电路图下载_说明书下载_标准下载 - 电子标准网
您的位置电子标准网 > 电子百科
站内搜索:

相位失真

2011-12-16 07:59:26   发表:
相位失真是指讯号由放大器输入端至输出端所产生的时间差(相位差)。这个时间差自然是越小越好,
  否则会影响负回输线路的工作。 除此之外相位失真也和瞬态响应有关,尢其是和近年来日益
  受到重视的瞬态到调失真有著密的关系。
  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“度”,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米/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“拉”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。

关于我们-联系我们-帮助中心-友情链接-免责声明