工作室監聽中的零相位

December 4 2019, 09:10

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如果你關注工作室監聽市場，目前行業中的產品包括大量採用類D功放和一些性能較高的DSP部分，能夠配置FIR濾波器的兩路和三路主動音箱。這並不是什麼新鮮事，過去幾年中，隨著越來越多高保真聲音的類D功放與越來越強大的DSP芯片（例如，Analog Devices公司的SHARC系列DSP模塊）的出現，這種情況一直在進行中。

一旦具有如此強大的DSP能力，就可以通過使用FIR和IIR濾波器來產生具有零相位配置、即線性相位的吸聲反應。為了快速簡要地說明，圖1顯示了一個帶有正常相位曲線的三路音箱。圖2在圖1的基礎上顯示了同一音箱的典型零相位曲線（紅線）。我還應指出，有一個名為“rePhase”的優秀免費軟件（見圖3），它使將音箱相位響應調整為零與調整音箱的振幅一樣容易，而且其GUI看起來像一個1/3倍頻段相位均衡器（可在http://rephase.org上獲得）。

由於高功率DSP技術的應用，有許多工作室監聽器製造商聲稱由於零相位和相應的脈衝和群延遲校正，其產品具有優越的主觀性能。這些主觀性能聲稱通常包括更緊密的低音和明顯擴展的音場，這兩個顯然是音箱性能中的正面方面。

圖1：這是一個三路音箱的振幅和未矯正的正常相位響應。

圖2：這是相同的圖表，上面覆蓋了零相位曲線（紅線）。

然而，一開始我應該指出的是，這種現象，如果你想稱之為現象的話，到目前為止，至少從我的研究來看，只存在於專業音響工作室監聽器社區中，這主要是因為高端雙聲道市場主要由 passsive 設計主導，這種相位校正變得非常困難甚至不可能。對我來說，這有點震驚，因為我唯一接觸到的零相位技術是在專業音響中用於合併音箱陣列或房間均衡。我記得70年代中期當 Technics 推出其帶有物理時間對齊且後退於低音反射板的 SB 系列時，線性相位音箱出現在表面（見照片1）。

最終，每個人似乎都意識到這樣做會帶來很多問題，而且袋鼠反射板幾乎從公共視野中消失了。那些日子關於相位、群延遲和聲學中心的問題造成了很多混亂，而我直到去年才意識到這又成為一個問題。

使用FIR濾波器將音箱的相位歸零以提高其主觀性能的暗示似乎是有缺陷的，因為多年來進行的所有研究都得出結論，即人耳對相位或群延遲不太敏感。考慮到這一點，我決定在這個問題上征求其他一些意見，並發送了電子郵件給幾位我非常尊重意見的人，問他們對零相位改善音箱主觀性能的概念有何看法。在這封電子郵件中，我只是簡單地討論了這個主題，沒有得出結論，並列出了一些宣傳其音箱具有零相位特性的工作室監聽器公司的網站。以下是幾位這些從業者的回應（其中有兩位擁有企業職位，無法公開回應，因此不在此處發表）。這些名單包括 Floyd Toole 博士、Wolfgang Klippel 博士、Andrew Jones 和 James Croft。

照片1：這是1970年代Technics的一個線性相位音箱示例，型號為SB-7000a。

弗洛伊德·圖爾（Floyd Toole）博士

作為傳輸函數的一部分，工程師們對於同時獲得振幅和相位正確（即波形保真度）感到吸引。結果發現，出於非常合理的原因，人類對於相位（即波形）不敏感，無論是貝多芬、階梯函數、方波等等。許多積極進取的研究人員對此進行了調查。但是，每隔幾年，相位再次成為音響再現中的“被遺忘因素”。現在，隨著DSP的出現，這種情況又再次出現。

換能器在其操作頻率範圍內是最小相位設備，這使得正確設置變得容易。讓它在軸上平坦且平滑，並且在軸外保持平滑 —— 讓 Spinorama 看起來好，聽起來也會好。因此，我們對振幅響應的波動非常敏感，尤其是與共振有關的波動。但是還存在一個異常 —— 我們聽到的是頻譜中的凸起，而不是時間上的鈴響。最近的研究表明，即使在低音頻率上，我們的直覺可能會得出相反的結論，我們也是如此。

以下是我在《聲音再現：音箱和房間的聲學與心理聲學》第三版中對這個主題的看法。

4.8 相位和極性 —— 我們聽得見波形嗎？—— 很久以前，作為我對聽覺系統的自我教育的一部分，我了解到內耳中的基本轉換過程是半波整流器。這一事實本身就足以讓人認為聲學壓縮會聽起來不同於聲學膨脹。我們應該對聲學波形中的細節敏感，因為它會使耳膜產生運動，從而啟動聽覺過程。基於這種簡單的邏輯，相位變化和絕對極性應該是可聽見的現象。

當然，我進行了一些測試，反轉了音箱的極性，並引入相位變化以扭曲音樂波形 —— 目的是尋找明顯的差異。但是，並沒有發現這些差異。至少在我聽的音樂、使用的音箱以及所用的音源上，沒有發現明顯的差異。也許我只是無法聽到這些東西。是的，有時候我覺得聽到了一些東西，但它們很微妙，很難重複。更換音箱帶來了巨大的差異。更換錄音公司或工程師也帶來了巨大的差異。但是，即使如此，極性反轉所帶來的預期“戲劇性”事件似乎並不存在，儘管從工程的角度來看，波形完整性的概念非常有吸引力。它們是可聽見的嗎，如果是，對真實世界聆聽有影響嗎？

4.8.1 相位變化和群延遲的可聽性 —— 振幅 vs. 頻率（頻率響應）和相位 vs. 頻率（相位響應）的組合完全定義了音箱的線性（不受振幅影響）行為。傅立葉變換使得可以將這些信息轉換為脈沖響應，當然，反向操作也是可以的。因此，系統的線性行為有兩種等效表示，一種是在頻率域（振幅和相位），另一種是在時域（脈沖響應）。

大量證據表明，聽眾喜歡線性（平坦和平滑）的振幅 vs. 頻率特性；稍後將展示更多。如 Toole（1986）所述的圖表（圖 7）和《聲音再現，第三版》的摘錄所示（見第 114 頁），顯示聽眾明顯更偏好具有平滑和平坦頻率響應的音箱。

同樣的《聲音再現，第三版》圖 5.2 也顯示了這些音箱的相位響應。很難看出與聽眾喜好之間的可靠關係，除了最高評分的音箱具有最平滑的曲線外，線性似乎不是一個因素。聽眾喜歡沒有共振迹象的音箱，因為共振會顯示為頻率響應曲線上的凸起和相位響應曲線上的快速上下偏差。最理想的頻率響應是水平直線的近似值。相應的相位響應沒有特殊的形狀，除了平滑性。這表明我們喜歡平坦的振幅頻譜，不喜歡共振，但我們似乎對一般相位變化不敏感，這意味著波形保真度不是一個要求。

如果選擇設計具有線性相位的音箱系統，則其應用的空間範圍非常有限。這種限制可以適應音箱的直接聲音，但即使是一個反射也會破壞這種關係。

因此，看起來：(a) 由於錄音環境中的反射，錄製信號的相位完整性幾乎不可能實現；(b) 設計能夠在大範圍內保持相位完整性的音箱存在挑戰，(c) 在通常有反射的房間中，音箱無法將信號傳達到聆聽者那裡。儘管如此，因為兩個耳朵和一個大腦似乎並不在意。

多年來，許多調查者試圖確定相位變化對聲音質量的影響（例如 Hansen 和 Madsen，1974年；Lipshitz 等，1982年；Van Keulen，1991年；Greenfield 和 Hawksford，1990年）。在每種情況下，都顯示，如果它是可聽見的，那是一種微妙的影響，最容易通過耳機或在無反射室中使用精心選擇或虛構的信號來聽到。普遍認為，在通常有反射的房間中，通過音箱播放音樂時，相位變化基本上或完全不可聽見。

當它作為差異是可聽見的時候，當它在開關中切換時，聆聽者是否有偏好並不清楚。其他人則關注了群延遲的可聽性：Blauert 和 Laws（1978年），Deer，Bloom 和Preis（1985年），Bilsen 和Kievits（1989年），Krauss（1990年），Flanagan，Moore 和Stone（2005年），Møller等（2007年）發現檢測閾值在1.6至2毫秒之間，在有反射的空間中更高。這些數據並未超出常規家庭和監聽音箱的範圍。

Lipshitz，Pocock 和 Vanderkooy（1982年）總結道：“所描述的所有效果都可以合理地歸類為微妙。我們在現有知識狀態下不主張相位線性換能器是高質量音響再現的要求。”Greenfield 和Hawksford（1990年）觀察到房間中的相位效果是“非常微妙的影響”，似乎主要是空間性的，而不是音色性的。至於是否需要相位校正，在沒有相位正確的錄音過程的情況下，任何聆聽者的意見都是個人偏好，而不是對“準確”再現的認可。

4.8.2 低頻相位變化；特殊情況 —— 在錄製和重現低頻時，當信號路徑中插入高通濾波器特性時，低頻出現相位變化的累積。這發生在第一步，即在麥克風中，然後在各種電子設備中，用於減弱錄音環境中不需要的低音。在混音過程中增加，存儲系統中增加，以及在不響應直流電的播放設備中增加。所有這些都以某種方式經過高通濾波。最有效的相位變換器之一是類比錄音機。

最終，在所有這些之後是無法對直流信號做出響應並且必須在下行頻率延伸上做出限制的音箱。我不知道是否有人對所有可能的貢獻進行了統計加總，但它一定是巨大的。顯然，我們在低頻時聽到的聲音被相位變化所損壞，幾乎無法識別。目前的問題是，這其中有多少是由低音揚聲器所貢獻的，它是否可聽見，如果可以，是否可以采取實際措施解決？是的，如果可以，我們是否可以在房間裡聽到？

Fincham（1985年）報告說，僅僅是音箱的貢獻就可以通過特別錄制的音樂和虛構信號聽到，但這是“相當微妙的”。作者聽到了這個演示並表示同意。Craven 和Gerzon（1992年）指出，高通濾波器響應引起的相位失真是可聽見的，即使截止頻率降低到5 Hz。他們說，這會使低音缺乏“緊密感”，變得“羊毛般”。他們表示，對低音進行相位均衡可以主觀地將有效低音響應延伸半個八度。Howard（2006年）討論了這項工作，以及從中產生的被放棄的產品。對於效果的可聽見程度存在分歧。Howard描述了自己的一些工作、測量和一次隨意的聽力測試。他認為，使用具有最小固有相位變化的低音吉他的自定義錄音時，當音箱相位變化得到補償時，存在有用的差異。這些練習都沒有報告控制的雙盲聽力測試，這將提供對可聽見與否以及是否有對其中一種條件的偏好的統計觀點。

總之，即使節目素材可能允許聽到一個效果，也存在不同的意見。這一切都假設節目素材是完美無瑕的，事實上並非如此，未來也不太可能如此。它還假設聽力環境是一個中立的因素，但正如我書中第8章所解釋的那樣，這當然不是。然而，如果能夠安排好這些其他因素，技術上是存在解決音箱殘留問題的方法的。

Figure 3: 這是 rePhase 軟件版本 1.4.3 for Windows 的主要操作界面。

Wolfgang Klippel 博士

聽覺濾波器將訊號分離在一個臨界帶寬內（高頻約為 1/3 倍頻段），接著的包絡檢測對組件之間的任何相位偏移都非常敏感。這導致了所感知的粗糙度和波動的變化。基於同樣的原因，振幅調製（低頻信號 f1< 100 Hz 調製高頻信號 f2> 300 Hz）產生的差異比相位調製（也就是多普勒效應）要大得多。有很多關於這方面的實驗（例如 Zwicker 的實驗）。因此，在一個臨界帶寬內的群延遲變化是關鍵點（通常為 1-2 毫秒）。

然而，由相位引起的感知變化很小，對聲音質量影響較小。由於最小相位特性引起的振幅效應佔主導地位。然而，如果您有多聲道系統（立體聲或更多聲道），50 毫秒的相位差異將改變聲音形象（指向性）。圖 4 展示了我有關音質的演講的摘要。

圖 4：這是從沃爾夫岡·克利普爾博士關於線性失真的演講中提取的有關可聽性和偏好的摘要。

安德魯·瓊斯

這個問題是關於利用DSP實現相位線性的概念，但首先看一下對被動揚聲器進行相位線性嘗試的情況會很有幫助。早期的嘗試基於一階分頻器的概念，錯誤地忽略了驅動單元本身的頻段限制。後來的工作明白了整體響應必須是一階的，這意味著驅動單元必須具有非凡的頻寬，以便整體響應可以正確地相加，而不會出現單元間的相位錯誤。這種方法與使用斜面或階梯式擋板進行聲學中心匹配的方法相結合。進一步的工作導致了更高階的非對稱分頻器或延遲增強分頻器的出現，但這些在被動方式下實現起來非常困難。

其中一種引人注目的方法是由Bang＆Olufsen（B＆O）開創的“填充單元”概念。這基本上是一個常規的雙單元揚聲器，其中包含一個填充單元來修正相位錯誤。這是一個巧妙的方法，但和其他方法一樣有缺陷。為什麼有缺陷呢？因為除了使用同心單元的相位線性揚聲器外，所有實現相位線性的揚聲器都僅在一個軸上實現了其相位線性。在其他任何角度，無論是水平還是垂直，都必須引入額外的差分延遲，因此消除相位一致性。

額外的限制是驅動單元需要寬頻段，這會引起功率和線性問題，並且在分頻點處有寬廣的重疊，導致偏離軸向上的大幅度響應不規則和功率響應差。

那麼這些實現是否會帶來更好的聲音？幾乎不可能確定這一點並將其與有限的相位線性聽覺效果聯繫起來。可以認為在揚聲器中改善性能的大多數方面都因這些措施而惡化。

然而，幾乎所有有關相位線性的研究都將聽覺效果的任何影響放在次要或第三要的位置上，並且不利於已建立的最大化音質的技術。如果我們能夠利用DSP解決所有這些問題該有多好？如果我們能夠設計一個揚聲器來滿足所有常規參數，然後在系統前修正相位錯誤？或者利用DSP的威力開發更好的分頻器，具有更好的幅度和相位響應？

這是一些新型DSP揚聲器所承諾的。然而，它永遠無法解決非共位驅動器在不同角度產生不同相位響應的主要問題。也無法在不引入顯著整體延遲的情況下修正相位錯誤。

詹姆斯·克羅夫特

我認為這些類型的相位校正可能有價值，但我對它們的價值觀可能與其他人不同。我發現，相關相位校正的聽覺效果（假設在進行相位校正前後，左右聲道之間沒有相位差異）可以分為兩類：

• 在無響條件下可以聽到的微小聽覺差異，但在標準的回響聽覺環境中聽不到（編者註：詹姆斯·克羅夫特在無響尾室進行了零相位揚聲器的聽覺測試，改善效果非常微小，在聽覺室中無法聽到。）

• 如果有大型相位錯誤的校正（大於大多數良好揚聲器中所發現的大小）則可以聽到聽覺差異。

因此，我發現這種相位校正措施的最佳用途不是為了改進標準揚聲器，而是提供一種工具來開發其他更可聽性類別的增強性能。我認為我的兩個主要類別是：

1）校正相位響應以修正造成幅度異常的相位錯誤，這些相位錯誤導致了幅度異常。

2）更重要的可能是，允許系統的相位校正，這些系統被“特意”設計成具有大的相位錯誤，以換取其他性能增益（例如，改善大信號能力）。

在第2類中發現的一個重要例子是使用敲擊喇叭。如果構建一個雙敲擊喇叭，其中一個敲擊喇叭的調諧頻率為20 Hz，第二個敲擊喇叭的調諧頻率約為26 Hz，這將在第二個敲擊喇叭中產生最小的行程，而第一個敲擊喇叭則有最大的行程。如果將它們並聯運行，並且對每個敲擊喇叭的響應進行EQ調整，以使其最大行程過載最小化，您可以“可能”顯著增加相同尺寸的驅動器和箱體體積的系統輸出。我說“可能”，因為它們的輸出受到兩個調諧頻率周圍急劇相位變化的影響，因此系統部分地互相抵消而不是相加。

然而，通過相位校正，這兩個系統可以使彼此處於同相位，並展現零相位差的全部大信號幅度效益，以及完整的幅度總和。因此，在這種情況下，這種好處與改善聲音“質量”的相位錯誤無關，而是使用改進的相位校正來改善聲音“量”。

該系統確實經過相位校正，但這種改進的方面在聽覺上是微不足道的。但是大信號的改進約為7 dB。我寧願接受這一點，而不是努力去聽到相位變化！

當我將一個四階單調諧帶通濾波器與一個六階雙調諧帶通濾波器並聯並將它們集成為混合系統時，我發現了同樣的效果。如果沒有相位校正，實際上會出現幅度損失，但是通過相位校正，可以實現5 dB至8 dB的增加的大信號能力。還有更多的例子，但這些是這種類型的相位校正可以產生“現實世界”回報的方式。

總之，從這些言論中您可以推測出，幾乎所有人都持有相同的觀點。相位變化無論是不變還是調整到零度位置，都不太容易聽出來。如果您是在無響尾環境中聽音樂，零相位可能會帶來非常微小的改善，但是在相位受到房間反射影響的聽音環境中，您可能聽不到任何微小的改善。

正如克羅夫特指出的那樣，零相位具有合法的用途，可以提供實質性的優勢，例如在錄音室、電影院、家庭影院和高端雙聲道家庭應用中找到的Trinnov房間校正設備。然而，Trinnov是在房間環境中引用零相位，這有助於在聽音空間中多個揚聲器的總和。但是，這與為揚聲器的無響尾響應提供零相位增強完全不同。

資源

F. E. Toole，《聲音再現：揚聲器和房間的聲學與心理聲學》，Routledge出版社，2017年。

本文最初發表於《Voice Coil》，2019年10月。

關於范斯·迪卡森（Vance Dickason）

范斯·迪卡森自1974年以來一直在揚聲器行業中從事專業工作。自1986年以來，他一直是《揚聲器建造者》雜誌（現在是audioXpress）的特約編輯，在1987年11月成為《Voice Coil》雜誌的編輯，該雜誌是揚聲器行業的月刊期刊，今天由KCK Media Corp出版。

他的全球知名書籍《揚聲器設計食譜》現已出版第8版，由KCK Media出版。作為音頻工程學會的終身會員，范斯因其對音頻教育的長期貢獻於1995年獲得AES Citation Award，並於2013年獲得ALMA（現在是ALTI協會，即揚聲器製造商和聲學協會）頒發的貝利鋁獎（終身成就獎）。自2001年以來，他也以范斯·迪卡森顧問的身份在俄勒岡州波特蘭從事業務，作為獨立的揚聲器製造商工程顧問。