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)出相同信號時，頻率與波長受到距離的影響，到達同一測點(聆聽位)時間各不相同，所帶來的相位函數(shù)也各不相同。如果不進行相位校準，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。

在一套科學合理的擴聲設(shè)計中，通常我們需要應(yīng)用一定的調(diào)試手段來使得同一聽音區(qū)域中具備相同信號的兩個或多個聲源素材得到有效的耦合銜接修正。而整個行業(yè)大多數(shù)工程師都能夠清楚地意識到這項工作的重要性。傳統(tǒng)的辦法則是進行延遲時間補償法來完成校準工作。

一個典型的分頻系統(tǒng)相位校準(如上圖快速傅里葉轉(zhuǎn)換所示)，其頻段疊加部分函數(shù)情況往往不僅是因為時間差而存在的。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對齊相位的說法。而我們知道聲音在空氣中的速度是多少呢?331.5 m/s+0.6T，這是一個常量，從來沒有過高頻的聲速，低頻的聲速的說法，因此應(yīng)用延時對齊法，看似對齊了相位時間差，實際上卻使得不同頻段到達人耳的時間發(fā)生了先后的改變，尤其在多分頻擴聲系統(tǒng)中。甚至在很多時候延時法是無法完全對齊不同聲源疊加部分的相位的，上圖也即是一個典型的案例。

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)對不同需求的分類濾波方式，它們都是針對音頻頻率響應(yīng)情況進行調(diào)節(jié)的。而還有一種濾波器，它的放置不會改變?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，實現(xiàn)對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：

當我們遇到一個分頻揚聲器系統(tǒng)調(diào)試工作時，無論是外置兩分頻、三分頻、四分頻，乃至更多的分頻方案，在根據(jù)揚聲器單元特性選擇好合理的分頻點與斜率后，剩下更多的工作則是進行頻段與頻段間的效準對齊工作。要使得每個頻段最終聯(lián)系成一條平滑的響應(yīng)曲線，相位效準必不可少。

這項工作除了存在于全頻與低音炮間，更存在于外置分頻揚聲器系統(tǒng)、陣列揚聲器系統(tǒng)、超低頻陣列系統(tǒng)等等，多種擴聲系統(tǒng)均可能涉及。以最常見的全頻與低音炮間的效準為例，我們似乎進行了有效的頻段分配來使得各種音域的信號各行其道，然而它們能夠有效地合為一體來重放初始聲源么?

為了讓一個初始聲源信號在擴聲方案中得到最真實的還原，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)聲壓級疊加公式Lp=20log(pe/p0)可知當聲壓增加1倍時，聲壓級增加6dB(注意：不同單元間的疊加不能簡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，分頻段的交叉頻點應(yīng)設(shè)置在-6dB位置左右最為合理，這樣耦合出來的頻響才會在最大程度上與其余頻段保持均衡。

那么我們怎么去定義有效的耦合區(qū)域呢?也就是說，哪些頻率段需要做這項校準工作呢?根據(jù)聲壓級相差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)的校準耦合，也即是做好了這兩個分頻頻段的銜接工作。

然而單從頻譜圖看來，表面上銜接了，實際上銜接么?測一測整體的頻率響應(yīng)就知道了。在分頻點可能會出現(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聲信號通過測試麥克風位置所收集回來的相關(guān)曲線圖。在分別紀錄下全頻與低頻的相位曲線后，將其對比起來看，會發(fā)現(xiàn)兩個有效的疊加區(qū)域相位關(guān)系往往是不重合的，除了時間距離差以外，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調(diào)整，最終因為不平行的相位關(guān)系，兩交匯區(qū)域也只能做到某點耦合，不能整段耦合，甚至于連延時器都沒有的調(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)來調(diào)整這個相位關(guān)系了。

筆者自身不太建議應(yīng)用延遲法進行效準工作的原因在于，簡單的分頻系統(tǒng)也許可行，但這似乎已經(jīng)改變了一個整體聲源的到達時間這樣一個客觀規(guī)律;而更復雜的分頻系統(tǒng)、多聲源的擴聲系統(tǒng)，多分頻與多聲源系統(tǒng)兼有的擴聲方案中，延遲法似乎早已不切實際。所以相位濾波器是一個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，我們可以在測試軟件中時時地發(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比曲線，經(jīng)過精細地調(diào)試，最終與原對比曲線在有效區(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行修正效準，效準參考曲線以較陡的一方作為標準依據(jù))。

所以，一套擴聲系統(tǒng)無論是否經(jīng)過效準，各頻段聲信號都能夠各行其道，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整體，能不能根據(jù)設(shè)計師的方案理念實現(xiàn)需求，能不能更真實地還原音源信號呢，這個程度的多少，取決于我們是否去做這件事，是否用對了科學的辦法去做，同時還取決于我們有什么樣的利器去做這件事。