聲學(xué)：相位與濾波與作用

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

相位:

在擴(kuò)聲系統(tǒng)中,由于傳聲器信號(hào)輸出線或音箱功率信號(hào)輸入線極性接反以及系統(tǒng)存在的相位失真等原因,會(huì)造成各種各樣的聲音反相位或相移問(wèn)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(duì)系統(tǒng)的反相和相移并沒(méi)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(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)整時(shí),也不考慮由于調(diào)整而有可能帶來(lái)的一系列相位失真,這對(duì)于現(xiàn)代音響系統(tǒng)來(lái)說(shuō),無(wú)疑是個(gè)缺憾。

文中討論音響系統(tǒng)的各種相位問(wèn)題,分析相移對(duì)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(duì)于音頻信號(hào)來(lái)說(shuō),兩個(gè)同一聲音信號(hào)相位差為180°的情況;另一個(gè)是對(duì)于傳聲器和音箱來(lái)說(shuō),在同一聲音的驅(qū)動(dòng)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(dòng)方向相反的情況。從實(shí)際應(yīng)用中就能清楚地了解反相以及反相對(duì)聲音產(chǎn)生的影響。歸結(jié)起來(lái),擴(kuò)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(shí)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(yáng)聲器反相。

濾波:

只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò),而阻止另一部分頻率成分通過(guò)的電路,叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。實(shí)際上,任何一個(gè)電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度(對(duì)信號(hào)最高頻率的限制),頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個(gè)基本特點(diǎn)。而濾波器,則是根據(jù)電路參數(shù)對(duì)電路頻帶寬度的影響而設(shè)計(jì)出來(lái)的工程應(yīng)用電路。

現(xiàn)代濾波

用模擬電子電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波,其基本原理就是利用電路的頻率

特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時(shí),是把信號(hào)看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號(hào),通過(guò)選擇不同的頻率成分來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。

1、當(dāng)允許信號(hào)中較高頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí),這種濾波器叫做高通濾波器。

2、當(dāng)允許信號(hào)中較低頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí),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(hào)能通過(guò)其它頻率的信號(hào)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(guò)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(duì)于多數(shù)朋友們來(lái)說(shuō),這是一個(gè)既熟悉又陌生的名詞。在專業(yè)音響擴(kuò)聲領(lǐng)域里,相位濾波的重要性很多時(shí)候被忽略,有時(shí)候又會(huì)因?yàn)橐恍┖袈暟阉岬揭粋€(gè)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(shuō)起。

什么是相位:

由于(人耳聽(tīng)覺(jué)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(zhǎng)越短;而頻率越低,波長(zhǎng)則越長(zhǎng)。波長(zhǎng)又是什么呢?它是指一個(gè)正弦波頻率完成一個(gè)周期所需要經(jīng)歷的(由0度開(kāi)始—正半軸90度—180度—負(fù)半軸90度—回歸到0度)的過(guò)程。因此,新的問(wèn)題出現(xiàn)了:不同頻率因波長(zhǎng)不同,在相同的參考測(cè)試點(diǎn)得到的函數(shù)情況可能是千奇百怪的,但它們通常又會(huì)因?yàn)轭l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(zhǎng)相位關(guān)系的傅立葉轉(zhuǎn)變計(jì)算圖示能夠幫助我們更直觀地(像認(rèn)識(shí)頻譜曲線一樣的)認(rèn)識(shí)相位曲線圖。

相位給我們帶來(lái)的啟示:

我們所聽(tīng)到的聲音除了受頻響曲線的影響,它同時(shí)也受著相位曲線的影響。然而單點(diǎn)聲源的相位(單一的相位關(guān)系)由于其沒(méi)有相互作用力,因此對(duì)擴(kuò)聲是不會(huì)造成影響的,反之多聲源擴(kuò)聲系統(tǒng)、或者多分頻擴(kuò)聲系統(tǒng)中,由于距離與時(shí)間差的關(guān)系,多聲源相位因素相互作用的影響其實(shí)是相當(dāng)大的。

這也就解釋了為什么線陣列揚(yáng)聲器的垂直指向夾角很窄的原因:因?yàn)楦哳l波長(zhǎng)較短,陣列模塊與模塊間距產(chǎn)生的時(shí)間差會(huì)導(dǎo)致不同中高頻頻率的相位疊加與抵消(也稱相長(zhǎng)與相消),從而產(chǎn)生梳妝濾波的效應(yīng)。所以陣列揚(yáng)聲器的高頻是分離開(kāi)來(lái),根據(jù)高頻定位原理獨(dú)立計(jì)算覆蓋的。我們?cè)诹私膺@一原理以后可再進(jìn)而演化推理:為什么兩個(gè)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(shí)就很清楚了,原理也是以一得三的。

一個(gè)有趣的物理現(xiàn)象產(chǎn)生了,我們?cè)趯?duì)低頻段部分做相位規(guī)劃的時(shí)候,恰恰和高頻段的分離法相反。線陣列揚(yáng)聲器為什么能夠集中聲能投射得更遠(yuǎn)?最為簡(jiǎn)單且通俗易懂的解釋就是:負(fù)責(zé)聲壓級(jí)表達(dá)的低頻部分,因?yàn)槌拭芗嚵械牟贾?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(huì)干涉,而低頻距離靠近了會(huì)耦合呢?這也和頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系密不可分。當(dāng)?shù)皖l段聲源靠得越近時(shí),因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)更長(zhǎng)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(zhǎng)以外的遠(yuǎn)距離所帶來(lái)的差異。

這就恰巧與高頻的分離原理完全相反,因?yàn)楦哳l波長(zhǎng)過(guò)短,我們沒(méi)辦法將兩個(gè)聲源靠得能夠近到其1/4波長(zhǎng)以內(nèi)的距離,所以也根據(jù)頻率越高、覆蓋角度越窄、波長(zhǎng)越短的客觀規(guī)律,我們建議將高頻盡可能地遠(yuǎn)離。

再來(lái)看看超低頻的相位規(guī)劃,通常我們習(xí)慣將超低頻配合全頻揚(yáng)聲器組的L、R聲道來(lái)進(jìn)行布置,這樣做真的科學(xué)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(zhǎng)以外,將產(chǎn)生相消的低頻部分,可能會(huì)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(xué)的相位技術(shù)手段,以超低陣列的方式來(lái)控制超低頻的指向特性也是沒(méi)有問(wèn)題的。

所以在了解相位對(duì)音頻擴(kuò)聲的作用以后,就可以指導(dǎo)我們做出一些科學(xué)合理的判斷和設(shè)計(jì)方案來(lái),一個(gè)場(chǎng)地的相位規(guī)劃也在一定程度上決定了項(xiàng)目擴(kuò)聲方案的成功與否。這些遵循客觀原理的物理規(guī)劃能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試給出可靠的指導(dǎo)意見(jiàn)。