再談相位及相位濾波

1、再談“相位”及“相位濾波”導(dǎo)讀：從事音響行業(yè)的人都知道“相位”及“相位濾波”的重要性， 但還是有很多人不甚了解其中的深意。本文將結(jié)合一個典型的相位濾 波調(diào)試案例，與朋友們一同分享“相位”及“相位濾波”在整個音響 系統(tǒng)中到底承擔(dān)著怎樣的重要作用，希望能夠為現(xiàn)場調(diào)試提供一些指 導(dǎo)意見。談到相位濾波，對于多數(shù)朋友們來說，這是一個既熟悉又陌生的 名詞。在專業(yè)音響擴(kuò)聲領(lǐng)域里，相位濾波的重要性很多時候被忽略， 有時候又會因為一些呼聲把它提到一個很重要的位置。那么到底什么 是相位濾波呢？我們得先從什么是相位說起。(c)圖4,1-2正隴量的相位差 (a)一般相位差 (b)同相 S)反相、什么是相位？由于（人耳

2、聽覺范圍內(nèi)20Hz 20KHz ）的聲音由從低到高不同的頻率 組合而成，眾所周知的是：頻率越高、波長越短；頻率越低，波長則 越長。波長又是什么呢？它是指一個正弦波頻率完成一個周期所需要 經(jīng)歷的（由0度開始一正半軸90度一180度一負(fù)半軸90度一回歸到 0度）的過程。因此，新的問題出現(xiàn)了：不同頻率因波長不同，在相同的參考測 試點得到的函數(shù)情況可能是千奇百怪的，但它們通常又會因為頻率變 化的連續(xù)性而得到線性的關(guān)聯(lián)。我們把這種關(guān)系稱之為相位。一幅關(guān)于頻響與波長相位關(guān)系的傅立葉轉(zhuǎn)變計算圖示能夠幫助我們更直觀地認(rèn)識相位曲線圖。二、相位給我們帶來的啟示我們所聽到的聲音除了受頻響曲線的影響，它同時也受著相位

3、曲線的影響。然而，單點聲源的相位（單一的相位關(guān)系）由于其沒有相互作用力，因此對擴(kuò)聲是不會造成影響的。反之，多聲源擴(kuò)聲系統(tǒng)、 或者多分頻擴(kuò)聲系統(tǒng)中，由于距離與時間差的關(guān)系，多聲源相位因素相互作用的影響其實是相當(dāng)大的這也就解釋了為什么線陣列揚聲器的垂直指向夾角很窄的原因： 因為高頻波長較短，陣列模塊與模塊間距產(chǎn)生的時間差會導(dǎo)致不同中 高頻頻率的相位疊加與抵消（也稱相長與相消），從而產(chǎn)生梳妝濾波 的效應(yīng)。所以陣列揚聲器的高頻是分離開來，根據(jù)高頻定位原理獨立 計算覆蓋的。我們在了解這一原理以后可再進(jìn)而演化推理：為什么兩個音箱高 音單元不能放太近，為什么全頻音箱不能夠靠側(cè)墻太近安裝其實就很 清楚了，原理

4、也是以一得三的。1 i 幅幅不同頻率的同期一個有趣的物理現(xiàn)象產(chǎn)生了，我們在對低頻段部分做相位規(guī)劃的 時候，恰恰和高頻段的分離法相反。線陣列揚聲器為什么能夠集中聲 能投射得更遠(yuǎn)？最為簡單且通俗易懂的解釋就是：負(fù)責(zé)聲壓級表達(dá)的 低頻部分，因為呈密集陣列的布置，其大量頻段的能量得到了較好的 有效相位耦合與疊加。為什么高頻距離太近了會干涉，而低頻距離靠近了會耦合呢？這 也和頻率與波長的關(guān)系密不可分。當(dāng)?shù)皖l段聲源靠得越近時，因為波 長更長的緣故，波形之間的相位差相比之下可以是微小的，而90度 以內(nèi)的相差都可以產(chǎn)生疊加，那么能夠影響到低頻疊加的距離一定是 其1/4波長以外的遠(yuǎn)距離所帶來的差異。這就恰巧與高

5、頻的分離原理完全相反，因為高頻波長過短，我們 沒辦法將兩個聲源靠得能夠近到其1/4波長以內(nèi)的距離，所以也根 據(jù)頻率越高、覆蓋角度越窄、波長越短的客觀規(guī)律，我們建議將高頻 盡可能地遠(yuǎn)離。再來看看超低頻的相位規(guī)劃，通常我們習(xí)慣將超低頻配合全頻揚 聲器組的L、R聲道來進(jìn)行布置，這樣做真的科學(xué)合理么？左右分置 的超低頻系統(tǒng)，其間距顯然更容易在前文所提到的1/4波長以外，將產(chǎn)生相消的低頻部分，可能會造成超低音之間出現(xiàn)類似于高頻間的 聲干涉那樣的梳狀效應(yīng)。因此，我們建議在有條件的情況下，盡可能地將超低頻部分放置 在一起，使得聲能疊加；甚至應(yīng)用科學(xué)的相位技術(shù)手段，以超低陣列 的方式來控制超低頻的指向特性也是

6、沒有問題的。所以在了解相位對音頻擴(kuò)聲的作用以后，就可以指導(dǎo)我們做出一些科學(xué)合理的判斷和設(shè)計方案來，一個場地的相位規(guī)劃也在一定程度 上決定了項目擴(kuò)聲方案的成功與否。這些遵循客觀原理的物理規(guī)劃能夠為現(xiàn)場調(diào)試給出可靠的指導(dǎo)意見。、相位濾波由于不同聲源位置在發(fā)出相同信號時，頻率與波長受到距離的影響， 到達(dá)同一測點（聆聽位）時間各不相同，所帶來的相位函數(shù)也各不相 同。如果不進(jìn)行相位校準(zhǔn)，就有可能產(chǎn)生某些頻率被抵消的現(xiàn)象，梳 妝濾波因此而產(chǎn)生dB _：rJ. ： i25 (X30 DO塔DC40 OC45.Cj50 0055 DO20 Hz 5010Q在一套科學(xué)合理的擴(kuò)聲設(shè)計中，通常我們需要應(yīng)用一定的調(diào)試

7、手 段來使得同一聽音區(qū)域中具備相同信號的兩個或多個聲源素材得到有 效的耦合銜接修正。整個行業(yè)大多數(shù)工程師都能夠清楚地意識到這項 工作的重要性。傳統(tǒng)的辦法則是進(jìn)行延遲時間補償法來完成校準(zhǔn)工作C一個典型的分頻系統(tǒng)相位校準(zhǔn)（如上圖快速傅里葉轉(zhuǎn)換所示），其頻段疊加部分函數(shù)情況往往不僅是因為時間差而存在的?；叵胍幌拢?多少人誤傳著高頻比低頻跑得快，需要給高頻做延遲來對齊相位的說 法。而我們知道聲音在空氣中的速度是多少呢？331.5 m/s+0.6T ,這是一個常量，從來沒有過高頻的聲速，低頻的聲 速的說法，因此應(yīng)用延時對齊法。看似對齊了相位時間差，實際上卻 使得不同頻段到達(dá)人耳的時間發(fā)生了先后的改變，尤

8、其在多分頻擴(kuò)聲系統(tǒng)中。甚至在很多時候延時法是無法完全對齊不同聲源疊加部分的相位的，上圖也即是一個典型的案例。這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)了，怎么辦呢？我們都知道頻率濾波器的類型，有高通(Highpass )、低通(Lowpass )、高架(Highshelf )、低 架(Lowshef )還有帶通(Bandpass )與帶阻(Bandstop )等應(yīng)對 不同需求的分類濾波方式，它們都是針對音頻頻率響應(yīng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié) 的。而還有一種濾波器，它的放置不會改變?nèi)魏蔚念l響，那就是相位濾波(Allpass ),它是一種真正的在不影響頻響表現(xiàn)的前提下，實現(xiàn)對相 位及帶寬修正的濾波類型。通過相位濾波，我們可以做到不同聲源間

9、 能量的最大疊加與銜接。四、調(diào)試案例當(dāng)我們遇到一個分頻揚聲器系統(tǒng)調(diào)試工作時，無論是外置兩分頻、 三分頻、四分頻，乃至更多的分頻方案，在根據(jù)揚聲器單元特性選擇 好合理的分頻點與斜率后，剩下更多的工作則是進(jìn)行頻段與頻段間的 效準(zhǔn)對齊工作。要使得每個頻段最終聯(lián)系成一條平滑的響應(yīng)曲線，相 位效準(zhǔn)必不可少。這項工作除了存在于全頻與低音炮間，更存在于外置分頻揚聲器 系統(tǒng)、陣列揚聲器系統(tǒng)、超低頻陣列系統(tǒng)等等，多種擴(kuò)聲系統(tǒng)均可能 涉及。以最常見的全頻與低音炮間的效準(zhǔn)為例，我們似乎進(jìn)行了有效 的頻段分配來使得各種音域的信號各行其道，然而它們能夠有效地合為一體來重放初始聲源么？為了讓一個初始聲源信號在擴(kuò)聲方案中得

10、到最真實的還原，而不 受到交叉頻段的干涉或缺失或突兀，需要假設(shè)的是，這套分頻系統(tǒng)的 相位是得到了有效銜接的。根據(jù)聲壓級疊加公式Lp = 20log ( pe / p 0 )可知，當(dāng)聲壓增加1倍時，聲壓級增加6dB (注意：不同單元間的疊加不能簡單與功率加倍混為一談)。因此，在暫不考慮相位因素的前提下，分頻段的交叉頻 點應(yīng)設(shè)置在-6dB位置左右最為合理，這樣耦合出來的頻響才會在最 大程度上與其余頻段保持均衡(iip)cK。-5Q0.0101110JOCAnulaf frequency (rad.5ec)o O加A那么我們怎么去定義有效的耦合區(qū)域呢？也就是說，哪些頻率段需要做這項校準(zhǔn)工作呢？根據(jù)聲

11、壓級相差9dB以上不再構(gòu)成疊加的原理，我們考慮-9dB 以內(nèi)的區(qū)域作為有效調(diào)試區(qū)域（上圖縱向紅線以內(nèi)范 圍）o保證了該區(qū)域內(nèi)的校準(zhǔn)耦合，也即是做好了這兩個分頻頻段的 銜接工作然而單從頻譜圖看來，表面上銜接了，實際上銜接么？測一測整 體的頻率響應(yīng)就知道了。在分頻點可能會出現(xiàn)的凹槽，其深淺程度、 影響帶寬的呈現(xiàn)的可能性千奇百怪。這就說明有效區(qū)域里，存在相位 抵消的現(xiàn)象，這并不難發(fā)現(xiàn)，通過常用的Smaart音頻測試軟件傅立 葉轉(zhuǎn)換界面中，我們能夠很直觀地記錄下一個聲信號通過測試麥克風(fēng) 位置所收集回來的相關(guān)曲線圖。在分別紀(jì)錄下全頻與低頻的相位曲線后，將其對比起來看，會發(fā)現(xiàn)兩 個有效的疊加區(qū)域相位關(guān)系往

12、往是不重合的，除了時間距離差以外， 還有函數(shù)線性位置不同（通俗地說就是兩條曲線說斜率不同），這就 出現(xiàn)了一個棘手的問題，如果沒有相位濾波器的調(diào)試設(shè)備，工程師可 能只能夠通過延遲法來調(diào)整，最終因為不平行的相位關(guān)系，兩交匯區(qū) 域也只能做到某點耦合，不能整段耦合，甚至于連延時器都沒有的調(diào) 試系統(tǒng)，工程師也許只能通過改變物理的音箱間前后關(guān)系結(jié)構(gòu)來調(diào)整 這個相位關(guān)系了。不太建議應(yīng)用延遲法進(jìn)行效準(zhǔn)工作的原因在于，簡單的分頻系統(tǒng)也許可行，但這似乎已經(jīng)改變了 一個整體聲源的到達(dá)時間這樣一個客觀規(guī) 律；而更復(fù)雜的分頻系統(tǒng)、多聲源的擴(kuò)聲系統(tǒng)，多分頻與多聲源系統(tǒng) 兼有的擴(kuò)聲方案中，延遲法似乎早已不切實際。所以相位濾波器是一個非常有用的濾波功能類型，它可以通過在 需要調(diào)節(jié)相位的頻點設(shè)置濾波，在不改變頻響的情況下，打斷原有的 線性相位曲線，在工程師給出的既定頻帶范圍內(nèi)反轉(zhuǎn)該頻段相位函數(shù)C 通過Q值的調(diào)解，我們可以在測試軟件中時時地發(fā)現(xiàn)原始線性的相位 曲線發(fā)生著分離和變化，其斜率與帶寬更加地接近參考的對比曲線， 經(jīng)過精細(xì)地調(diào)試，最終與原對比曲線在有效區(qū)域范圍內(nèi)做到完全