声学：相位与滤波与作用

2016-10-26 by:CAE仿真在线来源:互联网

相位:

在扩声系统中,由于传声器信号输出线或音箱功率信号输入线极性接反以及系统存在的相位失真等原因,会造成各种各样的声音反相位或相移问题。声音相位关系的正确与否(尤其是反相),将直接影响声音还原质量。

但是,音响界似乎对系统的反相和相移并没有给予高度重视。

多数音响工作者将系统连接完毕以后,根本不考虑传声器和音箱的相位;在进行设备和系统调整时,也不考虑由于调整而有可能带来的一系列相位失真,这对于现代音响系统来说,无疑是个缺憾。

文中讨论音响系统的各种相位问题,分析相移对再现声音造成的影响以及检查和解决反相情况的具体办法。

音响系统的反相包含两方面,一是对于音频信号来说,两个同一声音信号相位差为180°的情况;另一个是对于传声器和音箱来说,在同一声音的驱动下,各音箱振膜之间、传声器振膜之间或音箱与传声器振膜之间振动方向相反的情况。从实际应用中就能清楚地了解反相以及反相对声音产生的影响。归结起来,扩声系统中的反相类型共有5种,即左右声道音箱间反相、真实相位反相、传声器反相、多只音箱阵列中部分音箱反相以及一只音箱中不同扬声器反相。

滤波:

只允许一定频率范围内的信号成分正常通过,而阻止另一部分频率成分通过的电路,叫做经典滤波器或滤波电路。实际上,任何一个电子系统都具有自己的频带宽度(对信号最高频率的限制),频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器,则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。

现代滤波

用模拟电子电路对模拟信号进行滤波,其基本原理就是利用电路的频率

特性实现对信号中频率成分的选择。根据频率滤波时,是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号,通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。

1、当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做高通滤波器。

2、当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时,这种滤波器叫做低通滤波器。

3、设低频段的截止频率为fp1,高频段的截止频率为fp2:

1)频率在fp1与fp2之间的信号能通过其它频率的信号被衰减的滤波器叫做带通滤波器。

2)反之,频率在fp1到fp2的范围之间的被衰减,之外能通过的滤波器叫做带阻滤波器。

理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述,也叫做滤波器电路的幅频特性。

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。

什么是相位:

由于(人耳听觉范围内20Hz—20KHz)的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。

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。