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耳机HIFI基础之如何看指标 (四)相位失真

2011-03-23 10:54:22   作者:   评论:0 点击:

相位失真(PHASE ERROR)是一种线性失真,它指的是信号在传输和放大过程中发生了时间延迟。我们来看下面这张图:



图中两个波形分别代表输入端和输出端的信号。我们可以看到,两个信号的形状没有什么变化,差别只是下面的信号比上面的出现的时间晚了一点。这相差的时间(Δt)再根据信号的频率就可以换算成相位差。换算方式很简单,相位差PE=360×Δt×f,单位是,其中f是信号的频率。


相位失真产生的原因

我们知道,电容和电感对交流信号(电压或电流)具有延迟作用。当一个交流信号经过电容、电感和电阻的时候,总会有一个充放电的过程,这会导致这个交流信号的幅度变化时间向后推迟一段时间。在各种交流放大器中,采用的元器件或者是电感电容,或者是含有电感电容成分,任何一个放大电路或者元器件我们都可以通过等效电路转换成电感、电容、电阻和理想有源器件的组合,即使是性能非常好的元器件也不能幸免,包括传输导线也是如此,这是目前的科技水平说无法逾越的鸿沟。当然,不同品质的元器件其等效电容电感的数值也不一样,并且通过电路优化设计,可以尽量减轻这种影响,但是不管影响有多小,总是有的。所以,相位失真是不可能完全消除的,只要是传输导体和放大器,就会产生相位失真,只是量不同罢了。


相位失真对于音质的影响

从单纯的理解上看,相位失真只是把所有的信号向后推迟了一会儿,我们不过是晚了那么一点时间听到声音罢了。但是,实际情况绝非如此,相位失真实际上对于听感的影响是十分微妙的,在高水平的对比中,它甚至能够称为分出胜负的关键。在介绍相位失真对音质的影响之前,我们不妨先了解一下一些立体声重放的声学原理,以便充分理解相位失真的危害性。

一、声场定位

现在已有的研究表明,人对声音方向和距离的判断主要来自于三个方面:
一是响度优先:当两个来自不同方向同样频率的声音同时到达人耳的时候,我们会感到那是一个声音,并且感到声音的来源是两个声源中间的位置,哪边的响度越大,成像点越偏向哪边,当两个声源的响度差超过一定大小时,无论声源的距离有多少,弱小的那个声源几乎不起任何作用,这个差别大约是37dB(记忆的,可能不准确,有兴趣的朋友可以帮助查一下)。
二是时间优先:两个频率相同的声源同时发声,离人耳比较近的那个声源比较占优势,也就是最先到达人耳的声音优先,成像点会比较靠近较近的声源。如果不是同时发声,则先发声的声源占优势。当两个声源的时间差大于一定数值时,我们则会感到是两个声源了,不能被合成单一的成像点。这个时间差和各人的耳朵有很大关系,某些人比另外一些人更敏感。
三是耳廓、耳道效应:这是声音在耳廓和耳道内反射时产生的很复杂微妙的生理声学现象,目前还在研究当中。比较普遍的说法是主要有两个方面的影响,一是反射,使得声音发生微小的时滞,不同方向的声音产生的时滞不同;二是吸收,反射次数较多的声音的高频部分会被吸收较多,因此当转动脑袋的时候,声音的频响特性会发生变化,通常面部正对音源的时候吸收最少,听到的细节最为丰富,响度也较高。耳廓效应可以通过观察动物的表现可以推测出来,动物的耳朵通常会转动,当它们听到奇怪的声音的时候,会将耳朵竖立起来,并且向声音的方向来回转动。人的这个功能早已退化,因此只能靠转动脑袋来代替转动耳朵。

二、立体声放音系统的基本原理

立体声系统实际上时利用上面三种声学效应而设计出来的,当两个声源发出同样的声音的时候,我们不会感到时两个声源在发声,而是主动把这两个声源进行了合并,按照上面的原理想像出一个其实并不存在的居于两个声源之间的虚幻的声源。当这样的两个声源发出复杂的并带有部分差别的音乐时,就会使得我们产生一个声场的幻觉,每个乐器或者发声物是根据它们在两个声源的响度、时间的微小差别在我们的前方的相应位置产生幻像,这就是所谓的成像。在成像过程中,两个声源的响度、时间、频响的差别都会对成像点产生影响。这里的声源就是我们音响系统里的喇叭和耳机。

通过上面的一些知识,我们发现,时间差对于声像的定位起着非常重要的作用,在声场定位的三个原理中,有2个都与它有关。因此,相位失真是影响声场定位最为重要的因素之一。(并非唯一,响度也是非常重要的因素,那是后话,这里暂且不表)

如前所述,单纯的相位失真并不足以影响听感,但是实际上我们所碰到的相位失真根本就不是单纯的,这种不单纯的相位失真则会产生各种影响,主要有以下几个方面:

1
立体声系统中左右声道相位失真不一致
这是比较普遍的情况,尤其是在不怎么“HIFI”的系统中几乎是通病,它的意思是在同一个频率下,两个声道产生的延迟会有差异。当这个差异比较大的时候,就破坏了两个声道中音乐信号的相位关系,使得声像发生偏移,当然,这还不足以造成太大的问题,如果这种偏移是固定不变的,那么我们仍然不会察觉出来,因为我们并不知道录音现场的情况,无法进行对比。但是会有另外一个情况发生,就是我们对于时间差的变化所对应的声像位置并不是线性的,也就是说,这个时间差只有在一定范围内才会使得声像的位置发生较大的改变,如果太大就会分裂成两个成像点,如果太小,则基本无法察觉,并且,这还和声音的频率有很大的关系。于是,某些声音由于频率比较适当而会呆在它应该在的位置上而另外一些声音则会偏离应有的位置。这样就会造成声像的重叠,也就是通常所说的声场混乱。我们很多时候对于一个系统的评价是声场拥挤、混乱就和这个原因有关。
2
不同的响度下相位失真的不一致
对于一些比较低档的音响器材来说,这是非常普遍的现象。我们经常会说某套系统动态一上来声场就乱套了,就和这个有很大关系。某些器材在小功率输出下相位失真还比较效=小,一旦输出功率增大,相位失真急剧增加,通常这种增加的幅度在两个声道中是不一致的,因此同时加剧了声道间相位失真的差距,造成声像定位的混乱。
此外,由于乐器的响度是变化的,因此在一个相位失真严重的系统中,乐器的响度变化会造成其结像点的漂移,使得我们感到这个乐器在前后左右晃动,相位失真越大,晃动范围越大,甚至在某些时候会感到乐器被分割开了。这样就会严重影响听感。当然,这是一种非常极端的现象,即使是非HIF系统中也是少有的,或者即使有,也早已被更严重的问题说掩盖了。
3
强音和弱音的时间关系改变
这其实是相位失真的最大害处。我们知道,我们的耳朵具有一定的掩蔽效应。这个效应的意思是,当一个强音和一个弱音同时出现时,如果相差的响度大到一定程度,我们将不能感受到那个弱音的存在。由于相位失真的频率差异特性,有可能会把两个原本分开的声音叠加到一起,当这两个信号的响度差异较大的时候,微小的声音就会消失了。相位失真和系统的瞬态响应以及信噪比共同控制着这个系统对于弱音的表现能力,其中任何一个指标的缺陷都会造成系统细节表现变差,也就是我们说所说的丧失空气感”“质感
4
不同频率的信号相位失真的不一致
这个现象和现象3产生的结果有些相似,但又有一定差别。由于音乐中的高频往往含量比较少,弱音很多,所以不同频率的相位失真的不一致也会造成高频信息的损失。另外一个最重要的是,乐器的声音是由一些基音、谐波,以及它们的响度、时间关系等组成的,破坏了时间关系,就会导致乐器声音的质感发生变坏,某些谐波会被增强或者掩蔽。另外,由于这种和频率有关的影响会加剧互调失真的程度,也会对听感产生恶劣的影响。


音箱系统和耳机系统对于相位失真的不同要求

音箱系统和耳机系统相比,有着比较明显的原理差别。耳机通常利用的是前述第一、二个效应,对第三个效应几乎毫无利用。并且对于第二个效应也由于发声点距耳朵较近,影响也会相应有所弱化。因此说耳机系统对于相位失真的敏感程度要低于音箱系统。对于音箱系统来说,由于系统自身的相位失真和声音从音箱到达耳朵的时间(3米左右,可以计算出声音的传播时间,音速四334/秒)具有一定的可比性,因此,相位失真相当于将音箱向前或者向后了一定距离,听过音箱的人都知道音箱的摆位对于声场结像的重要作用,可以想像一只音箱前后左右移动几十厘米甚至几米对于声音的影响的程度。
但是,上面的情况并不等于耳机系统就不需要考核相位失真这个指标了,在前面的分析中我们知道,声音的细节表现和相位失真有着密切的关系,并且由于对定位作用影响的弱化,这个问题会凸现出来,因此仍然要重视这个指标,只是考核的角度发生了变化,从相位失真的大小转变成对一致性方面的要求更为苛刻。


解决相位失真的一些办法

对于耳机系统来说,主要是两个方面。一是对放大器性能方面的要求,也就是在设计时要充分考虑放大器相位失真的一致性(设计师各有高招,不提了)。二是重视放大器和耳机之间的匹配,使得由于耳机和放大器驱动不匹配所产生的相位失真达到最小。
对于音箱来说,还要考虑摆位的问题,利用摆位来抵消一部分相位失真。
另外,由于信号在传输过程中由于其自身具有电容和电感,也会产生相位失真,同样也需要得到一定的重视,尤其是在非常高级的系统中,传输问题不可忽视。

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