相位對立體聲音頻的影響

〔摘 要〕自19世紀后期留聲機技術產生開始，隨著錄音介質的變化，可以錄制的內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的聲源定位，但是也帶來了不同的拾音器/揚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，并根據一個樂隊現場的錄音分析相位問題出現的階段以及如何通過調整距離和后期效果來減少相位問題。

〔關鍵詞〕相位；錄音技術；擴聲技術；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動中位置的標度，通常用角度作為單位。當信號周期循環的時候，一個循環為360°。兩個或者復數相同幅度但是不同相位的正弦波進行疊加的時候， 會由于相位的不同而產生相互耦合與相互干涉的狀況。

（二）極性與相位的關系

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

在很多效果器與調音臺中極性經常會被錯誤地標記為=或者180°，然而極性翻轉=180°相位位移的情況僅僅發生在180°位移相位時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，但是現實中我們需要面對更加復雜，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，聲源產生的聲音到達兩個拾音器之間就會產生一個時間差，最常見的就是近場拾音器與“房間”拾音器之間的相位差導致的相位失真。

在相位問題導致失真的情況下，使用極性反轉能夠解決問題的情況十分罕見，使用相位調整工具（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程度上的不敏感，但是當兩個或者多個正弦波疊加在一起的時候，相位對于波形的形狀改變十分明顯，但體現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，特別是當兩個相同頻率的正弦波合成的時候，不同的相位會影響合成后波形的幅度，并且人耳使用聲源到達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虛擬的點上，例如 “假立體聲”技術，就是使用一個單聲道信號，分離高頻與低頻，然后在兩個聲道之間做延遲用來 “欺騙”聽眾的耳朵，這個方法通常用于重新發行很久以前單聲道時期的專輯。

二、相位在立體聲擴聲與錄音中的影響

（一）相位在錄音方面的作用及影響

錄音技術隨著科技的發展也在不斷地演變，最開始受到硬件條件的限制只能用一只拾音器拾取整個樂隊的聲音，現在由于多軌錄音技術的發展可以使用復數只拾音器拾取每個聲部甚至于每樣樂器的聲音，拾音器數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，主拾音器與點拾音器或者點拾音器與點拾音器之間常常會產生串音的現象，并且由于不同的拾音器拾取的樂器并不相同（指向不相同），所以同一個樂器的聲音傳遞到不同的拾音器的時間并不均等。這導致了各個拾音器拾取的同一樂器聲音時并不是同步的，而是具有一定的延遲，當延遲較大（大于40ms）的時候聽上去就像是回聲，這是由于人類聽覺上的哈斯效應（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之內的延遲聲與原聲疊加時人耳無法分辨延遲聲與原聲，但是超過40ms的延遲則會明顯感覺到回聲的存在。當延遲較小時，延遲聲與原聲疊加則不同頻率之間會出現相位的耦合與干涉現象，例如聲源是1kHz的正弦波，當兩個拾音器相距0.17m時，距離較遠的那個拾音器拾取的聲源信號將與距離較近的拾音器產生180°的相位差，出現相位抵消的狀況。

（二）相位在擴聲方面的作用及影響

由于科技的發展，現場擴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場擴聲，由于失去了房間的吸收與反射，對聲壓級與復數揚聲器的組合提出了很高的要求?，F在的現場擴聲通常使用復數分頻揚聲器組合來完成對聲源型號的重建，其中就是由于相位干涉的問題，在分頻的時候通常依據頻率的高低分為兩分頻或者三分頻，根據不同頻率將不同的揚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生的梳狀濾波所以需要擺放在舞臺兩側，而低頻波長較長，靠近反而會耦合產生更大的振幅，雖然通常認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、錄音中相位差的產生及其分析

（一）交響樂錄制中主拾音器+點拾音器模式

雙管編制的交響樂錄音中經常會采用一對吊頂主拾音器+復數補聲點拾音器的錄音模式，通常主拾音器（全指向）會以指揮臺為中點相距60cm并90°垂直于地面吊于空中，一對AB制式弦樂補聲拾音器（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，木管組的補聲拾音器對（全指向）則放置在木管組前方以指揮臺為中線60cm平行于地面朝向木管組，打擊樂補聲則放置于各個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）補聲拾音器組之間會存在一部分的相位耦合與干涉，在第二（木管）補聲拾音器組與打擊樂拾音器組亦會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聲拾音器組＼第二補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。

（二）鼓組錄制中點拾音器+吊頂拾音器模式

鼓組錄音時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。

鼓組錄音時經常為了拾取鼓的不同部分而使用復數只拾音器拾取同一個鼓的聲音，例如軍鼓的上鼓皮和下鼓皮與底鼓的鼓面與鼓內，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常也會和嗵鼓的拾音器以及軍鼓的拾音器產生相位抵消，這是由于軍鼓和嗵鼓的聲音傳遞到兩個拾音器的時間差造成的。

（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，所以也會產生一定程度的相位抵消，由于鋼琴快速起音的音色特征，相位問題在獨奏錄音時尤其明顯。

五、不補償相位所產生的問題與相位補償的方法

（一）不進行相位差補償會出現的問題

1.相位抵消

相位抵消是相位干涉的極端狀況，當兩個相同的正弦波之間的相位差達到180°時會出現相位抵消的狀況。

2.梳狀濾波

實際應用中，樂音的波形具有復雜性，相位差達到180°的時候并不會完全出現相位抵消的狀態，而是呈現出失去低頻的特征，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，其產生原因是低頻（長波長）在直達聲與不同介質表面反射的反射聲由于到達拾音器的時間不同產生了一定程度上的相位抵消形成的。

（二）相位補償的方法

1.使用延遲和Time Shift進行相位差補償

相位差的本質是兩個波形在時間周期上的差，所以我們對于兩個具有相位問題的聲音信號最自然的補償就是把先收到的信號進行一個延遲令其與后收到的信號對齊，例如圖一中的兩個頻率為1kHz，振幅為-20dB的正弦波A與B。

正弦波B與A的相位差為180°，也就是說在進行疊加的時候會處于一個相位抵消的狀態，這時候我們可以使用一個延遲插件，例如圖中使用的Eventide-Precision Time Delay對正弦波A進行0.5ms（180°）的延遲，延遲的數值（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在進行疊加的時候不再產生相位抵消。

但是利用延遲與Shift進行相位補償存在一定的問題。實際場景下的錄音往往錄制的是具有多泛音與諧波的復雜音，其中的相位關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果，并且不同頻率的聲音需要補償的相位角度（時間）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償。

2.使用InPhase進行相位差補償

Waves公司的InPhase是專門開發作為相位補償用的插件，和它功能相近的有SoundRadix的AutoAlign、KVRAudio的PhaseAlignment。InPhase除了便捷的延遲調整之外還提供了額外的兩個全通濾波器（Allpass Filter）用來微調相位。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Q值的選項，較大的Q值會令所選頻率的相位較快地進行轉換，并且較大部分的頻率都會保持不變。

使用InPhase調整的時候，需要在被調整的軌道插入InPhase插件，以上一個例子中頻率為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軌道發送信號至一條空的bus，例中為Bus3。然后令InPhase插件的Sidechain（keyinput）選中bus3，capture音頻后拖動延遲至0.5ms，至此相位表達到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雖然可以做到手術刀般的精準，但是由于限制并不能補償超過20ms的相位差，并且造成的系統延遲幾乎是普通延遲插件的2倍，在實際的應用中更偏向于后期的修復，雖然Waves提供了可供現場使用的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相位問題。

3. 實際操作中的建議

當在實際錄音/混音中出現相位問題時，首先確認兩個拾音器之間的距離，

如果兩個拾音器收錄的聲音是來自同一個聲源并且沒有其他音頻信號干擾，則使用延遲效果器來補償相位差，如果兩個拾音器拾取的聲音是來自多個聲源，超過20ms的部分使用延遲效果器來補償，在20ms以內使用InPhase插件進行微調。

四、實例分析——蘇州交響樂團

以蘇州交響樂團的一次錄音為例，以闡述相位調整在實際錄音中的應用。拾音器的擺放使用了比較標準的雙管編制樂隊錄音擺放，主拾音器使用了Schoeps的Colette（MK5），以指揮臺為中線相距約60cm垂直于地面，高度約2m，側展（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，拾音器型號與主拾音器相同，以指揮臺為中線相距約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域包含相應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，所以同一個聲音被不同的拾音器拾取的時間也不同，即會在不同的拾音器/拾音器對中產生相位差，進而產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，最上方的則是與其距離最遠的主拾音器拾取的信號，可以看到有一個明顯的時間差。第二個是由于相位干涉導致的能量損失（振幅降低或者梳狀濾波），具體表現就是音頻的低頻損失。

針對相位問題，先測量好了各個拾音器（組）之間的距離，然后計算出大致的延遲時間。由于主拾音器與弦樂/木管側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側展拾音器組之間做相位補償處理，其余的4個打擊樂與豎琴的補音拾音器皆以主拾音器為相位調整的基準，這是由于打擊樂組拾音器離主拾音器最遠，即演奏的樂音主拾音器是最后拾取的，以它為基準可以提高整體的清晰度。

首先進行相位補償的是豎琴拾音器，豎琴位于整個樂隊的左側，豎琴拾音器使用近場拾音，放置在豎琴的右側，距離主拾音器約8m，所以我們首先使用延遲插件根據聲速公式進行了23ms的補償，然后再將主拾音器的信號發送至bus24用以做Inphase的側鏈輸入，之后依照樂隊試音階段的豎琴獨奏捕獲至Inphase做相位的微調。調整后的結果如圖13。

之后進行打擊樂聲部的校準，由于取指揮臺為中點，打擊樂的拾音器由于是呈扇形分布的所以同一到中點的距離為17m，這也是4只打擊樂拾音器同一使用延遲插件補償51ms的原因，在打擊樂拾音器上并不需要使用InPhase做微調，這是因為打擊樂的拾音器并不只拾取單一的樂器，每件拾音器的拾音范圍內會出現兩到三個打擊樂器，出于還原度的考量，不對打擊樂使用InPhase調整。

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

結語

通過雙管編制交響樂隊的錄音以及簡單正弦波的分析，得到了如下關于簡單波形與復雜波形中相位關系的結論：

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當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致的低頻過耦合與高頻過干涉的現象。

在實際中，由于現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償插件予以解決，兩個拾音器在超過6m的距離差時，通常需要先使用延遲效果器將近場拾音器與較遠的拾音器之間的時間差補償至20ms以內，之后再用相位補償插件（例如InPhase）做精細的調整。

擴聲中相位的影響相較錄音棚內會突出一些，在音箱陣列的使用中通?？紤]聚集放置低頻揚聲器，遠離放置高音/全頻揚聲器，并且在架設完成后使用測試拾音器與測試軟件進行相位上的調試，分頻點處的相位也是音頻系統好壞的重要考量。

參考文獻

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⑥Philip Newell Keith Holland，Loudspeakers-for music recording and reproduction，Routledge，2018.

作者簡介

陳伽齊，上海音樂學院碩士研究生在讀，研究方向為錄音藝術。

責任編輯：任麗姝