鼓采样替换效果器在音乐录音作品中的应用

2021-05-15张桐

黄河之声 2021年5期

张桐

鼓采样替换技术开始于20 世纪70 年代末，录音师出于对鼓组声部越发“完美”的追求，从而开始对鼓采样替换方法进行不断地研究。发展到今天，各大音频公司纷纷推出鼓采样替换硬件及软件，其工作原理及使用方法也日趋多样化，录音师几乎可以根据自己所需选择适合的效果器解决所有问题。因此，对鼓采样替换效果器进行研究，为实践总结经验是非常重要的。

一、鼓采样替换效果器的工作流程

为了进行鼓采样替换，首先需要将被检测信号输入到鼓采样替换效果器中，通过调整效果器参数，排除原始信号中的串音，精确地检测到所有有用的打击信号，获得最好的检测效果。在检测完成后效果器会产生触发信号，该信号可以是效果器内部的音频信号，也可以是从效果器输出的MIDI 信号。随后通过触发信号来激发鼓声的采样音源，从而得到一个新的采样信号。最终在混音中用采样信号代替原始信号，或将其与原始信号以一定比例混合，完成鼓采样替换的操作。

（一）被检测信号的选择

在选择被检测信号时，除了可以使用原始的鼓音轨，也可以在录音时考虑录制触发信号，后期输入到软件或硬件音源中进行替换。

若选择原始信号进行检测，需则要其串音尽量小，能够通过简单的滤波和旁链的设置排除串音，检测出有用信号。若决定录音时录制触发信号，可以选择专业用来录制触发信号的传声器，也可以使用接触式传声器制作一个简易的触发信号传声器。使用触发信号可以做到几乎没有串音，同时也能够使得瞬态变化更为明显。

在检测底鼓和军鼓轨道时，达到抑制串音这点较为容易。相比之下，对于通通鼓轨道，因为其在录制时容易有大量军鼓和镲片的串音，使用提前录制的触发信号来检测会更为容易。

（二）鼓采样替换效果器的实时检测和离线检测

在进行鼓采样替换的检测过程中，有两种模式：实时检测和离线检测。

支持实时检测的效果器会在音频播放时检测信号。若效果器的设置和算法较为简单，则产生的延时可以忽略不计。但若效果器开启力度检测等无法避免较大延时的功能，则需要尽量减小延时，防止数字音频工作站内的原始鼓轨道与采样鼓轨道出现相位干涉问题，进而影响音质。有些软件为了达到这个要求，会提前于播放进度条检测，或使用算法将生成的采样信号与原始信号之间达到相位上的精确。

第二种方法则是进行离线检测，混音师需要将音频导入到效果器中，效果器将会分析被录入的音频信号。这种做法的优势在于，混音师可以更加细致地调整原始音频自身以及检测的参数。例如Celemony Melodyne，不管是独立运行的软件模式，还是需要插入到数字音频工作站的效果器模式，都需要提前将音频通过效果器录音，以生成一个适应于Melodyne 自身的文件副本，用来检测、显示和修改音频信号。若在工作站中需要回放，效果器则会将音频副本发送回工作站中进行回放。这样做可以达到很多实时效果器无法实现的效果，如对声音包络的修改等，给混音师提供更大的发挥空间。

（三）鼓采样替换效果器的检测方式

不同的鼓采样替换效果器在检测过程中使用了不同的方法，分别是通过动态变化检测与通过瞬态变化检测。

鼓信号通过动态变化来检测，这是最简单，成本也最低的一种检测方法，在某些数字音频工作站软件中甚至可以通过自带效果器来实现。例如Reaper 自带的效果器ReaGate，可以通过控制噪声门的阈值，使有用的鼓声信号通过噪声门，而低于阈值的信号则被噪声门抑制。在此基础上，可以设置效果器在每次噪声门打开时输出一个MIDI 信号，该信号即可作为鼓采样替换的触发信号。

除了通过动态变化检测，还可以通过瞬态变化来检测鼓声信号。与前者不同的是，后者能够更好的检测出例如滚奏或装饰音等动态变化较小的演奏手法。鼓采样替换效果器SPL DrumXchanger 的操作手册中，将瞬态解释为信号发出的第一个脉冲波形（Transient: first impulse of a waveform），也可以理解为声音起振阶段的声音包络。声音的瞬态变化与电平大小无关，因此这种技术被更多地运用到演奏法较为复杂的打击乐器采样替换中。

（四）排除串音信号

为了使得检测结果更加精确，除了使用不同检测方法并细致调整检测参数之外，另一个要点是如何排除串音信号。这一点可以通过滤波器和旁链来实现。

在大部分鼓采样替换效果器中，都会包含一个或多个滤波器模块。通过改变滤波器的滤波类型、Q 值、频率和增益，最大限度地突出被检测鼓声信号的基频频段，滤除串音，以精确检测结果。

在使用旁链排除串音时，需要先找到被检测信号中串音最大的内容，并将其所在的轨道通过旁链发送到被检测信号的效果器中。此时效果器将会参考旁链中的信号，对有用信号进行更准确的判断。例如需要检测小军鼓信号，但其中有较大的底鼓的串音，这时就可以将底鼓轨道通过旁链发送到小军鼓的检测效果器中，使效果器更精确地区分出有用的信号和串音信号。当小军鼓轨道中有信号与旁链中的底鼓信号同时被检测到，效果器则会将其确定为串音，在之后的步骤中不做响应。

（五）采样信号的生成与应用

在对触发信号进行替换时，一部分效果器内置了采样音源，可以在检测的同时进行替换。而有些没有内置音源的效果器，则支持MIDI 触发信号的输出，这样可以将输出的MIDI 信号输入到软硬件音源、合成器或鼓机中，激发其中的鼓音色来完成替换。

若效果器内置音源，则可以在效果器内调整原始信号与采样信号的比例，此时在轨道中进行回放的则是混合后的信号。若效果器中没有内置音源，则需要在数字音频工作站中新建相关的MIDI 轨道或乐器轨道，将输出的MIDI 信号发送到其中，并在轨道中加载所需的鼓音源。此时的比例是由轨道间的电平大小来控制的。

二、SmartElectronix KT Drum Trigger 应用研究

（一）效果器特点

SmartElectroinx 是一个制作免费或低价软件的团队，KT Drum Trigger 便是该团队制作的免费鼓采样替换效果器。该效果器使用VST（Virtual Studio Technology）格式进行编码，支持在32 位Windows 系统及使用PowerPC 中央处理器的MacOSX 系统中运行。由于效果器不兼容Intel 中央处理器的MacOSX 系统和Windows 系统中的64 位数字音频工作站，所以仍然有很多场合无法使用这款效果器。

KT Drum Trigger 的作用是将检测出的有用的鼓声信号生成MIDI 格式的触发信号，因此效果器本身不带有采样音色，需要使用其他软件或硬件音源来激发采样音色。该效果器的另一个特点便是安装包所占空间很小，使得下载、拷贝以及安装都十分方便。

（二）效果器参数

鼓声信号输入到效果器中后，可以使用24 段均衡器进行滤波，以便滤除串音信号，更好地识别各种不同的有用信号。滤波类型（FilterXType）有低通滤波器（low pass）、高通滤波器（high pass）、带通滤波器（band pass）以及陷波器（notch）可以选择。同时这些滤波器还可以精细调节滤波频率（FilterXCutoff）、Q 值（FilterXQ）以及增益（FilterXGain）。

效果器通过设定检测阈值（TriggerXThreshold）来检测鼓声信号，超过阈值的则被检测，并输出MIDI 信号，而低于阈值的信号则被忽略。可以调整检测的启动时间（EnvFollowerXAttack）和释放时间（EnvFollowerXRelease），以便更好地检测鼓声信号。为了防止同一个鼓声信号检测出多个触发信号，效果器还设有衰减量（TriggerXHysteresis）和最小间隔时间（TriggerXMinimunIOT）的参数，衰减量的阈值在检测阈值之下，在检测出新的信号之前，鼓声信号必须低于该阈值，才会被检测到并生成一个新的触发信号，否则会被效果器认为是同一个鼓声信号，不被识别，如图2。而最小间隔时间限制了相邻的两个鼓声信号之间能够被检测并生成触发信号的最小时间间隔，若相邻鼓声信号的时间间隔小于设定的值，则后一个鼓声信号不能被检测出来，如图3。

图1：KT Drum Trigger 触发信号跟踪窗口

图2：KT Drum Trigger 在衰减量（TriggerXHysteresis）阈值设定不当的情况下无法成功地检测鼓声信号

图3：KT Drum Trigger在最小间隔时间（TriggerXMinimunIOT）设定不当的情况下无法成功地检测鼓声信号

在效果器成功检测到有用的鼓声信号后，需要将输出的MIDI 格式的触发信号记录下来。效果器可以更改生成MIDI 信号的音高（DrumXMIDINoteNumber），其范围是0-127，默认状态生成的音高是35。在进行MIDI 信号记录时，应注意效果器的MIDI 输出通道（DrumXMIDIChannel）与软件或硬件音源的MIDI 输入通道是否对应。

为了使采样替换更加自然，效果器还可以检测鼓声信号的力度（DrumXUseMIDIVelocity），并选择是否在生成触发信号时包含原始信号的力度信息。同时效果器可以对生成的触发信号的力度进行压缩和扩展（DrumXCompanderRatio），当比率小于1 时，将会扩展力度差值，当比率大于1 时，将会压缩力度差值。此外，还需要注意阈值（DrumXCompanderThreshold）的设置，当力度小于阈值时，压缩和扩展不起作用。在力度增益（DrumXCompanderGain）的控制下，增益为负时力度差值被扩展，增益为正时力度差值被压缩。

效果器中鼓声信号力度检测（VelocityScanTime）功能会产生延时。由于此功能需要读取并分析鼓声信号的电平大小，因此所需的分析时间无法减少。这个延时问题可以通过工作站中自带的延时补偿功能解决，在现场演出时则无法使用。因此为了尽量减少延时产生的相位问题，并让效果器可以精确地检测鼓声信号的力度，则需要将检测时间控制在最小。当然，如果不需要力度检测的功能，也可以在效果器中关闭，这样输出的MIDI信号的力度将会全部维持在100。

在不同的位置使用效果器，需要将音频输出模式（AudioOutputGain）进行不同的设置：Mute 模式下不会有音频信号输出；Through 模式将会把输入效果器的音频信号直接输出，不通过滤波器；Filtered 模式将会把通过滤波器的信号输出。所以若将效果器直接插入到原始的鼓音轨中，并且需要将采样信号与原始信号叠用，则需要将输出模式选为Through；若将原始信号发送出来产生采样信号，为了避免与原始鼓音轨叠加，则需要将输出模式选为Mute。在进行滤波器参数的调整时，则可以将输出模式选为Filtered，以便进行监听。

（三）应用实例分析

本案例将使用Ben Carrigan 的歌曲We’ll Talk About It All Tonight，并对鼓组声部中的底鼓和小军鼓进行采样替换。

在对底鼓进行采样替换时，可以将滤波器设置为低通滤波器，并把滤波频率调整到40—50Hz 左右，此频段为底鼓的基频频段，而串音中小军鼓的频段无法下潜到该频段，所以能够较好地将底鼓与小军鼓的串音隔离开来。

为了确认是否将串音完全滤除，可以通过切换到Filtered 音频输出模式，并结合鼓声信号跟踪窗口来检查。同时也可以适当增大Q 值和提升增益来更好地检测底鼓信号。（图4）

设置检测阈值时，应保证底鼓信号中电平最低的那次敲击略高于阈值，这样才能检测出所有的底鼓信号。若之前一步将滤波器调整好，串音信号与底鼓信号之间电平差值较大，则检测阈值的设置则会容易很多。调整好检测阈值后，还需要注意衰减量和最小间隔时间的设置。效果器中衰减量默认参数是6dB，最小间隔时间是0.100s。在对底鼓信号进行检测时，发现这两个参数使用默认设置即可很好地工作。但若鼓声信号在稳态阶段的电平仍然较高，并与峰值电平的差值小于默认的衰减量时，则应当适当地减小衰减量，使其略小于峰值电平与稳态阶段电平之差，这样才能避免效果器忽略有用信号。最小间隔时间则会影响快速敲击的鼓声信号的检测，若相邻的两个鼓声信号间隔时间小于默认的最小间隔时间，这时则应该适当地减小最小间隔时间，以避免效果器忽略一些较为密集的鼓声信号。

图4：使用 KT Drum Trigger 进行底鼓采样替换时滤波器的参数设置

图5：使用 KT Drum Trigger 进行底鼓采样替换时动态检测的参数设置

在能够精确地检测到有用的鼓声信号后，需要对产生的MIDI 触发信号进行处理。这首歌曲演奏较为松弛，乐器也大多为原声乐器，因此鼓声部也需要更多的人性化处理。可以在底鼓声部采样替换中开启力度监测的功能，以便底鼓力度更为多变，在强拍和弱拍的敲击上有所区别。

使用软件或硬件音源激发采样信号时，应注意大部分音色都存在力度分层，即在某个力度区间的音色一致，而不同的力度区间音色的差别较为明显。而进行鼓采样替换时则应该保证MIDI 触发信号在同一个力度区间，以避免同一首歌甚至同一个小节中鼓声部音色区别过大，带来不真实感。

图6：使用KT Drum Trigger 进行底鼓采样替换时MIDI 触发信号力度的参数设置

在对小军鼓信号进行采样替换时，发现小军鼓轨道中底鼓和通通鼓的串音比较大，需要使用带通滤波器突出小军鼓基频的声音。该方法可以较为成功地滤除底鼓的串音，但因为小军鼓与通通鼓频段较为相近，无法使用滤波器完全滤除通通鼓的串音。此时可以将通通鼓轨道作为参考，在输出的MIDI 触发信号的轨道上人为地删除误检测的串音信号。但若通通鼓敲击次数较多，人为删除串音信号则由于效率过低而不可取，需要选择其它滤除串音的方法。

图7：使用KT Drum Trigger 进行小军鼓采样替换时滤波器的参数设置

由于本案例中小军鼓声部中有较多的鬼音（Ghost Note）演奏法，所以需要对动态检测的参数进行较为细致地调整。鬼音的敲击声电平较低，所以应当尽量降低检测阈值，使其略小于最低的峰值电平，即为鬼音中第一次或是最后一次的敲击。鬼音的另一个特点为敲击非常密集，衰减量无法达到6dB，最小时间间隔也小于默认值0.1s，因此需要将这两个参数的数值重新设置，才能成功地检测。

在检测出鬼音后，还需要在触发信号中检查是否有被误检测的串音信号。可以人为地删除一些MIDI 触发信号中的串音信号，以保证检测结果准确。

图8：使用KT Drum Trigger 进行小军鼓采样替换时动态检测的参数设置

在开启力度检测功能后，可以清楚地在MIDI 轨道中看到触发信号有着明显的力度变化。因此，若将触发信号输入到音源中激发采样信号，也会体现出不同的敲击力度。同样，在这一步的操作中，需要注意避免跨越力度分层带来的音色差异。

从图9 中可以看出，开启力度检测功能后，触发信号与原始信号之间有着延时，此时默认力度检测时间为0.02s，但经过工作站内测量，延时量为0.03s。虽然有一定的延时，但时长较为固定，因此可以在激发出采样信号后统一做反相，或将采样信号文件前后拖动，以保证相位一致。在效果器内部，则可以尽量减少力度检测时间，使得延时尽量缩短。