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(shí)，頻率與波長(cháng)受到距離的影響，到達同一測點(diǎn)(聆聽(tīng)位)時(shí)間各不相同，所帶來(lái)的相位函數也各不相同。如果不進(jìn)行相位校準，就有可能產(chǎn)生某些頻率被抵消的現象，梳妝濾波因此而產(chǎn)生。

在一套科學(xué)合理的擴聲設計中，通常我們需要應用一定的調試手段來(lái)使得同一聽(tīng)音區域中具備相同信號的兩個(gè)或多個(gè)聲源素材得到有效的耦合銜接修正。而整個(gè)行業(yè)大多數工程師都能夠清楚地意識到這項工作的重要性。傳統的辦法則是進(jìn)行延遲時(shí)間補償法來(lái)完成校準工作。

一個(gè)典型的分頻系統相位校準(如上圖快速傅里葉轉換所示)，其頻段疊加部分函數情況往往不僅是因為時(shí)間差而存在的?；叵胍幌?，多少人誤傳著(zhù)高頻比低頻跑得快，需要給高頻做延遲來(lái)對齊相位的說(shuō)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(gè)常量，從來(lái)沒(méi)有過(guò)高頻的聲速，低頻的聲速的說(shuō)法，因此應用延時(shí)對齊法，看似對齊了相位時(shí)間差，實(shí)際上卻使得不同頻段到達人耳的時(shí)間發(fā)生了先后的改變，尤其在多分頻擴聲系統中。甚至在很多時(shí)候延時(shí)法是無(wú)法完全對齊不同聲源疊加部分的相位的，上圖也即是一個(gè)典型的案例。

這樣的現象出現了，怎么辦呢?我們都知道頻率濾波器的類(lèi)型，有高通(Highpass)、低通(Lowpass)、高架(Highshelf)、低架(Lowshef)還有帶通(Bandpass)與帶阻(Bandstop)等應對不同需求的分類(lèi)濾波方式，它們都是針對音頻頻率響應情況進(jìn)行調節的。而還有一種濾波器，它的放置不會(huì )改變任何的頻響，那就是相位濾波(Allpass)，它是一種真正的在不影響頻響表現的前提下，實(shí)現對相位及帶寬修正的濾波類(lèi)型。通過(guò)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。

調試案例：

當我們遇到一個(gè)分頻揚聲器系統調試工作時(shí)，無(wú)論是外置兩分頻、三分頻、四分頻，乃至更多的分頻方案，在根據揚聲器單元特性選擇好合理的分頻點(diǎn)與斜率后，剩下更多的工作則是進(jìn)行頻段與頻段間的效準對齊工作。要使得每個(gè)頻段最終聯(lián)系成一條平滑的響應曲線(xiàn)，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、陣列揚聲器系統、超低頻陣列系統等等，多種擴聲系統均可能涉及。以最常見(jiàn)的全頻與低音炮間的效準為例，我們似乎進(jìn)行了有效的頻段分配來(lái)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(lái)重放初始聲源么?

為了讓一個(gè)初始聲源信號在擴聲方案中得到最真實(shí)的還原，而不受到交叉頻段的干涉或缺失或突兀，需要假設的是，這套分頻系統的相位是得到了有效銜接的。根據聲壓級疊加公式Lp=20log(pe/p0)可知當聲壓增加1倍時(shí)，聲壓級增加6dB(注意：不同單元間的疊加不能簡(jiǎn)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(diǎn)應設置在-6dB位置左右最為合理，這樣耦合出來(lái)的頻響才會(huì )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域呢?也就是說(shuō)，哪些頻率段需要做這項校準工作呢?根據聲壓級相差9dB以上不再構成疊加的原理，我們考慮-9dB以?xún)鹊膮^域作為有效調試區域(上圖縱向紅線(xiàn)以?xún)确秶?。保證了該區域內的校準耦合，也即是做好了這兩個(gè)分頻頻段的銜接工作。

然而單從頻譜圖看來(lái)，表面上銜接了，實(shí)際上銜接么?測一測整體的頻率響應就知道了。在分頻點(diǎn)可能會(huì )出現的凹槽，其深淺程度、影響帶寬的呈現的可能性千奇百怪。這就說(shuō)明有效區域里，存在相位抵消的現象，這并不難發(fā)現，通過(guò)常用的Smaart音頻測試軟件傅立葉轉換界面中，我們能夠很直觀(guān)地記錄下一個(gè)聲信號通過(guò)測試麥克風(fēng)位置所收集回來(lái)的相關(guān)曲線(xiàn)圖。在分別紀錄下全頻與低頻的相位曲線(xiàn)后，將其對比起來(lái)看，會(huì )發(fā)現兩個(gè)有效的疊加區域相位關(guān)系往往是不重合的，除了時(shí)間距離差以外，還有函數線(xiàn)性位置不同(通俗地說(shuō)就是兩條曲線(xiàn)說(shuō)斜率不同)，這就出現了一個(gè)棘手的問(wèn)題，如果沒(méi)有相位濾波器的調試設備，工程師可能只能夠通過(guò)延遲法來(lái)調整，最終因為不平行的相位關(guān)系，兩交匯區域也只能做到某點(diǎn)耦合，不能整段耦合，甚至于連延時(shí)器都沒(méi)有的調試系統，工程師也許只能通過(guò)改變物理的音箱間前后關(guān)系結構來(lái)調整這個(gè)相位關(guān)系了。

筆者自身不太建議應用延遲法進(jìn)行效準工作的原因在于，簡(jiǎn)單的分頻系統也許可行，但這似乎已經(jīng)改變了一個(gè)整體聲源的到達時(shí)間這樣一個(gè)客觀(guān)規律;而更復雜的分頻系統、多聲源的擴聲系統，多分頻與多聲源系統兼有的擴聲方案中，延遲法似乎早已不切實(shí)際。所以相位濾波器是一個(gè)非常有用的濾波功能類(lèi)型，它可以通過(guò)在需要調節相位的頻點(diǎn)設置濾波，在不改變頻響的情況下，打斷原有的線(xiàn)性相位曲線(xiàn)，在工程師給出的既定頻帶范圍內反轉該頻段相位函數。通過(guò)Q值的調解，我們可以在測試軟件中時(shí)時(shí)地發(fā)現原始線(xiàn)性的相位曲線(xiàn)發(fā)生著(zhù)分離和變化，其斜率與帶寬更加地接近參考的對比曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)精細地調試，最終與原對比曲線(xiàn)在有效區域范圍內做到完全重合。(通常選用相位斜率較緩的曲線(xiàn)進(jìn)行修正效準，效準參考曲線(xiàn)以較陡的一方作為標準依據)。

所以，一套擴聲系統無(wú)論是否經(jīng)過(guò)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(tīng)感上，它們能不能融匯成一個(gè)整體，能不能根據設計師的方案理念實(shí)現需求，能不能更真實(shí)地還原音源信號呢，這個(gè)程度的多少，取決于我們是否去做這件事，是否用對了科學(xué)的辦法去做，同時(shí)還取決于我們有什么樣的利器去做這件事。