Фаза, полярность и mid/side: куда пропал бас

Фаза и полярность: в чём разница

Полярность — знак сигнала. Если её перевернуть, каждый пик превращается во впадину и наоборот, на всех частотах одинаково. Такое делает кнопка ⌀ на канале микшера. Фаза — положение волны внутри её цикла относительно другой волны, то есть сдвиг во времени. Сдвиг в градусах зависит от частоты: одна и та же задержка даёт разные углы на разных частотах.

Путаница возникла не на пустом месте. Для одной чистой синусоиды сдвиг на 180° и переворот знака выглядят одинаково: сумма таких волн даёт ноль. Для настоящего звука, где частот много, это уже разные вещи. Задержка 1 мс — ровно полпериода на 500 Гц (180°, гашение) и ровно один период на 1000 Гц (360°, полное совпадение), расчёт простой: период — это 1/частота. Поэтому «фаза» в названии плагина часто означает переворот полярности, а слово «задержка» означает гребёнку.

Как слышится противофаза

Сложите сигнал с его перевёрнутой копией, и получится ноль. Это крайний случай, и в реальности чаще встречается частичная противофаза: один канал или один микрофон отчасти повторяет другой с обратным знаком. Тогда пропадает не весь звук, а его общая часть, то есть то, что одинаково в обоих каналах.

Лучше всего противофазу слышно по низу. Длина волны на 100 Гц — около 3,4 м, на 50 Гц — около 6,9 м (расчёт: скорость звука 343 м/с делить на частоту). Колонки стоят в пределах пары метров, и на 50–100 Гц это меньше длины волны или сравнимо с ней, поэтому при перевёрнутой полярности одной из них волны гасятся прямо в комнате. Типичные признаки: бас пропал или стал вялым, голос расплывается и висит «внутри головы». Так же звучит неправильно спаянный кабель наушников, подробности — в статье как проверить наушники.

Балансное подключение вообще построено на этом явлении: по двум жилам идёт один и тот же сигнал, но с обратным знаком, а на входе знак второй жилы возвращают. Помеха, одинаково легшая на оба провода, при вычитании пропадает. Про это — в разборе фантомного питания и балансных линий. Если на разъёмах перепутаны жилы, один из каналов оказывается перевёрнутым, и в моно центр вычитается; про разъёмы — в статье про XLR, джек и TRS.

Гребенчатая фильтрация: когда копия опаздывает

Сдвиг во времени даёт не тишину, а гребёнку. Первый провал у суммы сигнала и копии, задержанной на время τ, стоит на частоте 1/(2τ), затем на нечётных кратных: 3/(2τ), 5/(2τ). Между провалами тембр, наоборот, усиливается. На графике провалы похожи на зубья расчёски, отсюда название.

Откуда берётся задержка. Два микрофона на разном расстоянии от источника. Отражение от стола, пола или стены. Дубль, сдвинутый на несколько миллисекунд плагином расширения стерео. Разница путей в 30 см даёт 0,87 мс при скорости звука 343 м/с, а значит, первый провал около 570 Гц (расчёт): нижняя середина, где слышно «тело» многих голосов и инструментов. Такой звук часто называют «пустым» или «трубным». Исправляют не эквалайзером, провал от копии им не закрывается, а перестановкой микрофона или сдвигом дорожки.

Два микрофона и правило 3:1

Как только одно и то же слышат два микрофона, появляется гребёнка. Практика даёт правило: правило 3:1. Расстояние между соседними микрофонами делают не меньше чем втрое больше, чем расстояние от каждого микрофона до его источника. Так сформулировано в справочнике по микрофонной практике: правило помогает избежать гашения и проблем с фазой при сведении в моно. Работает оно потому, что на тройном расстоянии просочившийся звук слабее примерно на 9,5 дБ (расчёт: 20·log₁₀3, закон обратной дистанции), а слабая копия даёт неглубокие провалы.

3:1 — ориентир, не гарантия. Микрофон сверху и снизу малого барабана стоят близко и правила не выполняют: они смотрят на барабан с противоположных сторон: верхний микрофон «видит», как верхняя кожа уходит от него, а нижний — как нижняя кожа идёт к нему. Сигналы приходят с обратным знаком, поэтому один из двух обычно переворачивают. Это практика, не закон; решает слух и моно-сумма. Для оверхедов и бочки смотрите на задержку. Метр разницы путей — 129 семплов при 44,1 кГц (расчёт), и дорожку ближнего микрофона можно подвинуть назад на столько же, чтобы звук совпал по времени.

Тест полярности: как проверить за минуту

1. Сложите стерео в моно кнопкой на мастере и послушайте, не пропало ли что-то из центра.
2. Для двух дорожек одного источника: включите обе, нажмите ⌀ на одной и сравните «с» и «без». Выбирайте вариант, где ниже плотнее и тело сильнее, а не где громче в общем.
3. Для колонок и наушников: включите тест «в фазе / в противофазе». В фазе голос стоит по центру плотно, в противофазе расплывается, а низ слабеет.
4. Если сумма двух микрофонов всё равно «пустая», сдвиньте одну дорожку на несколько семплов и найдите положение, где тело вернулось.

То же с гитарой, записанной двумя способами сразу: линией (DI) и микрофоном у комбика. Микрофон, стоящий на 30 см дальше от источника, опаздывает на 0,87 мс — это около 39 семплов при 44,1 кГц и 42 при 48 кГц (расчёт). Если сложить обе дорожки как есть, получится гребёнка; если подвинуть дорожку DI на те же семплы, тембр соберётся. Порядок такой: сначала время, потом полярность, потом баланс.

Mid/side: кодирование и декодирование

Стерео можно хранить не как «левый и правый», а как «центр и бока». Mid — то, что одинаково в обоих каналах: M = (L+R)/2. Side — то, чем каналы различаются: S = (L−R)/2. Обратно: L = M+S, R = M−S. Деление пополам при кодировании нужно, чтобы цепочка L/R → M/S → L/R вернула исходные уровни; в других реализациях и кодер, и декодер умножают на 1/√2 (это те же −3 дБ на каждом переходе). Важно только, чтобы кодер и декодер были согласованы.

Из формул видно два крайних случая. Если L = R (чистое моно), side равен нулю. Если L = −R, равен нулю mid, и в моно получается тишина. Поэтому моно-проверка и M/S связаны напрямую: то, что вы слышите в моно, это и есть mid. Про раскладку по ширине — в статье про панораму и стереобазу.

M/S-микрофонная техника

M/S существует и как способ записи. Микрофон с кардиоидной диаграммой направлен на источник (mid), а второй, с диаграммой «восьмёрка», повёрнут боком (side). Капсюли ставят друг над другом как можно ближе. Левый и правый каналы потом получают матрицей: L = M+S, R = M−S, где второй знак — перевёрнутая полярность side.

Преимущества две. Если сложить L и R, side вычитается и остаётся чистый mid: источник моно-совместим по определению. Ширину можно менять уже при сведении, подняв или опустив side, если записаны оба сигнала отдельно. Родственный приём — пара Блюмляйна: две «восьмёрки» под 90°, идея Алана Блюмляйна, описанная в его британской заявке на патент 1931 года. Подробнее о «восьмёрке» и ленточных микрофонах — в статье про ленточный и ламповый микрофоны.

Собрать M/S из такой записи в обычной DAW несложно. Mid идёт на один канал и стоит в центре. Side дублируют на два канала: левый уводят влево, правый вправо, а на правом включают ⌀. Уровень обоих side-каналов задаёт ширину: чем он выше, тем шире картина; на нуле останется один моно-центр.

M/S-эквалайзер и моно-совместимость на мастере

Если разложить готовый микс в M/S, эквалайзер можно положить отдельно на центр и отдельно на бока. Самое частое применение — сделать низ моно: срезать side ниже 100–150 Гц, так что бас и бочка остаются в центре и не расползаются. Второе применение — добавить «воздуха» подъёмом верха на side. Оба приёма взяты из практики мастеринга, цифры срезов подбирают на слух под материал.

Риск у обоих один. Чем больше side относительно mid, тем хуже микс переносит сворачивание в моно. Поэтому правки на side начинают с небольших значений, а после каждой жмут Mono и сравнивают. Подробнее об общем порядке работы — в статьях про мастеринг трека и сведение по спектру.

Частые вопросы

Две одинаковые волны, сложенные навстречу, дают ровную линию. Именно в этой тишине и прячется бас, которого вы не слышали.

Механик

• Звукорежиссёр, музыкант, электронщик из Петербурга.
• Более 20 лет в музыке: дрим-поп, эмбиент, электроника.
• Рассказываю о фишках и техниках при создании музыки.
• Помогаю подобрать музыкальный сетап без переплат.
• Собираю аналоговые гитарные педали.

Вопросы — в Telegram.