聲學：相位與濾波與作用

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

相位:

在擴聲系統(tǒng)中,由于傳聲器信號輸出線或音箱功率信號輸入線極性接反以及系統(tǒng)存在的相位失真等原因,會造成各種各樣的聲音反相位或相移問題。聲音相位關(guān)系的正確與否(尤其是反相),將直接影響聲音還原質(zhì)量。

但是,音響界似乎對系統(tǒng)的反相和相移并沒有給予高度重視。

多數(shù)音響工作者將系統(tǒng)連接完畢以后,根本不考慮傳聲器和音箱的相位;在進行設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)整時,也不考慮由于調(diào)整而有可能帶來的一系列相位失真,這對于現(xiàn)代音響系統(tǒng)來說,無疑是個缺憾。

文中討論音響系統(tǒng)的各種相位問題,分析相移對再現(xiàn)聲音造成的影響以及檢查和解決反相情況的具體辦法。

音響系統(tǒng)的反相包含兩方面,一是對于音頻信號來說,兩個同一聲音信號相位差為180°的情況;另一個是對于傳聲器和音箱來說,在同一聲音的驅(qū)動下,各音箱振膜之間、傳聲器振膜之間或音箱與傳聲器振膜之間振動方向相反的情況。從實際應(yīng)用中就能清楚地了解反相以及反相對聲音產(chǎn)生的影響。歸結(jié)起來,擴聲系統(tǒng)中的反相類型共有5種,即左右聲道音箱間反相、真實相位反相、傳聲器反相、多只音箱陣列中部分音箱反相以及一只音箱中不同揚聲器反相。

濾波:

只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過,而阻止另一部分頻率成分通過的電路,叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。實際上,任何一個電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度(對信號最高頻率的限制),頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個基本特點。而濾波器,則是根據(jù)電路參數(shù)對電路頻帶寬度的影響而設(shè)計出來的工程應(yīng)用電路。

現(xiàn)代濾波

用模擬電子電路對模擬信號進行濾波,其基本原理就是利用電路的頻率

特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時,是把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號,通過選擇不同的頻率成分來實現(xiàn)信號濾波。

1、當允許信號中較高頻率的成分通過濾波器時,這種濾波器叫做高通濾波器。

2、當允許信號中較低頻率的成分通過濾波器時,這種濾波器叫做低通濾波器。

3、設(shè)低頻段的截止頻率為fp1,高頻段的截止頻率為fp2:

1)頻率在fp1與fp2之間的信號能通過其它頻率的信號被衰減的濾波器叫做帶通濾波器。

2)反之,頻率在fp1到fp2的范圍之間的被衰減,之外能通過的濾波器叫做帶阻濾波器。

理想濾波器的行為特性通常用幅度-頻率特性圖描述,也叫做濾波器電路的幅頻特性。

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。

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、波長越短;而頻率越低,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—正半軸90度—180度—負半軸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(像認識頻譜曲線一樣的)認識相位曲線圖。

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,因此對擴聲是不會造成影響的,反之多聲源擴聲系統(tǒng)、或者多分頻擴聲系統(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,原理也是以一得三的。

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?最為簡單且通俗易懂的解釋就是:負責聲壓級表達的低頻部分,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?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波長以外的遠距離所帶來的差異。

這就恰巧與高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離。

再來看看超低頻的相位規(guī)劃,通常我們習慣將超低頻配合全頻揚聲器組的L、R聲道來進行布置,這樣做真的科學合理么?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沒有問題的。