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Workshop: Faltungshall und Impulsantworten selbst erzeugen

27. März 2018

DIY: Alles über Faltungshall

Workshop: Faltungshall und Impulsantworten selbst erzeugen

Workshop: Faltungshall und Impulsantworten selbst erzeugen

Faltungshall und Impulsantwort – bei diesem Worten fallen wohl jedem, der im Studiobereich arbeitet, sofort ein paar Plug-in Namen ein, allen voran sicherlich ‚Altiverb‘ (siehe Test). Aber was für eine Technologie steckt eigentlich hinter diesen sehr natürlich klingenden Hallgeräten, was macht gute oder schlechte Faltungshall Plug-ins aus, und kann man mit Hausmitteln selber einen Faltungshall erstellen und nutzen? Diese Fragen werden in unserem AMAZONA Workshop ‚Faltungshall‘ untersucht und beantwortet werden. Dazu zunächst die Theorie, damit wir überhaupt wissen, zu was ein Faltungshall fähig ist – und zu was eben nicht. Um eine begriffliche Klarheit zu schaffen, werden erst die drei wesentliche Begriffe erläutert: Faltung, Ent- oder besser Rückfaltung und Impulsantwort.

Der Begriff Faltung ist ein mathematischer und beschreibt die Verrechnung zweier Signale miteinander, worunter eben auch unsere Audiosignale fallen. Diese sind eindimensionaler Natur, rein mathematisch betrachtet. Es gibt für jeden Zeitpunkt des Signals nur einen Wert – dessen Amplitude, was natürlich nichts über den Informationsgehalt für unser Ohr aussagt. Wer noch die alten EMU Sampler kennt weiß, dass es dort eine spezielle DSP-Funktion namens ‚transform multiply‘ gab, welche eben genau die Faltung zweier Signale bewerkstelligte.

Die Faltung des Halls/Reverbs

Im Zeitbereich sieht eine Faltung vereinfacht folgendermaßen aus.

y(t) = Σ a(i) * s(t-i)

Dabei beschreiben a(i) und s(i) die einzelnen Samples des jeweiligen Signals. Und t ist ein diskreter Zeitpunkt unseres Audiosystems. Falls eines der beiden Signale länger ist, wird das Kürzere einfach mit Nullen aufgefüllt. Toll. Da das nicht unbedingt anschaulich ist, wird dieser Prozess in folgender Animation dargestellt.

Die Spitzen stellen jeweils einen Sample-Wert dar. Das gelbe Sample hat seinen ersten Wert rechts, das blaue seinen ersten Wert links. Die beiden Signale prallen also wie die Rammböcke mit ihren Köpfen aufeinander. Natürlich müssten die Spitzen aufeinander ’springen‘, ist aber für das Auge anstrengend und sieht in der Animation nicht so toll aus.

Zurück zur EMU DSP-Funktion ‚transform multiply‘. Diese gibt hier eben nur ein mögliches Ergebnis aus. Und das ist der entscheidende Unterschied, das eine Signal zieht an dem anderen eben nicht vorbei.

Da es meist etwas schwierig ist, den eigentlichen Effekt der Faltung im Zeitbereich zu beschreiben, kann man sich das anschaulicher im Frequenzbereich vorstellen. Man kann Blöcke oder Fenster eines digitalen Audiosignals mithilfe einer Transformation, der sogenannten Fourier-Transformation, in den Frequenzbereich übertragen. Hier ist das Signal dann nicht mehr durch Zeitpunkt und Amplitude beschreiben, sondern durch die Frequenzverteilung innerhalb einer dieser Blöcke. Man kennt diese Darstellung z.B. aus dem Winamp-Display. Diese Blöcke sind genauso auch wieder in der Zeitbereich rückführbar.

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Balkendiagramm einer FFT-Analyse – das Frequenzspektrum

Zurück zu unserer Faltung: Übersetzt man beide Signale in den Frequenzbereich, so wird aus der Faltung mathematisch gesehen eine Multiplikation. Man hat also zwei Blöcke, deren Amplituden man bei gleichen Frequenzen miteinander multipliziert, um daraus einen neuen Block zu erhalten. Danach wandelt man diesen Block wieder in den Zeitbereich, was mittels der Inversen-Fourier-Transformation geschieht. Tatsächlich arbeiten die meisten Faltungshall Plug-ins nach diesem Transformation – Rücktransformationsprinzip, da es nicht sonderlich komplex ist und man nur Rechenpower braucht und eben nicht ausgeklügelte Algorithmen.

Die Rückfaltung des Halls

Unser virtueller Faltungshall braucht aber auch eine Rückfaltung, die sich nun sehr schön erklären lässt. Habe ich also die Blöcke A und B zum Block C gefaltet, kann ich aus dem Block C und A durch Rückfaltung wieder Block B erhalten. Das Gleiche gilt auch für die Rückfaltung von Block C und B zu Block A. Die Rückfaltung ist also nicht eine gänzlich andere Rechenoperation, sondern lediglich eine Faltung mit dem inversen Filter.

Impulsantwort

Nun gut Faltung und Rückfaltung, was will uns diese Werbesendung sagen? Bis jetzt ging es ja nur um rechnerische Grundlagen, wie man zwei Signale miteinander verschmilzt. Wir möchten aber unser Audiosignal im Mix mit einem Hallraum versehen. Wie bitte sieht denn nun aber der Klang eines Raumes aus? Den kann man doch nicht spielen wie ein Klavier – oder etwa doch? Nun spielen kann man ihn nicht direkt aber ‚anregen‘ und dann schauen (hören) was passiert. Stellt euch mal mitten in den Raum und klatscht laut in die Hände. Ihr werdet feststellen, dass nach dem Klatschen deutlich was davon zu hören ist – dies ist eben die Antwort des Raumes auf euer Klatschen. Besser gesagt die Raumantwort auf die Anregung mit eurem Klatschgeräusch. Ihr gebt dem Raum also einen Impuls – und der Raum gibt euch darauf eine Antwort – die sogenannte Raumantwort. Impuls ist ein mathematisch definierter Begriff und wird in der Audiotechnik mit dem Dirac-Impuls beschrieben. Je perkussiver, kürzer und tonärmer ein Geräusch ist, desto näher kommt man diesem idealen Impuls. Den Dirac-Impuls man sich leicht vorstellen: ein digitales Audiosignal, das nur aus einem Wert besteht, und zwar dem höchsten bei Vollaussteuerung. Numerisch somit abhängig von der Bit-Tiefe des Audiofiles, aber nach Normierung entsprechend einer 1. Vorher null und nachher null.

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Dirac-Impuls erzeugt in Audacity

Das interessante an diesem Impuls ist, wenn man ihn in den Frequenzbereich umwandelt, enthält der Block alle vorkommenden Frequenzen in einer Gleichverteilung, so wie in etwa weißes Rauschen. Das macht ihn also zu einem idealen Anregungssignal für unsere Hallräume. Technisch wird heute zwar meist ein anderer Weg gegangen, aber die eigentlich verwendete Impulsantwort in einem Faltungshall ist immer die Antwort des Raumes auf so einen idealen Dirac-Impuls.

Puttin‘ it all together

Nun haben wir alles beisammen, um unseren virtuellen Faltungshall zusammen zu bauen. Wir benötigen also: eine Impulsantwort, ein Audiosignal und eine Faltungsoperation, um beide miteinander zu verschmelzen.

Der echte Impuls

Das Problem ist hier die technische Umsetzung so eines Impulses. Um einen perfekten Impuls auszusenden, müsste der Impulserzeuger eben unglaublich schnell sein (siehe Dirac-Impuls-Abbidung). So einen Dirac-Impuls kann man mit einem Waveditor wie Soundforge, Wavelab, Audition oder eben auch dem OpenSource-Programm Audacity leicht erzeugen: leeres File erstellen, eine Stelle mit dem Stift einzeichnen und speichern. Das Problem ist vielmehr die Wiedergabe des Impulses. Die muss ja zwangsläufig über einen Lautsprecher erfolgen. Da Lautsprecher jedoch durch ihre Konstruktion naturgemäß massebehaftet sind, können die Lautsprechermembranen unmöglich einen Dirac-Impuls exakt wiedergeben. Das Ergebnis sieht eher aus wie in der Abbildung.

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Bewegung einer Lautsprecher-/Tauchspulenmikrofonmembran nach Dirac-Stoß

Dazu kommt, dass so ein Impuls den Raum im Bassbereich weniger anregt. Man müsste also den Verstärker richtig aufdrehen, um auch in diesem Frequenzbereich dem Raum genügend Energie für eine anständige Raumantwort zuzufügen. Da gibt es dann einerseits verstärkte Probleme mit den Boxen, aber zusätzlich stößt hier der Endverstärker auch an seine Grenzen. Bevor wir zur Lösung dieser offensichtlichen Probleme kommen, noch kurz ein paar Gedanken zur gesamten Mess- oder Aufnahmekette.

DIY Faltungshall und Impulsantwort

Unser Impuls wird ja auch aufgenommen – und das über Mikrofone. Diese besitzen natürlich auch Membranen und zeigen dadurch gleichermaßen eine träge Reaktion, genau wie die Boxen. Bändchenmikrofone sind aufgrund ihrer geringen Masse der schwingenden Alubändchen noch am impulstreusten. Dann kommt der Mikrofonvorverstärker, der eine nicht unerhebliche Rolle spielt und schließlich der benutzte A/D-Wandler. Genaugenommen gehören auch die benutzten Kabel dazu, aber die kehren wir mal unter den Teppich. Unsere Aufnahmekette sieht dann also insgesamt so aus:

Dirac-Impuls -> D/A-Wandler -> Endverstärker -> Boxen -> Raum -> Mikrofon -> Mikrofonverstärker -> A/D-Wandler.

Alle Elemente sind entscheidend für die Qualität der gewonnen Impulsantwort. Umso mehr verwenden wir einen Dirac-Impuls, welcher die Hardware stark beansprucht.

Der richtige Lauf

Anstatt einen Dirac-Impuls zu nehmen und somit die Impulsantwort eines Raumes direkt zu erhalten, haben sich in der Praxis verschiedene andere Verfahren etabliert. Diese Verfahren beanspruchen die Hardware eben nicht bis an die Leistungsgrenze und vermeiden dadurch Komplikationen mit Trägheit oder Übersteuerungen. Es gibt Verfahren mit Rauschen oder sogenannten quasi-statistischem Rauschen. Für unseren Workshop benutzen wir aber den guten alten Sinuston; und zwar in einem Sweep. Dabei erzeugt man wieder mit einem Wave-Editor einen ansteigenden Sinuston von 20Hz bis 20kHz und gibt diesem eine ausreichende Länge von 5 bis 10 Sekunden. Der Verlauf sollte nicht linear durch die Frequenzen laufen, sondern logarithmisch. Dies liegt in der Verarbeitung von Frequenzen durch unser Gehör begründet. Damit umgehen wir elegant die eben angesprochenen Probleme. Der Nachteil ist allerdings, dass wir dadurch keine Impulsantwort bekommen sondern eine ‚Sinussweep-Antwort‘. Diese können aber von den Faltungshallprogrammen nicht verarbeitet werden.

Impulsantwort ‚hintenrum‘

Was wir jetzt benötigen ist eine Methode, das Anregungssignal (unseren Sweep) aus der Sweep-Antwort des Raumes herauszurechnen. Genau – hier kommt unsere Rückfaltung ins Spiel. Mit ihrer Hilfe gewinnen wir, quasi durch die Hintertür, unsere Impulsantwort. Das Problem bei der Umsetzung besteht darin, dass solche Rückfaltungsprogramme meist nur in kostenpflichtigen Programmen enthalten sind. So hat z.B. LogicPro das Prgramm ‚Impuls Response Utility‘, welches die Rückfaltung nach Aufnahme des Sinussweeps per Knopfdruck erledigt. Nach dieser Methode ist es im Prinzip egal, welches Anregungssignal man nimmt. Man rechnet es ja nachher wieder heraus. Jedoch enthält so ein Sweep alle Frequenzen und regt so den Raum optimal an.

Von Theorie zur Praxis

Soweit die Theorie. Wer bis hierhin gekommen ist, wird jetzt mit einer Anleitung zum Low/NoBudget Impulshall belohnt. Es gibt dazu einige wenige Freeware-/OpenSource-Programme. Da die Sache auf Mac und PC gleichermaßen funktionieren soll, wähle ich den Wave Editor Audacity 1.3 sowie die DAW Reaper von Cockos. Reaper kann 30 Tage kostenlos in vollem Umfang getestet werden und ist schnell und einfach zu installieren und deinstallieren. Nach den 30 Tagen bleibt der Funktionsumfang voll erhalten, man ist aber angewiesen, das Programm zu löschen oder dann zu erwerben. Reaper deswegen, da es hier sowohl ein Faltungs(hall) Plug-in gibt als auch die Möglichkeit, zwei Signale zusammen rückzufalten.

Erzeugen eines Sinussweeps mit Audacity 1.3

Der Sinussweep

Wir generieren den Sinussweep in Audacity. Erstmal eine Stereospur anlegen (falls wir stereo aufnehmen, ansonsten mono) Spuren -> Neue Spur erzeugen -> Stereospur. Dann erzeugen wir den Sweep. Erzeugen -> Tongenerator(2).

Den Sweep als Wave- oder Aiff-Datei exportieren(!), am besten unter einem systematischen Namen wie ‚SineSweep20-20000.10sec‘. Da wir hier knapp vor der Vollaussteuerung arbeiten, ist ein Export in 24Bit nicht sinnvoll und somit auch nicht notwenig. Nehmen wir das Export-Preset ‚AIFF PCM 16Bit‘ oder ‚WAV PCM 16Bit‘. Die Samplerate sollte über unsere ganze Arbeit hinweg konstant gehalten werden. Ich empfehle, hier bei 44,1 kHz bleiben.

Wellenformdarstellung des Sweeps

Die Aufnahme des Halls

Sie beinhaltet alles vom Anschluss bis zur Aufstellung der Boxen, der Mikrofone etc. Hier ist also gefragt, was ihr machen wollt. Ich nehme mein hervorragend klingendes Badezimmer. Aufnehmen könnt ihr dann mit eurem Lieblingsprogramm. Es geht natürlich auch sehr einfach in Reaper. Vorteil hier ist, man hat das ganze Projekt dann in einem Projekt und kann später jederzeit zurückkommen und Änderungen machen. Ich importiere also hier unseren Sinussweep in Reaper (per Drag’n’Drop) in eine neue Spur. Diese schicke ich auf die Boxen. Eine andere Spur darunter nimmt die Mikrofonsignale aus dem Raum auf.

Aufnahme in Reaper, linker und rechter Kanal wurden hintereinander aufgenommen

Also ab die Post! Schöner Nebeneffekt: Der Nachbar denkt, man wäre ein durchgeknallter Verschwörungstheoretiker und versucht sich über Sinussignale mit Außerirdischen zu unterhalten.

Mehrere Versionen durchsweepen

Man sollte bei identischem Setup den Raum mehrmals durchsweepen. Warum? Nun, je nach Wohnort gibt es mehr oder weniger Störgeräusche bei der Aufnahme. Addiert man die verschiedenen Aufnahmen, so verdoppelt sich der Pegel unseres periodischen Nutzsignals auf 6dB pro Verdopplung der Spuranzahl. Also 6dB bei 2 Spuren, 12 dB bei 4 Spuren, 18dB bei 8 Spuren und so weiter. Die aperiodischen Störgeräusche jedoch, da sie sich nicht gleichmäßig überlagern eben nur um 3dB. Das ist natürlich günstig für unseren Signal-Rausch-Abstand. Bei 8 Aufnahmen nimmt also unser Nutzpegel um 18dB zu, unser Störpegel jedoch nur um 9dB. Das bedeutet wiederum, dass wir den Signal-Rausch-Abstand um 9dB Vergrößern – und das ist eine sehr, sehr gute Sache für die Qualität unserer späteren Impulsantwort (Und was der Nachbar denkt, na ja …).

Komplette Session mit mehreren Durchgängen und Kombination

Hat man mehrere Sweepantworten aufgenommen, muss man diese vor dem nächsten Schritt noch zu einer Datei zusammenführen (bouncen).

Rückfaltung

Das Plug-in, welches unter Reaper die Faltung und auch die Rückfaltung übernimmt, heißt ReaVerb. Wir erstellen eine neue Spur durch Doppelklick und laden das Plug-in. Durch Klick auf den ‚Add‘ Button (nein, bitte kein Facebook) bekommen wir eine Auswahl an Möglichkeiten. Wir wählen ‚File‘. Danach erscheint ein Dateidialog. Hier wählen wir unseren zuerst generierten Sinussweep. Jetzt erscheint auf der rechten Seite der Button ‚Deconvolve…‘. Bitte klicken. In diesem Filedialog wird dann die Sweepantwort des Raumes angegeben. Dann wird nach dem Testsignal gefragt, welches wir in den Raum geschickt haben. Danach wird der Name der zu erzeugenden Impulsantwortdatei eingeben. Fertig. Reaper errechnet jetzt durch die Rückfaltung die Impulsantwort und fügt das IR-File automatisch ein. Nun kann man durch das Plug-in seine Impulsantwort hören!

Hier zunächst das trockene Sample, mit dem die Beispiele erstellt wurden, ein einfacher Sidestick.

Die Handwerkermethode

Ich habe ja schon angesprochen, dass die Erzeugung eines Dirac-Impulses mit Verstärker und Boxen nicht ideal ist, deshalb die Sweep-Methode. Aber, wer richtige ‚Männerarbeit‘ nicht scheut, kann sich einen Impulsgenerator selber bauen – ganz ohne Elektronik. Und zwar mit Zutaten aus dem Baumarkt! Man nehme: zwei hinreichend breite und ebene Holzlatten, ein Scharnier und ein paar Spaxschrauben. Et voilà, fertig ist der DIY Impulsgenerator.

Große Klappe – aber auch was dahinter!

Damit lassen sich Räume schon ordentlich impulsartig anregen, und man benötigt lediglich einen Fieldrecorder, um das Signal aufzunehmen. Natürlich ist das nicht gänzlich professionell, aber um die Charakteristik eines Raumes einzufangen, ist das schon eine feine Sache. So erspart man sich die Rückfaltung. Das aufgenommene File kann direkt in ein Faltungshall Plug-in geladen werden.

Weitere Möglichkeiten

Natürlich kann man nicht nur reale Räume absamplen. Das geht auch mit den Lieblingsreverbs im Hardware-Rack. Man schickt dann den Sinussweep durch das Gerät und nimmt den Ausgang auf. Das restliche Verfahren ist identisch.

Ebenso gut gelingt das mit den liebsten EQs und Ampboxen, welche sich auch hervorragend konservieren lassen.

Probleme hat man auch hier mit dem Dirac-Impuls. Benutzt man diesen, um eine direkte Impulsantwort zu bekommen, kann man die Aufnahme nicht so laut aussteuern; es ergibt sich ein deutlicher Anstieg des Rauschpegels.

Grenzen der Faltung

Es gibt durch den mathematischen Algorithmus eine eindeutige Beschränkung, welche Geräte wir so konservieren können, und welche nicht. Die Faltung ist eine lineare, zeitinvariante Rechenoperation. Alle nichtlinearen Phänomene wie Verzerrung oder Kompression und alle zeitvarianten Systeme wie Modulationseffekte können durch die normale Faltung nicht wiedergegeben werden. Schickt man einen Sweep durch einen Verzerrer z.B., erhält man daraus eine Impulsantwort, die zwar den Frequenzgang des Verzerrers abbildet, nicht jedoch dessen Zerreigenschaften. Diese werden ja eben durch nichtlineare Verstärkung erst erzeugt.

Es gibt aktuelle Verfahren, welche einen anderen Weg gehen und so auch nichtlineare Systeme einfangen können. Dieses geschieht mit Hilfe der sogenannten Volterra-Serien, ein Verfahren aus der Reihenentwicklung der Mathematik. Acustica-Audio Nebula sei als Paradebeispiel genannt. Aber auch die Saffire LiquidMix-Geräte bedienen sich nichtlinearer Methoden; könnten sie doch sonst unmöglich Kompressoren nachahmen. Auch andere Plug-in Hersteller benutzen nichtlineare Varianten, diese Algorithmen werden aber gehütet wie ein heiliger Gral.

Ich hoffe, dieser doch etwas technisch angehauchte aber trotzdem praxisorientierte Workshop hat Lust darauf gemacht, eigene Experimente mit dieser einfachen aber erstaunlich ergiebigen Technik durchzuführen. Die Ergebnisse sind vielfältig und vor allem kreativ einzusetzen.

Klangbeispiele
Forum
  1. Profilbild
    Kinimod

    Hallo,
    sehr informativer Beitrag, danke!
    Eine kleine Frage habe ich dazu: die Boxen sollten bei der mehrmaligen Aufnahme des Sweeps im Raum wirklich nicht verändert werden, das Setup muss also immer identisch bleiben?

    Viele Grüße

    • Profilbild
      t.goldschmitz  RED

      Ja, das ist wichtig, denn sonst bekommt man völlig andere Phasenverläufe, die sich überlagern mit den der vorigen Aufnahme und dann unschöne Auslöschungen und Verstärkungen ergeben.
      Jedoch experimentieren ist wie immer erlaubt!

      Grüße.

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