市場以及用于數字音頻工作站（DAW）的插件程序等。它的PCM 96（見圖4）為兩通道設備，配備有1 200個工廠預置效果，而且還可讓用戶在音頻流程的一些補充點上加入多種方式的濾波器，以便更精確地修正混響。它還具有“無限量”的轉換，可使混響連續運行，為創造獨特的背景及聲音效果提供了有用的工具。

萊思康還有一種新穎的房間算法（room algorithm），支持一種可供選擇的回旋式混響。其反射模型可被方便地選定、縮放和均衡，所有這些可以同時通過音頻，它們還能顛倒并與某個傳統的混響相組合以便延長其衰減或為某種空間帶來一種強烈的活躍度。該設備適用于錄音棚，設備具有模擬輸入/輸出，也有AES/EBU、MIDI、以太網及火線接口，并且能為數字音頻工作站用作一種插件程序。

萊思康的PCM91數字混響器則專注于流動演出使用，它具有老產品PCM 90的全部功能。新增的功能包括全部的AES/EBU和S/PDIF的I/O、雙混響算法及新的具有動態三維空間的預置，供兩通道或環繞聲應用。所有雙混響算法——共有10個雙混響及5對立體聲——以及預置為內置；早先在一張PC卡上可利用PCM 90。它有450個預置以提供真實世界的聲音應用。

2.6 Sonifex品牌

Sonifex這個名稱使用了極為接近廣播的同義詞, 是少數僅制造延時器產品的制造商之一。在它的“紅盒子”系列中共有三種延時器，設備內根本不設其他效果。該系列之一的RB-DS2（見圖5）是一種立體聲音頻延時同步器，用于音頻跟隨視頻再同步時的延時處理，例如其中有標準轉換、傳輸延時、專用標志插入、視頻屏幕高寬比轉換以及網絡延時等。它接受規格高至96 kHz、24 bit的數字音頻信號，具有平衡模擬及AES/EBU數字兩種I/O。它也可作為一臺組合的A/D和D/A轉換器, 這意味著模擬輸入可以被延時而輸出為AES/EBU數字信號，反之亦然。它可用作立體聲延時器，當然也可以用作雙路單聲道延時器或只用作單聲道延時器。它可作為一種標準，在96 kHz、24 bit下提供10.5 s的延時，在48 kHz、16 bit下提供42 s的延時。此外，它有一個內部精巧的閃存擴展器可提供2 GB的存儲，可用來處理提供超過4 h的延時時間。這樣能使某個節目跨越不同的時區進行播出，或者把某個廣播節目延時1 h后作衛星播出。觀察它的由來與發展，設備提供的延時時間可以被選用至取樣、場、幀以及更為常用的毫秒級的延時。

Sonifex系列之二的RB-DD4是一種4通道的設備，它有該系列其他產品許多相同的特點，但它是專為4個單聲道通道的配置而設計的，而且4個通道可以被鏈接在一起工作。與S/PDIF 和TOSLink接口的連通性得到增強，其數字音頻輸出可以與如下的任何一種輸入同步：附加的AES/EBU參考輸入、TTL字時鐘的BNC輸入、模擬/SDI視頻饋入（如果使用附加的RB-SYA或RB-SYD板）或是本地的主時鐘等。

圖5 Sonifex RB-DS2延時器

該產品系列的另一種延時器為RBPD2，這是一種為直播節目播出應用的立體聲音頻延時器，它可以防止污言穢語等禁止播出的素材被直播播出。它裝有一種自動音頻延伸算法，允許在直播時有2 s ～ 55s的延時，同時在按下某個按鍵時仍能維持正確的音調。在小型閃存卡上播放預選的音頻文件時，會將這種延時形成一種習慣。當節目完整后，音頻延伸算法會精確無誤地把延時縮減至零。

該設備提供從音頻輸出端刪除任何不需要的素材的幾種方法。一種是所謂的咳嗽功能，可以啟用專用的前面板上的按鍵，使錄制場所內出現的咳嗽聲或設備的開關噪聲等不被加入到輸入端。還有一種在前面板上可以啟用消除功能的按鍵，共有兩種不同的方式：一種是用已經被緩存的預選總量的一部分音頻加以刪除；第二種方式是在小型閃存卡上播放預選的音頻文件。當文件完成播放時，則延時時間等于文件的持續時間。此功能可以多次使用，可以實現組合延時以及一次延時用途，設備可以自動地開始重建原始的延時時間。作為最后一種方法，所有被緩存的音頻在啟用放棄功能時用按下并保持按鍵的方法而被丟棄。要返回到正常播出，延時器可以在按下一鍵后快速關閉。

2.7 貝爾數字音頻公司（Bel （Digital Audio） Ltd）

貝爾數字音頻公司像sonifex公司一樣，擁有著相似的延時器市場，該公司也已有多年的歷史，早在1980年就有BD80系列的產品，目前提供“7150”及“8150”。“7150”是一種立體聲延時器，可以把立體聲延時長達10.4 s（或260幀PAL制，或312幀NTSC制）。設有8種自定義設定，可被存儲在存儲器內并可在本地或通過邏輯輸入遙控。能同時提供模擬及AES數字輸出，因而也可作為模擬至數字或數字至模擬的轉換器。AES輸出可以與外部的AES參考輸入相同步，是一種“比特精度”的方式，可以讓AC3和杜比E信號延時。

“8150”是專門為音頻與視頻相同步而設計的一款延時器，為后期制作提供VT編輯及視頻效果器的延時需求。考慮到視頻延時可能是恒定的緣故，或在使用時并不需要經常更改延時。它有8個獨立的模擬和4個數字AES I/O，此外還可以作為D/A或A/D轉換器使用。每一對立體聲延時線可根據場頻不同（PAL或NTSC制）而從0～15場之間變化，在每一對立體聲上裝有輸入電平控制、峰值LED指示燈以及AES鎖定指示燈。

2.8 Out Board公司產品

或許最為先進的延時系統要數英國Out Board電子公司制造的UK-TiMax（見圖6）。該系統圍繞DSP結構設計而形成一個延時矩陣，使各種聲源相對于各種不同的輸出進行延時，使擁有多只揚聲器的大系統內能真正地、最大限度地利用小延時器的效果。最新的款式為TiMax2 SoundHub，它用16×16～64×64在2U內實現的I/O配置，同時還能提供參量均衡、網絡化及區域控制，外加內置的多通道硬盤播放設備等。

隨著延時矩陣DSP處理器技術的發展，還有一種用專用的PC機及蘋果機軟件提供顯示控制即“控制域移動”功能，它能幫助音響設計師不是憑經驗而是發揮創造性，在系統內對各種信號源至揚聲器做獨立的時間校準。

控制域移動的基礎被TiMax稱之為“聲像清晰度”，它由音響設計師創造出在觀察設置時提供一系列的相對電平，用揚聲器距聲像中心的距離來給出延時值。聲像中心是一只“計時起點”揚聲器，或是一種諸如人聲或樂器聲等的聲源。給每一只聲像中心的擴聲揚聲器安排延時時間，要使這些揚聲器的輸出被延時到主聲源之后出現。

在軟件內部有可能把輸入聲源拽回到聲像清晰度中間，這樣就有一種圍繞空間做聲像偏置的效果；這些聲像移動可被記錄并以逐點提示方式自動地回放。軟件會連續地計算為獲得本地色彩需要什么樣的多級電平和延時值。然后指令硬件以實時方式去設置或稍稍移動這些值來獲得靜態的本地色彩或是活躍的聲像偏置效果。

為在演出期間能處理所有這一切，可以用基于演出控制環境的簡單易懂的演出清單來操控提示信號，提示信號可以被設置成來自MIDI、SMPTE、RS232 或一種內部的時間線那里的觸發。要使演員們的無線傳聲器的聲像完全自動化，TiMax Tracker（跟蹤器）選項使用短距離UWB雷達圍繞舞臺跟隨表演者，并連續不斷地改變它們的矩陣變換的延時時間，以保持實時狀態下的本地色彩。

圖6 Out Board電子公司UK-TiMax延時系統

（本文編譯自《lighting & Sound International》雜志2010年12月刊《The Effect of Delay》一文。）

（編輯 張 翔）

The Effect of Delay and Products

Translate/ZHU Wei-zhong
（TV Production Apartment, Guangdong ATV Professional Academy for Performing Arts, Dongguan Guangdong 523710, China）

The paper explained the effect of delay and its application in audio system, and introducted the style and development of delay.

delay; sound wave; source signal; comb fi lter; frequency

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.03.004