文章主要以介紹什么是相位，相位給我們什么啟示?以及什么是相位濾波，和相位濾波在整個(gè)音響系統(tǒng)中承擔(dān)著怎樣的重要作用。在文末，我們將以一個(gè)典型的相位濾波調(diào)試案例與朋友們一同分享，在分頻系統(tǒng)中相位均衡調(diào)試的重要性。

談到相位濾波，對(duì)于多數(shù)朋友們來(lái)說，這是一個(gè)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(shí)候被忽略，有時(shí)候又會(huì)因?yàn)橐恍┖袈暟阉岬揭粋€(gè)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。

什么是相位：

由于(人耳聽覺范圍內(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(zhǎng)越短;而頻率越低，波長(zhǎng)則越長(zhǎng)。波長(zhǎng)又是什么呢?它是指一個(gè)正弦波頻率完成一個(gè)周期所需要經(jīng)歷的(由0度開始—正半軸90度—180度—負(fù)半軸90度—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(zhǎng)不同，在相同的參考測(cè)試點(diǎn)得到的函數(shù)情況可能是千奇百怪的，但它們通常又會(huì)因?yàn)轭l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(zhǎng)相位關(guān)系的傅立葉轉(zhuǎn)變計(jì)算圖示能夠幫助我們更直觀地(像認(rèn)識(shí)頻譜曲線一樣的)認(rèn)識(shí)相位曲線圖。

相位給我們帶來(lái)的啟示：

我們所聽到的聲音除了受頻響曲線的影響，它同時(shí)也受著相位曲線的影響。然而單點(diǎn)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(duì)擴(kuò)聲是不會(huì)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(shí)間差的關(guān)系，多聲源相位因素相互 作用的影響其實(shí)是相當(dāng)大的。

這也就解釋了為什么線陣列揚(yáng)聲器的垂直指向夾角很窄的原因：

高頻波長(zhǎng)較短，陣列模塊與模塊間距產(chǎn)生的時(shí)間差會(huì)導(dǎo)致不同中高頻頻率的相位疊加與抵消(也稱相長(zhǎng)與相消)，從而產(chǎn)生梳妝濾波的效應(yīng)。所以陣列揚(yáng)聲器的高頻是分離開來(lái)，根據(jù)高頻定位原理獨(dú)立計(jì)算覆蓋的。我們?cè)诹私膺@一原理以后可再進(jìn)而演化推理：為什么兩個(gè)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(shí)就很清楚了，原理也是以一得三的。

一個(gè)有趣的物理現(xiàn)象產(chǎn)生了，我們?cè)趯?duì)低頻段部分做相位規(guī)劃的時(shí)候，恰恰和高頻段的分離法相反。線陣列揚(yáng)聲器為什么能夠集中聲能投射得更遠(yuǎn)?最為簡(jiǎn)單且通俗易懂的解釋就是：負(fù)責(zé)聲壓級(jí)表達(dá)的低頻部分，因?yàn)槌拭芗嚵械牟贾茫浯罅款l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(huì)干涉，而低頻距離靠近了會(huì)耦合呢?這也和頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系密不可分。當(dāng)?shù)皖l段聲源靠得越近時(shí)，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)更長(zhǎng)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(zhǎng)以外的遠(yuǎn)距離所帶來(lái)的差異。

這就恰巧與高頻的分離原理完全相反，因?yàn)楦哳l波長(zhǎng)過短，我們沒辦法將兩個(gè)聲源靠得能夠近到其1/4波長(zhǎng)以內(nèi)的距離，所以也根據(jù)頻率越高、覆蓋角度越窄、波長(zhǎng)越短的客觀規(guī)律，我們建議將高頻盡可能地遠(yuǎn)離。

再來(lái)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(yáng)聲器組的L、R聲道來(lái)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(zhǎng)以外，將產(chǎn)生相消的低頻部分，可能會(huì)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(lái)控制超低頻的指向特性也是沒有問題的。

所以在了解相位對(duì)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(jì)方案來(lái)，一個(gè)場(chǎng)地的相位規(guī)劃也在一定程度上決定了項(xiàng)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?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試給出可靠的指導(dǎo)意見。[!--empirenews.page--]

相位濾波：

由于不同聲源位置在發(fā)出相同信號(hào)時(shí)，頻率與波長(zhǎng)受到距離的影響，到達(dá)同一測(cè)點(diǎn)(聆聽位)時(shí)間各不相同，所帶來(lái)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。

在一套科學(xué)合理的擴(kuò)聲設(shè)計(jì)中，通常我們需要應(yīng)用一定的調(diào)試手段來(lái)使得同一聽音區(qū)域中具備相同信號(hào)的兩個(gè)或多個(gè)聲源素材得到有效的耦合銜接修正。而整個(gè)行業(yè)大多數(shù)工程師都能夠清楚地意識(shí)到這項(xiàng)工作的重要性。傳統(tǒng)的辦法則是進(jìn)行延遲時(shí)間補(bǔ)償法來(lái)完成校準(zhǔn)工作。

一個(gè)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?yàn)闀r(shí)間差而存在的。回想一下，多少人誤傳著高頻比低頻跑得快，需要給高頻做延遲來(lái)對(duì)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(gè)常量，從來(lái)沒有過高頻的聲速，低頻的聲速的說法，因此應(yīng)用延時(shí)對(duì)齊法，看似對(duì)齊了相位時(shí)間差，實(shí)際上卻使得不同頻段到達(dá)人耳的時(shí)間發(fā)生了先后的改變，尤其在多分頻擴(kuò)聲系統(tǒng)中。甚至在很多時(shí)候延時(shí)法是無(wú)法完全對(duì)齊不同聲源疊加部分的相位的，上圖也即是一個(gè)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(duì)不同需求的分類濾波方式，它們都是針對(duì)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(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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能量的最大疊加與銜接。

調(diào)試案例：

當(dāng)我們遇到一個(gè)分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)調(diào)試工作時(shí)，無(wú)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(yáng)聲器單元特性選擇好合理的分頻點(diǎn)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(duì)齊工作。要使得每個(gè)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(xiàng)工作除了存在于全頻與低音炮間，更存在于外置分頻揚(yáng)聲器系統(tǒng)、陣列揚(yáng)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(lái)使得各種音域的信號(hào)各行其道，然而它們能夠有效地合為一體來(lái)重放初始聲源么?

為了讓一個(gè)初始聲源信號(hào)在擴(kuò)聲方案中得到最真實(shí)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(jí)疊加公式Lp=20log(pe/p0)可知當(dāng)聲壓增加1倍時(shí)，聲壓級(jí)增加6dB(注意：不同單元間的疊加不能簡(jiǎn)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(diǎn)應(yīng)設(shè)置在-6dB位置左右最為合理，這樣耦合出來(lái)的頻響才會(huì)在最大程度上與其余頻段保持均衡。

那么我們?cè)趺慈ザx有效的耦合區(qū)域呢?也就是說，哪些頻率段需要做這項(xiàng)校準(zhǔn)工作呢?根據(jù)聲壓級(jí)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)。保證了該區(qū)域內(nèi)的校準(zhǔn)耦合，也即是做好了這兩個(gè)分頻頻段的銜接工作。

然而單從頻譜圖看來(lái)，表面上銜接了，實(shí)際上銜接么?測(cè)一測(cè)整體的頻率響應(yīng)就知道了。在分頻點(diǎn)可能會(huì)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(cè)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(gè)聲信號(hào)通過測(cè)試麥克風(fēng)位置所收集回來(lái)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(duì)比起來(lái)看，會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)有效的疊加區(qū)域相位關(guān)系往往是不重合的，除了時(shí)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(gè)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(lái)調(diào)整，最終因?yàn)椴黄叫械南辔魂P(guān)系，兩交匯區(qū)域也只能做到某點(diǎn)耦合，不能整段耦合，甚至于連延時(shí)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(lái)調(diào)整這個(gè)相位關(guān)系了。

筆者自身不太建議應(yīng)用延遲法進(jìn)行效準(zhǔn)工作的原因在于，簡(jiǎn)單的分頻系統(tǒng)也許可行，但這似乎已經(jīng)改變了一個(gè)整體聲源的到達(dá)時(shí)間這樣一個(gè)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(shí)際。所以相位濾波器是一個(gè)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(diǎn)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)。通過Q值的調(diào)解，我們可以在測(cè)試軟件中時(shí)時(shí)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(duì)比曲線，經(jīng)過精細(xì)地調(diào)試，最終與原對(duì)比曲線在有效區(qū)域范圍內(nèi)做到完全重合。(通常選用相位斜率較緩的曲線進(jìn)行修正效準(zhǔn)，效準(zhǔn)參考曲線以較陡的一方作為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù))。

所以，一套擴(kuò)聲系統(tǒng)無(wú)論是否經(jīng)過效準(zhǔn)，各頻段聲信號(hào)都能夠各行其道，都能夠服務(wù)于人耳，但是于聽感上，它們能不能融匯成一個(gè)整體，能不能根據(jù)設(shè)計(jì)師的方案理念實(shí)現(xiàn)需求，能不能更真實(shí)地還原音源信號(hào)呢，這個(gè)程度的多少，取決于我們是否去做這件事，是否用對(duì)了科學(xué)的辦法去做，同時(shí)還取決于我們有什么樣的利器去做這件事。