关于相位及相位滤波的一些启示

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　　本文主要介绍什么是相位，相位给我们什么启示，什么是相位滤波和相位滤波在整个音响系统中承担着怎样的重要作用?在文末，我们将以一个典型的相位滤波调试案例与朋友们一同分享，在分频系统中相位均衡调试的重要性。

　　谈到相位滤波，对于多数朋友们来说，这是一个既熟悉又陌生的名词。在专业音响扩声领域里，相位滤波的重要性很多时候被忽略，有时候又会因为一些呼声把它提到一个很重要的位置。那么到底什么是相位滤波呢?我们得先从什么是相位说起。

　　(a) 一般相位差;(b) 同相;(c) 反相

　　正弦量的相位差

　　1. 什么是相位

　　相位是(人耳听觉范围内20Hz~20KHz)声音由从低到高不同的频率组合而成，众所周知的是：频率越高、波长越短;而频率越低，波长则越长。波长又是什么呢?它是指一个正弦波频率完成一个周期所需要经历的(由0度开始—正半轴90度—180度—负半轴90度—回归到0度)的过程。因此，新的问题出现了：不同频率因波长不同，在相同的参考测试点得到的函数情况可能是千奇百怪的，但它们通常又会因为频率变化的连续性而得到线性的关联。我们把这种关系称之为相位。

　　一幅关于频响与波长相位关系的傅立叶转变计算图示能够帮助我们更直观地(像认识频谱曲线一样的)认识相位曲线图。

　　2. 相位给我们带来的启示

　　我们所听到的声音除了受频响曲线的影响，它同时也受着相位曲线的影响。然而单点声源的相位(单一的相位关系)由于其没有相互作用力，因此对扩声是不会造成影响的，反之多声源扩声系统或者多分频扩声系统中，由于距离与时间差的关系，多声源相位因素相互作用的影响其实是相当大的。

　　这也就解释了为什么线阵列扬声器的垂直指向夹角很窄的原因：因为高频波长较短，阵列模块与模块间距产生的时间差会导致不同中高频频率的相位叠加与抵消(也称相长与相消)，从而产生梳妆滤波的效应。所以阵列扬声器的高频是分离开来，根据高频定位原理独立计算覆盖的。我们在了解这一原理以后可再进而演化推理：为什么两个音箱高音单元不能放太近，为什么全频音箱不能够靠侧墙太近安装其实就很清楚了，原理也是以一得三的。

　　一个有趣的物理现象产生了，我们在对低频段部分做相位规划的时候，恰恰和高频段的分离法相反。

　　线阵列扬声器为什么能够集中声能投射得更远?最为简单且通俗易懂的解释就是：负责声压级表达的低频部分，因为呈密集阵列的布置，其大量频段的能量得到了较好的有效相位耦合与叠加。

　　为什么高频距离太近了会干涉，而低频距离靠近了会耦合呢?这也和频率与波长的关系密不可分。当低频段声源靠得越近时，因为波长更长的缘故，波形之间的相位差相比之下可以是微小的，而90度以内的相差都可以产生叠加，那么能够影响到低频叠加的距离一定是其1/4波长以外的远距离所带来的差异。

　　这就恰巧与高频的分离原理完全相反，因为高频波长过短，我们没办法将两个声源靠得能够近到其1/4波长以内的距离，所以也根据频率越高、覆盖角度越窄、波长越短的客观规律，我们建议将高频尽可能地远离。

　　再来看看超低频的相位规划，通常我们习惯将超低频配合全频扬声器组的L、R声道来进行布置，这样做真的科学合理么?左右分置的超低频系统，其间距显然更容易在前文所提到的1/4波长以外，将产生相消的低频部分，可能会造成超低音之间出现类似于高频间的声干涉那样的梳状效应。因此，我们建议在有条件的情况下，尽可能地将超低频部分放置在一起，使得声能叠加;甚至应用科学的相位技术手段，以超低阵列的方式来控制超低频的指向特性也是没有问题的。

　　所以在了解相位对音频扩声的作用以后，就可以指导我们做出一些科学合理的判断和设计方案来，一个场地的相位规划也在一定程度上决定了项目扩声方案的成功与否。这些遵循客观原理的物理规划，能够为现场调试给出可靠的指导意见。

　　3. 相位滤波

　　由于不同声源位置在发出相同信号时，频率与波长受到距离的影响，到达同一测点(聆听位)时间各不相同，所带来的相位函数也各不相同。如果不进行相位校准，就有可能产生某些频率被抵消的现象，梳妆滤波因此而产生。

　　在一套科学合理的扩声设计中，通常我们需要应用一定的调试手段来使得同一听音区域中具备相同信号的两个或多个声源素材得到有效的耦合衔接修正。而整个行业大多数工程师都能够清楚地意识到这项工作的重要性。传统的办法则是进行延迟时间补偿法来完成校准工作。

　　一个典型的分频系统相位校准(如上图)，其频段叠加部分函数情况往往不仅是因为时间差而存在的。回想一下，多少人误传着高频比低频跑得快，需要给高频做延迟来对齐相位的说法。而我们知道声音在空气中的速度是多少呢?331.5m/s+0.6T，这是一个常量，从来没有过高频的声速、低频的声速的说法，因此应用延时对齐法，看似对齐了相位时间差，实际上却使得不同频段到达人耳的时间发生了先后的改变，尤其在多分频扩声系统中。甚至在很多时候延时法是无法完全对齐不同声源叠加部分的相位的，上图也即是一个典型的案例。

　　这样的现象出现了，怎么办呢?我们都知道频率滤波器的类型，有高通 (Highpass)、低通 (Lowpass)、高架 (Highshelf)、低架 (Lowshef) 还有带通 (Bandpass) 与带阻 (Bandstop) 等应对不同需求的分类滤波方式，它们都是针对音频频率响应情况进行调节的。而还有一种滤波器，它的放置不会改变任何的频响，那就是相位滤波 (Allpass)，它是一种真正的在不影响频响表现的前提下，实现对相位及带宽修正的滤波类型。通过相位滤波，我们可以做到不同声源间能量的最大叠加与衔接。


　　调试案例：
　　当我们遇到一个分频扬声器系统调试工作时，无论是外置两分频、三分频、四分频，乃至更多的分频方案，在根据扬声器单元特性选择好合理的分频点与斜率后，剩下更多的工作则是进行频段与频段间的效准对齐工作。要使得每个频段最终联系成一条平滑的响应曲线，相位效准必不可少。

　　这项工作除了存在于全频与低音炮间，更存在于外置分频扬声器系统、阵列扬声器系统、超低频阵列系统等等，多种扩声系统均可能涉及。以最常见的全频与低音炮间的效准为例，我们似乎进行了有效的频段分配来使得各种音域的信号各行其道，然而它们能够有效地合为一体来重放初始声源么?

　　为了让一个初始声源信号在扩声方案中得到最真实的还原，而不受到交叉频段的干涉或缺失或突兀，需要假设的是，这套分频系统的相位是得到了有效衔接的。根据声压级叠加公式Lp=20log(pe/p0)可知当声压增加1倍时，声压级增加6dB(注意：不同单元间的叠加不能简单与功率加倍混为一谈)。因此，在暂不考虑相位因素的前提下，分频段的交叉频点应设置在-6dB位置左右最为合理，这样耦合出来的频响才会在最大程度上与其余频段保持均衡。

　　那么我们怎么去定义有效的耦合区域呢?也就是说，哪些频率段需要做这项校准工作呢?根据声压级相差9dB以上不再构成叠加的原理，我们考虑-9dB以内的区域作为有效调试区域(上图纵向红线以内范围)。保证了该区域内的校准耦合，也即是做好了这两个分频频段的衔接工作。

　　然而单从频谱图看来，表面上衔接了，实际上衔接么?测一测整体的频率响应就知道了。在分频点可能会出现的凹槽，其深浅程度、影响带宽的呈现的可能性千奇百怪。这就说明有效区域里，存在相位抵消的现象，这并不难发现，通过常用的Smaart音频测试软件傅立叶转换界面中，我们能够很直观地记录下一个声信号通过测试麦克风位置所收集回来的相关曲线图。在分别纪录下全频与低频的相位曲线后，将其对比起来看，会发现两个有效的叠加区域相位关系往往是不重合的，除了时间距离差以外，还有函数线性位置不同(通俗地说就是两条曲线说斜率不同)，这就出现了一个棘手的问题，如果没有相位滤波器的调试设备，工程师可能只能够通过延迟法来调整，最终因为不平行的相位关系，两交汇区域也只能做到某点耦合，不能整段耦合，甚至于连延时器都没有的调试系统，工程师也许只能通过改变物理的音箱间前后关系结构来调整这个相位关系了。

　　笔者自身不太建议应用延迟法进行效准工作的原因在于，简单的分频系统也许可行，但这似乎已经改变了一个整体声源的到达时间这样一个客观规律。而更复杂的分频系统、多声源的扩声系统，多分频与多声源系统兼有的扩声方案中，延迟法似乎早已不切实际。所以相位滤波器是一个非常有用的滤波功能类型，它可以通过在需要调节相位的频点设置滤波，在不改变频响的情况下，打断原有的线性相位曲线，在工程师给出的既定频带范围内反转该频段相位函数。通过Q值的调解，我们可以在测试软件中时时地发现原始线性的相位曲线发生着分离和变化，其斜率与带宽更加地接近参考的对比曲线，经过精细地调试，最终与原对比曲线在有效区域范围内做到完全重合(通常选用相位斜率较缓的曲线进行修正效准，效准参考曲线以较陡的一方作为标准依据)。

　　所以，一套扩声系统无论是否经过效准，各频段声信号都能够各行其道，都能够服务于人耳，但是于听感上，它们能不能融汇成一个整体，能不能根据设计师的方案理念实现需求，能不能更真实地还原音源信号呢，这个程度的多少，取决于我们是否去做这件事，是否用对了科学的办法去做，同时还取决于我们有什么样的利器去做这件事。

　　来源：广州埃威姆电子科技有限公司网站，作者：苟麒。