什么是相位濾波？相位濾波有什么作用？

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(tīng)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(tīng)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?；叵胍幌?，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(shuō)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(méi)有過(guò)高頻的聲速，低頻的聲速的說(shuō)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型。通過(guò)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(xiàn)，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(jiàn)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(shuō)，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?xún)?nèi)的區(qū)域作為有效調(diào)試區(qū)域(上圖縱向紅線(xiàn)以?xún)?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(shuō)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(guò)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(guān)地記錄下一個(gè)聲信號(hào)通過(guò)測(cè)試麥克風(fēng)位置所收集回來(lái)的相關(guān)曲線(xiàn)圖。在分別紀(jì)錄下全頻與低頻的相位曲線(xiàn)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(xiàn)性位置不同(通俗地說(shuō)就是兩條曲線(xiàn)說(shuō)斜率不同)，這就出現(xiàn)了一個(gè)棘手的問(wèn)題，如果沒(méi)有相位濾波器的調(diào)試設(shè)備，工程師可能只能夠通過(guò)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(méi)有的調(diào)試系統(tǒng)，工程師也許只能通過(guò)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(guān)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(lèi)型，它可以通過(guò)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(xiàn)性相位曲線(xiàn)，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(guò)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(xiàn)性的相位曲線(xiàn)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(xiàn)，經(jīng)過(guò)精細(xì)地調(diào)試，最終與原對(duì)比曲線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行修正效準(zhǔn)，效準(zhǔn)參考曲線(xiàn)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(guò)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(tīng)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。