相位對立體聲音頻的影響

〔摘 要〕自19世紀(jì)后期留聲機(jī)技術(shù)產(chǎn)生開始，隨著錄音介質(zhì)的變化，可以錄制的內(nèi)容與可供使用的軌道也在不斷上漲，可用的聲道也從單聲道變成了立體聲，甚至從5.1演變到了7.1多聲道。這些變化雖然為錄制與回放提供了非常還原的聲場與精準(zhǔn)的聲源定位，但是也帶來了不同的拾音器/揚(yáng)聲器之間的相位干涉，本文所探討的問題是對于立體聲的拾音以及回放中，不同的相位關(guān)系帶來的相位耦合與相位干涉，并且舉例通過延遲效果器與InPhase插件處理相位干涉的異同，并根據(jù)一個(gè)樂隊(duì)現(xiàn)場的錄音分析相位問題出現(xiàn)的階段以及如何通過調(diào)整距離和后期效果來減少相位問題。

〔關(guān)鍵詞〕相位；錄音技術(shù)；擴(kuò)聲技術(shù)；干涉

一、相位的物理屬性

（一）相位的定義

相位是一種在聲波運(yùn)動(dòng)中位置的標(biāo)度，通常用角度作為單位。當(dāng)信號(hào)周期循環(huán)的時(shí)候，一個(gè)循環(huán)為360°。兩個(gè)或者復(fù)數(shù)相同幅度但是不同相位的正弦波進(jìn)行疊加的時(shí)候， 會(huì)由于相位的不同而產(chǎn)生相互耦合與相互干涉的狀況。

（二）極性與相位的關(guān)系

極性（Polarity）和相位（Phase）是經(jīng)常容易混淆的兩個(gè)概念。任何信號(hào)都擁有它的極性，這是指信號(hào)的電壓在相應(yīng)時(shí)刻處于零度線的上方或是下方，設(shè)備上的反轉(zhuǎn)極性按鈕（通常使用）只是簡單地把電壓的正負(fù)交換了一下，在一些模擬設(shè)備上可以交換“冷”“熱”信號(hào)線的接口做到相應(yīng)的效果，通常會(huì)在兩只拾音器面對面放置的時(shí)候使用極性翻轉(zhuǎn)來避免相位抵消造成的失真，需要注意的是極性反轉(zhuǎn)不會(huì)造成任何時(shí)間上的位移，它僅僅是簡單地置換了空氣分子的壓力與電信號(hào)的關(guān)系。

在很多效果器與調(diào)音臺(tái)中極性經(jīng)常會(huì)被錯(cuò)誤地標(biāo)記為=或者180°，然而極性翻轉(zhuǎn)=180°相位位移的情況僅僅發(fā)生在180°位移相位時(shí)能夠完全抵消的情況，例如正弦波以及振膜相對擺放的拾音器，但是現(xiàn)實(shí)中我們需要面對更加復(fù)雜，具有更多泛音的波形，例如以同一角度朝向聲源但是不同距離的拾音器，聲源產(chǎn)生的聲音到達(dá)兩個(gè)拾音器之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間差，最常見的就是近場拾音器與“房間”拾音器之間的相位差導(dǎo)致的相位失真。

在相位問題導(dǎo)致失真的情況下，使用極性反轉(zhuǎn)能夠解決問題的情況十分罕見，使用相位調(diào)整工具（例如Waves的InPhase）可以更好地解決問題。

（三）人耳與相位

人耳對聲音的相位變化相當(dāng)程度上的不敏感，但是當(dāng)兩個(gè)或者多個(gè)正弦波疊加在一起的時(shí)候，相位對于波形的形狀改變十分明顯，但體現(xiàn)到聲音卻并沒有什么顯著的變化，但是人耳在某些特定的情況下對相位敏感，特別是當(dāng)兩個(gè)相同頻率的正弦波合成的時(shí)候，不同的相位會(huì)影響合成后波形的幅度，并且人耳使用聲源到達(dá)雙耳的相位差來定位空間聲源，用某種相位處理可以“欺騙”聆聽者令其定位聲源在一個(gè)虛擬的點(diǎn)上，例如 “假立體聲”技術(shù)，就是使用一個(gè)單聲道信號(hào)，分離高頻與低頻，然后在兩個(gè)聲道之間做延遲用來 “欺騙”聽眾的耳朵，這個(gè)方法通常用于重新發(fā)行很久以前單聲道時(shí)期的專輯。

二、相位在立體聲擴(kuò)聲與錄音中的影響

（一）相位在錄音方面的作用及影響

錄音技術(shù)隨著科技的發(fā)展也在不斷地演變，最開始受到硬件條件的限制只能用一只拾音器拾取整個(gè)樂隊(duì)的聲音，現(xiàn)在由于多軌錄音技術(shù)的發(fā)展可以使用復(fù)數(shù)只拾音器拾取每個(gè)聲部甚至于每樣樂器的聲音，拾音器數(shù)量的增加固然給后期帶來了非常大的平衡與修整空間，但是由于拾音器拾音原理與拾音器擺放位置的限制，主拾音器與點(diǎn)拾音器或者點(diǎn)拾音器與點(diǎn)拾音器之間常常會(huì)產(chǎn)生串音的現(xiàn)象，并且由于不同的拾音器拾取的樂器并不相同（指向不相同），所以同一個(gè)樂器的聲音傳遞到不同的拾音器的時(shí)間并不均等。這導(dǎo)致了各個(gè)拾音器拾取的同一樂器聲音時(shí)并不是同步的，而是具有一定的延遲，當(dāng)延遲較大（大于40ms）的時(shí)候聽上去就像是回聲，這是由于人類聽覺上的哈斯效應(yīng)（又稱第一波陣面定律）造成的，在延遲聲音不高于原聲音10dB的狀況下，40ms之內(nèi)的延遲聲與原聲疊加時(shí)人耳無法分辨延遲聲與原聲，但是超過40ms的延遲則會(huì)明顯感覺到回聲的存在。當(dāng)延遲較小時(shí)，延遲聲與原聲疊加則不同頻率之間會(huì)出現(xiàn)相位的耦合與干涉現(xiàn)象，例如聲源是1kHz的正弦波，當(dāng)兩個(gè)拾音器相距0.17m時(shí)，距離較遠(yuǎn)的那個(gè)拾音器拾取的聲源信號(hào)將與距離較近的拾音器產(chǎn)生180°的相位差，出現(xiàn)相位抵消的狀況。

（二）相位在擴(kuò)聲方面的作用及影響

由于科技的發(fā)展，現(xiàn)場擴(kuò)聲對聲音還原度的要求也逐漸增高，尤其是處于開放式空間中的現(xiàn)場擴(kuò)聲，由于失去了房間的吸收與反射，對聲壓級(jí)與復(fù)數(shù)揚(yáng)聲器的組合提出了很高的要求?，F(xiàn)在的現(xiàn)場擴(kuò)聲通常使用復(fù)數(shù)分頻揚(yáng)聲器組合來完成對聲源型號(hào)的重建，其中就是由于相位干涉的問題，在分頻的時(shí)候通常依據(jù)頻率的高低分為兩分頻或者三分頻，根據(jù)不同頻率將不同的揚(yáng)聲器置于不同的位置，例如高頻波長較短，為了防止相位干涉產(chǎn)生的梳狀濾波所以需要擺放在舞臺(tái)兩側(cè)，而低頻波長較長，靠近反而會(huì)耦合產(chǎn)生更大的振幅，雖然通常認(rèn)為低頻不具有指向性（覆蓋角度為360°左右），但是可以用相位干涉的技術(shù)手段，利用低音陣列組合的方式來控制低頻和超低頻的指向性。

三、錄音中相位差的產(chǎn)生及其分析

（一）交響樂錄制中主拾音器+點(diǎn)拾音器模式

雙管編制的交響樂錄音中經(jīng)常會(huì)采用一對吊頂主拾音器+復(fù)數(shù)補(bǔ)聲點(diǎn)拾音器的錄音模式，通常主拾音器（全指向）會(huì)以指揮臺(tái)為中點(diǎn)相距60cm并90°垂直于地面吊于空中，一對AB制式弦樂補(bǔ)聲拾音器（全指向）則由拾音器架升高至主拾音器相同高度平行于地面并朝向樂隊(duì)，木管組的補(bǔ)聲拾音器對（全指向）則放置在木管組前方以指揮臺(tái)為中線60cm平行于地面朝向木管組，打擊樂補(bǔ)聲則放置于各個(gè)打擊樂器面前做近場拾音。

由于AB拾音是相位差拾音制式，所以在主拾音器組和第一（弦樂）補(bǔ)聲拾音器組之間會(huì)存在一部分的相位耦合與干涉，在第二（木管）補(bǔ)聲拾音器組與打擊樂拾音器組亦會(huì)存在一定的相位耦合與干涉，這是由于主拾音器組與第一補(bǔ)聲拾音器組＼第二補(bǔ)聲拾音器組與打擊樂拾音器組之間的角度差與距離差造成的。通常以主話筒作為相位修正的目標(biāo)。

（二）鼓組錄制中點(diǎn)拾音器+吊頂拾音器模式

鼓組錄音時(shí)的常見配置是底鼓兩只分別在底鼓里外，軍鼓兩只在軍鼓上下，嗵鼓三只拾音器分別拾音，吊頂則是一對心形指向性的拾音器以AB格式90°垂直于地面朝向镲片。

鼓組錄音時(shí)經(jīng)常為了拾取鼓的不同部分而使用復(fù)數(shù)只拾音器拾取同一個(gè)鼓的聲音，例如軍鼓的上鼓皮和下鼓皮與底鼓的鼓面與鼓內(nèi)，這些拾音器的位置都具有180°的相位差，鼓組的吊頂拾音器經(jīng)常也會(huì)和嗵鼓的拾音器以及軍鼓的拾音器產(chǎn)生相位抵消，這是由于軍鼓和嗵鼓的聲音傳遞到兩個(gè)拾音器的時(shí)間差造成的。

（三）鋼琴錄制中近場拾音器+房間混響拾音器模式

鋼琴的拾音通常采用一組近場AB拾音器對加上稍遠(yuǎn)的一組房間混響AB拾音器對的錄音模式，由于鋼琴的聲音傳遞到兩組拾音器的距離不同，所以也會(huì)產(chǎn)生一定程度的相位抵消，由于鋼琴快速起音的音色特征，相位問題在獨(dú)奏錄音時(shí)尤其明顯。

五、不補(bǔ)償相位所產(chǎn)生的問題與相位補(bǔ)償?shù)姆椒?/h3>

（一）不進(jìn)行相位差補(bǔ)償會(huì)出現(xiàn)的問題

1.相位抵消

相位抵消是相位干涉的極端狀況，當(dāng)兩個(gè)相同的正弦波之間的相位差達(dá)到180°時(shí)會(huì)出現(xiàn)相位抵消的狀況。

2.梳狀濾波

實(shí)際應(yīng)用中，樂音的波形具有復(fù)雜性，相位差達(dá)到180°的時(shí)候并不會(huì)完全出現(xiàn)相位抵消的狀態(tài)，而是呈現(xiàn)出失去低頻的特征，由于在頻響曲線上衰減的部分像一把梳子所以得名梳狀濾波，其產(chǎn)生原因是低頻（長波長）在直達(dá)聲與不同介質(zhì)表面反射的反射聲由于到達(dá)拾音器的時(shí)間不同產(chǎn)生了一定程度上的相位抵消形成的。

（二）相位補(bǔ)償?shù)姆椒?p>

1.使用延遲和Time Shift進(jìn)行相位差補(bǔ)償

相位差的本質(zhì)是兩個(gè)波形在時(shí)間周期上的差，所以我們對于兩個(gè)具有相位問題的聲音信號(hào)最自然的補(bǔ)償就是把先收到的信號(hào)進(jìn)行一個(gè)延遲令其與后收到的信號(hào)對齊，例如圖一中的兩個(gè)頻率為1kHz，振幅為-20dB的正弦波A與B。

正弦波B與A的相位差為180°，也就是說在進(jìn)行疊加的時(shí)候會(huì)處于一個(gè)相位抵消的狀態(tài)，這時(shí)候我們可以使用一個(gè)延遲插件，例如圖中使用的Eventide-Precision Time Delay對正弦波A進(jìn)行0.5ms（180°）的延遲，延遲的數(shù)值（Δt）可以由公式 φ（相位差）/360*f（頻率）得出，延遲之后的正弦波A與B在進(jìn)行疊加的時(shí)候不再產(chǎn)生相位抵消。

但是利用延遲與Shift進(jìn)行相位補(bǔ)償存在一定的問題。實(shí)際場景下的錄音往往錄制的是具有多泛音與諧波的復(fù)雜音，其中的相位關(guān)系不像簡單的正弦波一樣僅僅滿足一種頻率下抵消的條件，甚至有些聲音本身就是相位抵消的結(jié)果，并且不同頻率的聲音需要補(bǔ)償?shù)南辔唤嵌龋〞r(shí)間）并不相同，而延遲與Shift只能做到音頻整體的位移，而不能兼顧頻率上的補(bǔ)償。

2.使用InPhase進(jìn)行相位差補(bǔ)償

Waves公司的InPhase是專門開發(fā)作為相位補(bǔ)償用的插件，和它功能相近的有SoundRadix的AutoAlign、KVRAudio的PhaseAlignment。InPhase除了便捷的延遲調(diào)整之外還提供了額外的兩個(gè)全通濾波器（Allpass Filter）用來微調(diào)相位。全通濾波器（又名相位濾波器）可以在不改變頻率之間的關(guān)系下改變選定頻段的相位，InPhase提供了兩種全通濾波器可供選擇：

1st order allpass filter（近似于擱架曲線EQ）和 2nd order allpass filter（近似于鐘形曲線EQ），類似于EQ，2nd order allpass filter也有一個(gè)Q值的選項(xiàng)，較大的Q值會(huì)令所選頻率的相位較快地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且較大部分的頻率都會(huì)保持不變。

使用InPhase調(diào)整的時(shí)候，需要在被調(diào)整的軌道插入InPhase插件，以上一個(gè)例子中頻率為1kHz，振幅為-20dB的正弦波A與B為例子，我們需要在B處插入InPhase插件，然后令A(yù)軌道發(fā)送信號(hào)至一條空的bus，例中為Bus3。然后令I(lǐng)nPhase插件的Sidechain（keyinput）選中bus3，capture音頻后拖動(dòng)延遲至0.5ms，至此相位表達(dá)到1，成功消去了相位抵消。此外，使用頻率1kHz帶寬為0.7左右的2階全通濾波器也可以獲得相同的效果。InPhase雖然可以做到手術(shù)刀般的精準(zhǔn)，但是由于限制并不能補(bǔ)償超過20ms的相位差，并且造成的系統(tǒng)延遲幾乎是普通延遲插件的2倍，在實(shí)際的應(yīng)用中更偏向于后期的修復(fù)，雖然Waves提供了可供現(xiàn)場使用的Live版，但還是更加建議在最初拾音器的擺放上就盡量避免出現(xiàn)相位問題。

3. 實(shí)際操作中的建議

當(dāng)在實(shí)際錄音/混音中出現(xiàn)相位問題時(shí)，首先確認(rèn)兩個(gè)拾音器之間的距離，

如果兩個(gè)拾音器收錄的聲音是來自同一個(gè)聲源并且沒有其他音頻信號(hào)干擾，則使用延遲效果器來補(bǔ)償相位差，如果兩個(gè)拾音器拾取的聲音是來自多個(gè)聲源，超過20ms的部分使用延遲效果器來補(bǔ)償，在20ms以內(nèi)使用InPhase插件進(jìn)行微調(diào)。

四、實(shí)例分析——蘇州交響樂團(tuán)

以蘇州交響樂團(tuán)的一次錄音為例，以闡述相位調(diào)整在實(shí)際錄音中的應(yīng)用。拾音器的擺放使用了比較標(biāo)準(zhǔn)的雙管編制樂隊(duì)錄音擺放，主拾音器使用了Schoeps的Colette（MK5），以指揮臺(tái)為中線相距約60cm垂直于地面，高度約2m，側(cè)展（弦樂）拾音器與主拾音器相同，高度約2m（與主拾音器持平） ，以指揮臺(tái)為中線相距約5m，木管/銅管使用同一組拾音器錄制，拾音器型號(hào)與主拾音器相同，以指揮臺(tái)為中線相距約2m平行于地面，豎琴與打擊樂1-2的拾音器型號(hào)與主拾音器相同，豎琴使用近距離拾音的手法，而打擊樂1-2為了保證拾音器拾音區(qū)域包含相應(yīng)部分的打擊樂樂器所以放置得稍高，打擊樂3-4使用了Audix的SCX25A，錄音思路與打擊樂1-2相同。

由于擺放的位置與距離不同，所以同一個(gè)聲音被不同的拾音器拾取的時(shí)間也不同，即會(huì)在不同的拾音器/拾音器對中產(chǎn)生相位差，進(jìn)而產(chǎn)生相位干涉影響振幅。以圖10定音鼓的敲擊為例，最下方是近場拾音器拾取的聲音信號(hào)，最上方的則是與其距離最遠(yuǎn)的主拾音器拾取的信號(hào)，可以看到有一個(gè)明顯的時(shí)間差。第二個(gè)是由于相位干涉導(dǎo)致的能量損失（振幅降低或者梳狀濾波），具體表現(xiàn)就是音頻的低頻損失。

針對相位問題，先測量好了各個(gè)拾音器（組）之間的距離，然后計(jì)算出大致的延遲時(shí)間。由于主拾音器與弦樂/木管側(cè)展拾音器之間主要錄制的聲部不同，為了平衡清晰度與群感，不對主拾音器與兩個(gè)側(cè)展拾音器組之間做相位補(bǔ)償處理，其余的4個(gè)打擊樂與豎琴的補(bǔ)音拾音器皆以主拾音器為相位調(diào)整的基準(zhǔn)，這是由于打擊樂組拾音器離主拾音器最遠(yuǎn)，即演奏的樂音主拾音器是最后拾取的，以它為基準(zhǔn)可以提高整體的清晰度。

首先進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)氖秦Q琴拾音器，豎琴位于整個(gè)樂隊(duì)的左側(cè)，豎琴拾音器使用近場拾音，放置在豎琴的右側(cè)，距離主拾音器約8m，所以我們首先使用延遲插件根據(jù)聲速公式進(jìn)行了23ms的補(bǔ)償，然后再將主拾音器的信號(hào)發(fā)送至bus24用以做Inphase的側(cè)鏈輸入，之后依照樂隊(duì)試音階段的豎琴獨(dú)奏捕獲至Inphase做相位的微調(diào)。調(diào)整后的結(jié)果如圖13。

之后進(jìn)行打擊樂聲部的校準(zhǔn)，由于取指揮臺(tái)為中點(diǎn)，打擊樂的拾音器由于是呈扇形分布的所以同一到中點(diǎn)的距離為17m，這也是4只打擊樂拾音器同一使用延遲插件補(bǔ)償51ms的原因，在打擊樂拾音器上并不需要使用InPhase做微調(diào)，這是因?yàn)榇驌魳返氖耙羝鞑⒉恢皇叭我坏臉菲?，每件拾音器的拾音范圍?nèi)會(huì)出現(xiàn)兩到三個(gè)打擊樂器，出于還原度的考量，不對打擊樂使用InPhase調(diào)整。

至此，樂隊(duì)的相位干涉被盡可能的減少了，聽感上的特征是點(diǎn)聲源（豎琴、打擊樂）更加清晰了，樂隊(duì)的低頻更加干凈。

結(jié)語

通過雙管編制交響樂隊(duì)的錄音以及簡單正弦波的分析，得到了如下關(guān)于簡單波形與復(fù)雜波形中相位關(guān)系的結(jié)論：

在錄音中，拾音器盡量遵循三比一定律，即拾音器之間距離應(yīng)當(dāng)至少為拾音器至聲源距離的三倍，這樣避免了由于高低頻波長差導(dǎo)致的低頻過耦合與高頻過干涉的現(xiàn)象。

在實(shí)際中，由于現(xiàn)場條件或者其他原因造成的相位問題，可以通過使用延遲效果器與相位補(bǔ)償插件予以解決，兩個(gè)拾音器在超過6m的距離差時(shí)，通常需要先使用延遲效果器將近場拾音器與較遠(yuǎn)的拾音器之間的時(shí)間差補(bǔ)償至20ms以內(nèi)，之后再用相位補(bǔ)償插件（例如InPhase）做精細(xì)的調(diào)整。

擴(kuò)聲中相位的影響相較錄音棚內(nèi)會(huì)突出一些，在音箱陣列的使用中通?？紤]聚集放置低頻揚(yáng)聲器，遠(yuǎn)離放置高音/全頻揚(yáng)聲器，并且在架設(shè)完成后使用測試拾音器與測試軟件進(jìn)行相位上的調(diào)試，分頻點(diǎn)處的相位也是音頻系統(tǒng)好壞的重要考量。

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作者簡介

陳伽齊，上海音樂學(xué)院碩士研究生在讀，研究方向?yàn)殇浺羲囆g(shù)。

責(zé)任編輯：任麗姝