如何理解声音的相位,以及利用Smaart工具进行相位对齐


文章内容来自HD199论坛注册会员“北斗星空”


一、什么是相位?相位、时间、距离的关系?


相位(Phase),有一些朋友会觉得有点抽象,简单来说,相位就是时间特性的反映,代表一个周期运动的波形,当前时刻在一个周期内的位置。


相位的单位是度,一个理想正弦波在一个完整周期内,相位将从0度变化到360度,期间经历一个波峰和一个波谷,最后回到原始位置,之后周而复始。


如果将波的起始时刻相位定义为0度,那么假定波形从正向振动开始,波峰相位就是90度,波谷相位是270度,两者相位相差180度。


如下图:

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在一定的传输介质里,声波是按照固定速度向前行进的(15度空气内340m/秒、20度空气内344m/s,25度空气346m/s,大家可以根据自己的实际环境温度取),对于指定频率的声音信号,相位、时间、距离可以按照固定的简单公式进行换算:

(1) 相位和距离的对应关系。声波的速度=波长*频率。比如80Hz信号,其波长等于速度/频率=340m/80Hz=4.25m。也就是说,当两个80Hz信号的行进距离相差一个波长4.25m,此时相位相差360度,如果距离相差2.125米,那么相位相差180度,其它以此类推。由此也可推出相位与距离的换算公式为:距离差=波长*相位差/360=(声波速度/频率)*(相位差/360)


(2) 相位和时间的对应关系。前面讲过,相位就是周期信号时间特性的反映,所以相位差可以与时间差相互换算,相位在一个周期内会走过360度,那么相位差与360度的比例关系就等同于时间差与信号周期的比例,即是:时间差/周期=相位差/360,得出,时间差=相位差/(360*频率),以80HZ信号为例,假定相位差为30度,那么时间差=30/(360*80)=1.04ms。


根据上面的推导,当信号频率指定,相位差与距离差、时间差可以按照固定的常数比值来换算,上面的公式在后边的调试中会用到。


二、为什么要进行相位对齐?

好,说完了相位的概念,就比较好理解在调试中,为什么要进行相位对齐了。


一个单一信号的绝对相位在听觉上是没有多少意义的,只有当多个声源信号叠加,信号间的相位差才会对听觉产生直接影响。很多人都熟知,音响调试中要避免出现反相叠加,为什么呢,下面这个图来解释。


当两个正弦波声源的相位完全一致的情况下,叠加后仍然还是一个完整的正弦波。但是如果两个声源在相位上正好相差180度,这个时候就是反相,当一个信号运动到波峰,另一个信号正好运动到波谷,这样峰谷叠加,形成反相抵消。体现在听觉上就是这个频率上的声音电平会急剧下降,听感发虚。所以,我们进行相位对齐的目的,就是要确保两个不同声源的声音到达人耳的相位、时间应该保持一致。如果一旦存在相位差,就需要进行调整。极端情况是相位正好差180度,这样同频段信号将完全抵消,当然,现实情况里不一定是完全的180度反相,音响工程里有一个经验值,就是两个信号相位差在120度至240度之间(时间相差1/3周期—2/3周期),人耳就会明显感受到相位抵消带来的音质下降,只要两个信号的相位差落在这个区间内,都要及时通过调整来修正。所以,有的低音炮提供单一的180度反相按钮,应付简单极端反相状况,有的提供0到180度连续变化旋钮,就是为了满足不同的相位差调整。


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三、AV功放的距离能够用激光尺或者各种皮尺的测量结果去修正吗?


要回答这个问题先要搞清楚AV功放为什么要测距离,以及这个距离参数是用来干啥的。


AV功放测距离不是为了校正各声道电平,也不是为了提醒你音箱位置摆的对不对。AV功放测距离的目的,主要就是为了做各声道的相位或者说时间对齐,使各声道的到达人耳的相位和时间一致。

功放测距的过程,是先发出测试信号,然后由测量话筒接收,之后功放电路分别统计各个声道信号发出与测量话筒接收到信号的时间差,然后以到达时间最长最慢的那一个声道为基准,通过内部延时电路将其他声道的相位和时间依次施加一定延时,从而与这个最慢声道对齐。前面讲过,声波的传输速度在固定介质内是一定的(340m/s),距离=340*时间,那么AV功放所显示的这个距离,其实就是代表信号发-收总时间。如果人为去更改这个距离,那么就意味着,功放会以你新设置的距离参数,去换算新的时间差,然后利用这个新的时间差去重新对各个音箱进行延时修正。


那么问题来了,很多人去买激光尺,虽然光学手段能够精确测量出喇叭外表到测量话筒之间的距离,但是由于信号从发出到驱动喇叭响应发声,中间还要经过前后级一系列的电路处理以及喇叭响应时延,很多人会注意到,功放测低音炮的距离通常会比实际距离明显大,这个并不是功放的错误,其实就是因为低音炮相比其他音箱额外多出一段处理电路,特别是有些朋友还加了低管,也会加大处理时延,并且大口径的低音喇叭在信号响应上也比普通喇叭慢,上面这段时间是光学手段测不出来的,如果用激光测出来的物理距离去装订到功放,将会漏掉这一段时延,从而导致功放会以不正确的时间差去修正各声道。


所以结论是,用测外在物理距离的方式去修正AV功放的距离参数是不可取的。


四、如何利用Smaart来进行相位对齐?


不管什么测量方式,肯定会存在误差。有时候我们不太信任AV功放的测距和延时处理误差,所以有的朋友会在跑完奥德赛和低音炮EQ以后,继续采用观察融合曲线中分频点附近电平是否明显下降,来判断这个频段是否存在相位抵消,然后通过缓慢微调功放距离或者低音炮相位去寻求改善这个抵消,这个方式从原理上是正确的,前面已经讲过,相位发生抵消的结果就是电平下降,但是因为肉眼观察的误差,以及空间反射和音频信号本身的丰富和复杂性,这种由观察现象结果去倒推处理措施的方式,存在一定的随机性,有时候也不一定能够很快凑效,而且来回反复时间也比较长。


如果有某种测试手段能够帮助我们直接测量出声音相位来,那依据这个相位测试结果来修正就相对来说更加准确。SMAART是专业扩声业内一款常用声学测试软件,相比REW的一过性测量,SMAART的优点是实时分析,能够实时反映测试结果的动态变化,我也看到论坛有些朋友有用Smaart的RTA实时频谱分析模块,辅助找炮位什么的,其实这款软件还有一个很强大的功能模块,就是transfer模块(传递函数模块),transfer模块会提供对信号的直接相位测量功能,可以方便的用它来进行AV系统的各声道的时间修正。这里推荐使用Smaart V7,网上有河蟹版下载。


由第一节关于相位与距离、时间换算关系的推导过程可以知道,在实际调试中,对于一定频率的信号,可以通过调整距离、或者调整延时的方式来实现相位对齐,反映到实际应用中,有如下三种方式:


——在AV功放里,可供调整的参数是距离,那么可以通过调整不同声道的距离参数来对齐相位;
——如果使用的是专业数字处理器,里边会直接提供延时调整功能,那么可以直接通过调整延时来对齐相位;
——当然,如果只需要对低音炮相位进行0到180度范围内的单向相移调整,也可以直接用低音炮相位旋钮来调。


基本过程:


(1) 硬件连接


要使用SMAART的transfer工作模块,需要硬件连接部分如下图:需要一根一分二的音频线,一端接到声卡的一个输出通道上,然后分别一路进声卡输入(作为ref参考测量通道),另外一路进功放模拟输入,另外,就是常规的测试话筒接到声卡的另一个输入。


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(2) 查看功放奥德赛后的距离测试结果


 天龙X8500跑完奥德赛后的各声道距离如下所示,因为该系统是使用了声卡EQ进行低频管理的,所以低音炮的距离明显是要比实际大的。


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(3) 开始测试


打开smaart的transfer传递函数窗口,激活pink noise粉红噪声测试信号,点击右边下方的三角形开始键,开始测试。(由于房间复杂反射叠加和现实的声音频谱非常丰富,一个频点的相位是不可能固定不变的,会在一定范围跳动,为了有利于静态观察和捕捉,我们需要将平均时间拉长到7s,然后对相位曲线选择1/12倍频程平滑,由于平均时间较长,大家从点击开始后要等待7秒钟以上,曲线稳定后再判读)


重要提示:smaart的transfer传递函数是采用测量通道与参考通道相对测量的方式来进行,要确保测量结果正确,必须要首先修正ref参考通道与主测量通道两个通道之间的时延,具体操作就是在pink noise设置为全频段信号的情况下(不能是低音信号,低音测不准,原理不赘述了),点右边的小按钮find,然后insert插入这个延时补偿,如果没有这个操作,测量结果会不正确,会发现相干性曲线在大量频段发生畸变,这个很关键,务必别忘记这一步。


Smaart的传递函数测试窗口包括两个部分,上方为相位曲线,下方为频响曲线,可以同时观察相位和频响情况。并且非常方便的是,可以按空格键实时捕捉测试结果。分别捕获低音炮和主箱的测试结果,并叠加显示,如下图:


我的主箱和炮的分频点设置为60Hz,放大局部窗口,重点观察60HZ附近的相位差异。鼠标移动至横坐标60.5Hz处,可以读取到主箱的相位为-123度,低音炮的相位为-155度,主箱相位在低音炮相位之上,相差32度。


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重点:相位在上面的信号,说明其到达时间相比下边那个信号偏早,为了对齐,这时我们就需要对相位靠上的那个信号进一步增加延时,反之如果相位靠下,那就是减少延时。反映到AV功放的距离设置方面,就是通过增减AV功放的距离值,达到改变该声道延时的目的,具体的修改,这时有两种选择,要么将主箱的距离修改为更近的值,要么将低音炮的距离修改为更远的值,这里我们选择后者,原因前面讲过,由于我的距离测试结果中,低音炮距离最远,功放将以最远的低音炮声道为基准,将其他声道做延时与之相位对齐。如果单方面修改主箱的距离,虽然可与炮对齐,但又同时改变了主箱与其他声道的相位差,造成对齐了一个声道,搞乱了其他声道的不利结果,所以,要改,就只改作为基准信号的低音炮声道距离,通过公式换算,已知60Hz处的相位差大概32度,根据我前面的计算公式,距离差=(340/60)*(32/360)=0.5米。当然,这个值是简单公式计算,与现实结果会存在一定误差,所以设置后还需要通过两三次小范围的微调来进一步精确修正。最终我的低音炮距离由5.83米增加到6.26米,最终选择的增量是0.43米,这是60HZ附近的相位达到对齐了。如下图:


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(4) 结果复核


调整以后,复核一下主箱和低音炮融合后的情况,如下图所示。由图中可知,60Hz分频点附近已经平坦。


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既然这时相位已经对齐同相了,我们来验证一下如果把低音炮的相位旋钮旋转180度,是否会造成反相抵消的现象呢?结果证明了我们的猜想,答案是确定的,炮相位反转180度以后,我们看到融合曲线在60Hz的电平明显下降,并且上方的相干性曲线也相应在60HZ附近有一个向下的尖峰,说明60HZ处的信号相干性明显变差(顺便解释一下相干性曲线(coherence),在smaart里,相干性曲线的定义,就是代表当前测量信号与原信号的偏差程度,如果相干性下降,一般就是说明此频点的信号畸变严重,发生了声干涉、抵消或无关干扰)


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玩音响,玩电声设备,需要理论与实践相结合,首先不能当纯理论家,去刻板机械的照搬理论,往往容易一叶障目。理论是理想、规范和确定的,但现实世界却是丰富,模糊、不确定、并且存在诸多约束条件的,一定要对这个差异心中有数。比如世界上没有一模一样的树叶,地球也不可能是一个理想圆形,所以一定要灵活运用,活学活用是根本,首先熟知理论的前因后果,然后通过实际操作去不断的验证、去修正。通过试验,一方面证明了理论指向的基本方向是对的,进一步坚定了对基础理论的敬畏之心,同时另一方面也强烈体会电声这个东西的复杂和有趣。

 

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