Делаем педаль реверберации с применением микросхем PT2399 (часть 1)

Автор оригинала: Hamuro

• Перевод

Вступление

Реальная реверберация происходит в рабочей камере, когда генерируемый звук отражается от стен, мебели, людей или любого другого объекта в сложном трехмерном пространстве. Естественный процесс реверберации показан на рисунке 1. Рисунок 1. Реверберация в реальной ситуации В старые добрые времена единственный способ воспроизвести эффект реверберации — использовать реальную реверберационную камеру — большую комнату со сложной геометрией и тщательно отобранным материалом для стен, с установкой громкоговорителей и микрофона в определенных местах внутри камеры. Первая попытка имитировать реверберацию в помещении без реальной реверберационной камеры осуществлялась с помощью реверберационного резервуара с пружиной (см. ссылку [1]). Основная конструкция пружинного ревербератора показана на рисунке 2. Рисунок 2. Конструкция резервуара с пружинной реверберацией Аудиосигнал возбуждает входную катушку, которая передает механические вибрации ближайшему концу пружины, а затем — её дальнему концу, и возвращается назад с уменьшающейся амплитудой. Сложные волны, как поперечные, так и продольные, генерируются внутри пружины. Высокочастотные и низкочастотные волны движутся по пружине с различной скоростью, а пружинные соединения добавляют отражения. Для получения различных по длительности временных задержек используют пружины различных типов: толщина и тип металла, количество витков, диаметр пружины. Искусственно реверберированный звук, создаваемый пружиной, затем улавливается выходной катушкой и возвращается в электронную схему для микширования с входным аудиосигналом и усиления.

Цифровое моделирование эффекта реверберации

Обработка эффекта реверберации была широко исследована и на взгляд автора может быть классифицирована следующим образом: 1. Воспроизведение ответа системы: этот метод рассматривает смоделированную систему как черный ящик, нас не волнует, что происходит внутри него, и мы просто измеряем выходной отклик, применяя «обработку свертки» (см. ссылку [2]). Независимо от того, является ли смоделированная система настоящим концертным залом или реальным резервуаром реверберации с пружиной или пластиной, этот метод будет очень прост в реализации, но для «обработки свертки» потребуется очень высокая вычислительная мощность. 2. Физическое моделирование: этот метод анализирует физический процесс моделируемой системы, моделирует его. Это может привести к очень реалистичному звучанию, но может потребовать значительных вычислительных затрат в зависимости от оптимизации или математического упрощения модели. Один пример моделирования пружинной реверберации приведен по ссылке [3]. 3. Синтетическое моделирование: иногда автор видит, что такая модель представляет собой просто упрощенную модель приближения отклика системы методом проб и ошибок. Например, реверберацию Шредера [см. Ссылку [4]) можно настроить так, чтобы она имитировала реверберацию зала среднего размера, установив для некоторого параметра определенные значения.

Реализация эффекта реверберации в электронной схеме: сеть с задержкой и настроенные аналоговые резонаторы

Когда мы анализируем явление реверберации как сложную картину эха, мы можем интуитивно построить такую ​​схему эффекта реверберации, используя сеть линий задержки. С другой стороны, если мы проанализируем явление реверберации как непрерывный резонанс, мы можем подумать, что для создания такого эффекта можно использовать несколько параллельных аналоговых резонаторов, которые настроены на разные частоты. Автор думал об этом в течение многих лет. Пожалуйста, дайте знать автору в комментариях, если уже есть схема аналоговой реверберации, которая основана на аналоговых резонаторах, чтобы автор не изобретал велосипед. На данный момент автор сосредоточился на решении с цепью линий задержки.

Цифровой чип задержки PT2399 — бюджетное решение для проекта педали реверберации DIY

Передовая технология CMOS PT2399 от Princeton приобретает все большую популярность для проектирования устройства с блоком переключаемых конденсаторов (BBD) для хранения аудиосэмплов в «аналоге» в качестве реализации аналоговой линии задержки. Блок-схема PT2399 показана на рисунке 3. Рисунок 3. Блок-схема ИС цифровой линии задержки PT2399 Цифровая микросхема линии задержки выполнена в доступном 16-контактном DIP-корпусе. Минимальная длительность задержки составляет 30 мс, максимальная — 340 мс, а настройку задержки легко менять внешним резистором.

Блок-схема ревербератора Hamuro Spring-Room-Hall для небольшого помещения

Рисунок 4. Блок-схема ревербератора Hamuro Spring-Room-Hall Автор создал очень простую схему реверберации, используя 5 микросхем PT2399, которая может имитировать эффект реверберации пружины в комнате. Она имеет возможность управлять временем задержки, объёмом помещения и балансом. Когда регулятор объёма комнаты установлен на минимум, он будет звучать подобно пружинной реверберации, а если он установлен на максимум, то будет получаться реверберация как в зале или соборе.

Принципиальная схема полного контура

Полная принципиальная схема находится в стадии разработки и тестирования. Базовая схема реверберации была успешно протестирована на платформе Deepstomp (DIY digital multi-effect stompbox), и будет опубликована во второй части статьи (прим. автора).Литература 1. L. Hammond, «Electical Musical Instrument», патент США 2230836, 2 февраля 1941 г. 2. Фонс Адриансен, «Измерение акустического импульсного отклика с помощью ALIKI», 4-я Международная Linux Audio Conference: LAC2006 3. Стефан Бильбао и Джулиан Паркер, «Виртуальная модель реверберации пружины», транзакции IEEE по обработке звука, речи и языка, Vol. 18, № 4, май 2010 г., стр.799 4. М. Р. Шредер (Bell Telephone Laboratories, Incorporated, Мюррей Хилл, Нью-Джерси), «Естественное звучание искусственной реверберации», журнал Audio Engineering Society, июль 1962 г.

К тому времени была нагуглена схема, откуда взят номинал резистора — 100Ом. Кстати, на схеме он был обозначен 5-ти ваттным,  в реальности стоял 0.125Вт (если никто не менял ранее).

Поставил, включил.. Дыма нету.  Подал сигнал — играет.  Стал задействовать эффект — нету.  Плата эффектов собрана на специализированной популярной микросхеме PT2399, представляющей собой «Echo audio processor».  Такая же микросхема была куплена мной уже давненько для одной из поделок — но никак не доходили руки. Сейчас нашел, заменил — появилось эхо. Вернул старую — нету эхо. Включил еще раз — появилось эхо. И так несколько раз — то эхо есть, то его нет.   Также заметил что когда «эха» нет — микросхема греется, и при этом ощутимо греется тот резистор в первичной цепи КРЕНки.  Очевидно, подобным образом резистор и сгорел.

Гугль подсказал интересную вешь… На одном из форумов обсуждения гитарных самоделок участник форума описал подобное поведение — и работу микросхемы «через раз», и повышенное потребление тока в случае незапуска эффекта…  Там же он и написал найденное решение — закоротить аналоговую и цифровую земли микросхемы!  Действительно, по даташиту — эти линии, являющиеся соответственно «землями» аналоговой и цифровой части схемы, должны быть соединенными в одной точке. По схеме микшера я нашел лишь соединение их конденсатором.  Притом почему-то это иногда работало, иногда нет (может «ушли» параметры конденсатора?). Некоторые дискуссии на форумах упоминали что дескать внутри микросхемы земли соединены 10-омным резистором, и что допускается использовать без непосредственного соединения земель (не нашел правда зачем). Но всё же в большинстве схемах и разводках печатных плат земли таки соединялись (а так и просятся, расположены рядом — 3-й и 4-й вывод).  В результате, поставив перемычку, получил стабильный запуск и работу «процессора эффектов», нормальное потребление и вследствие чего нормальную температуру гасящего резистора, который впрочем установил хоть не 5 ватт как на схеме, а 2 Ватта, который попался под руку.

Вот такая вот была ситуация со странной схемотехникой (недокументированной в даташите). Не до конца понятной осталось причина такого решения разработчиков, а также почему сначала оно вероятно работало нормально и по такой схеме… Возможно, перемычка где-то таки есть на плате, возможно нарушилась — проследить по дорожкам не успел, спешил отдать аппарат  владельцу.

Используемые источники:

• https://habr.com/post/453258/
• https://recyclebin.com.ua/2014/10/pt2399/