聲學：相位與濾波與作用

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

相位:

在擴聲系統中,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。聲音相位關系的正確與否(尤其是反相),將直接影響聲音還原質量。

但是,音響界似乎對系統的反相和相移并沒有給予高度重視。

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

文中討論音響系統的各種相位問題,分析相移對再現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。從實際應用中就能清楚地了解反相以及反相對聲音產生的影響。歸結起來,擴聲系統中的反相類型共有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,叫做經典濾波器或濾波電路。實際上,任何一個電子系統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的這個基本特點。而濾波器,則是根據電路參數對電路頻帶寬度的影響而設計出來的工程應用電路。

現代濾波

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

特性實現對信號中頻率成分的選擇。根據頻率濾波時,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,對于多數朋友們來說,這是一個既熟悉又陌生的名詞。在專業音響擴聲領域里,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,新的問題出現了:不同頻率因波長不同,在相同的參考測試點得到的函數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性而得到線性的關聯。我們把這種關系稱之為相位。

一幅關于頻響與波長相位關系的傅立葉轉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、或者多分頻擴聲系統中,由于距離與時間差的關系,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),從而產生梳妝濾波的效應。所以陣列揚聲器的高頻是分離開來,根據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。

一個有趣的物理現象產生了,我們在對低頻段部分做相位規劃的時候,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系密不可分。當低頻段聲源靠得越近時,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度以內的相差都可以產生疊加,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波長以內的距離,所以也根據頻率越高、覆蓋角度越窄、波長越短的客觀規律,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,其間距顯然更容易在前文所提到的1/4波長以外,將產生相消的低頻部分,可能會造成超低音之間出現類似于高頻間的聲干涉那樣的梳狀效應。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;甚至應用科學的相位技術手段,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。