相位对立体声音频的影响

〔摘 要〕自19世纪后期留声机技术产生开始，随着录音介质的变化，可以录制的内容与可供使用的轨道也在不断上涨，可用的声道也从单声道变成了立体声，甚至从5.1演变到了7.1多声道。这些变化虽然为录制与回放提供了非常还原的声场与精准的声源定位，但是也带来了不同的拾音器/扬声器之间的相位干涉，本文所探讨的问题是对于立体声的拾音以及回放中，不同的相位关系带来的相位耦合与相位干涉，并且举例通过延迟效果器与InPhase插件处理相位干涉的异同，并根据一个乐队现场的录音分析相位问题出现的阶段以及如何通过调整距离和后期效果来减少相位问题。

〔关键词〕相位；录音技術；扩声技术；干涉

一、相位的物理属性

（一）相位的定义

相位是一种在声波运动中位置的标度，通常用角度作为单位。当信号周期循环的时候，一个循环为360°。两个或者复数相同幅度但是不同相位的正弦波进行叠加的时候， 会由于相位的不同而产生相互耦合与相互干涉的状况。

（二）极性与相位的关系

极性（Polarity）和相位（Phase）是经常容易混淆的两个概念。任何信号都拥有它的极性，这是指信号的电压在相应时刻处于零度线的上方或是下方，设备上的反转极性按钮（通常使用）只是简单地把电压的正负交换了一下，在一些模拟设备上可以交换“冷”“热”信号线的接口做到相应的效果，通常会在两只拾音器面对面放置的时候使用极性翻转来避免相位抵消造成的失真，需要注意的是极性反转不会造成任何时间上的位移，它仅仅是简单地置换了空气分子的压力与电信号的关系。

在很多效果器与调音台中极性经常会被错误地标记为=或者180°，然而极性翻转=180°相位位移的情况仅仅发生在180°位移相位时能够完全抵消的情况，例如正弦波以及振膜相对摆放的拾音器，但是现实中我们需要面对更加复杂，具有更多泛音的波形，例如以同一角度朝向声源但是不同距离的拾音器，声源产生的声音到达两个拾音器之间就会产生一个时间差，最常见的就是近场拾音器与“房间”拾音器之间的相位差导致的相位失真。

在相位问题导致失真的情况下，使用极性反转能够解决问题的情况十分罕见，使用相位调整工具（例如Waves的InPhase）可以更好地解决问题。

（三）人耳与相位

人耳对声音的相位变化相当程度上的不敏感，但是当两个或者多个正弦波叠加在一起的时候，相位对于波形的形状改变十分明显，但体现到声音却并没有什么显著的变化，但是人耳在某些特定的情况下对相位敏感，特别是当两个相同频率的正弦波合成的时候，不同的相位会影响合成后波形的幅度，并且人耳使用声源到达双耳的相位差来定位空间声源，用某种相位处理可以“欺骗”聆听者令其定位声源在一个虚拟的点上，例如 “假立体声”技术，就是使用一个单声道信号，分离高频与低频，然后在两个声道之间做延迟用来 “欺骗”听众的耳朵，这个方法通常用于重新发行很久以前单声道时期的专辑。

二、相位在立体声扩声与录音中的影响

（一）相位在录音方面的作用及影响

录音技术随着科技的发展也在不断地演变，最开始受到硬件条件的限制只能用一只拾音器拾取整个乐队的声音，现在由于多轨录音技术的发展可以使用复数只拾音器拾取每个声部甚至于每样乐器的声音，拾音器数量的增加固然给后期带来了非常大的平衡与修整空间，但是由于拾音器拾音原理与拾音器摆放位置的限制，主拾音器与点拾音器或者点拾音器与点拾音器之间常常会产生串音的现象，并且由于不同的拾音器拾取的乐器并不相同（指向不相同），所以同一个乐器的声音传递到不同的拾音器的时间并不均等。这导致了各个拾音器拾取的同一乐器声音时并不是同步的，而是具有一定的延迟，当延迟较大（大于40ms）的时候听上去就像是回声，这是由于人类听觉上的哈斯效应（又称第一波阵面定律）造成的，在延迟声音不高于原声音10dB的状况下，40ms之内的延迟声与原声叠加时人耳无法分辨延迟声与原声，但是超过40ms的延迟则会明显感觉到回声的存在。当延迟较小时，延迟声与原声叠加则不同频率之间会出现相位的耦合与干涉现象，例如声源是1kHz的正弦波，当两个拾音器相距0.17m时，距离较远的那个拾音器拾取的声源信号将与距离较近的拾音器产生180°的相位差，出现相位抵消的状况。

（二）相位在扩声方面的作用及影响

由于科技的发展，现场扩声对声音还原度的要求也逐渐增高，尤其是处于开放式空间中的现场扩声，由于失去了房间的吸收与反射，对声压级与复数扬声器的组合提出了很高的要求。现在的现场扩声通常使用复数分频扬声器组合来完成对声源型号的重建，其中就是由于相位干涉的问题，在分频的时候通常依据频率的高低分为两分频或者三分频，根据不同频率将不同的扬声器置于不同的位置，例如高频波长较短，为了防止相位干涉产生的梳状滤波所以需要摆放在舞台两侧，而低频波长较长，靠近反而会耦合产生更大的振幅，虽然通常认为低频不具有指向性（覆盖角度为360°左右），但是可以用相位干涉的技术手段，利用低音阵列组合的方式来控制低频和超低频的指向性。

三、录音中相位差的产生及其分析

（一）交响乐录制中主拾音器+点拾音器模式

双管编制的交响乐录音中经常会采用一对吊顶主拾音器+复数补声点拾音器的录音模式，通常主拾音器（全指向）会以指挥台为中点相距60cm并90°垂直于地面吊于空中，一对AB制式弦乐补声拾音器（全指向）则由拾音器架升高至主拾音器相同高度平行于地面并朝向乐队，木管组的补声拾音器对（全指向）则放置在木管组前方以指挥台为中线60cm平行于地面朝向木管组，打击乐补声则放置于各个打击乐器面前做近场拾音。

由于AB拾音是相位差拾音制式，所以在主拾音器组和第一（弦乐）补声拾音器组之间会存在一部分的相位耦合与干涉，在第二（木管）补声拾音器组与打击乐拾音器组亦会存在一定的相位耦合与干涉，这是由于主拾音器组与第一补声拾音器组＼第二补声拾音器组与打击乐拾音器组之间的角度差与距离差造成的。通常以主话筒作为相位修正的目标。

（二）鼓组录制中点拾音器+吊顶拾音器模式

鼓组录音时的常见配置是底鼓两只分别在底鼓里外，军鼓两只在军鼓上下，嗵鼓三只拾音器分别拾音，吊顶则是一对心形指向性的拾音器以AB格式90°垂直于地面朝向镲片。

鼓组录音时经常为了拾取鼓的不同部分而使用复数只拾音器拾取同一个鼓的声音，例如军鼓的上鼓皮和下鼓皮与底鼓的鼓面与鼓内，这些拾音器的位置都具有180°的相位差，鼓组的吊顶拾音器经常也会和嗵鼓的拾音器以及军鼓的拾音器产生相位抵消，这是由于军鼓和嗵鼓的声音传递到两个拾音器的时间差造成的。

（三）钢琴录制中近场拾音器+房间混响拾音器模式

钢琴的拾音通常采用一组近场AB拾音器对加上稍远的一组房间混响AB拾音器对的录音模式，由于钢琴的声音传递到两组拾音器的距离不同，所以也会产生一定程度的相位抵消，由于钢琴快速起音的音色特征，相位问题在独奏录音时尤其明显。

五、不补偿相位所产生的问题与相位补偿的方法

（一）不进行相位差补偿会出现的问题

1.相位抵消

相位抵消是相位干涉的极端状况，当两个相同的正弦波之间的相位差达到180°时会出现相位抵消的状况。

2.梳状滤波

实际应用中，乐音的波形具有复杂性，相位差达到180°的时候并不会完全出现相位抵消的状态，而是呈现出失去低频的特征，由于在频响曲线上衰减的部分像一把梳子所以得名梳状滤波，其产生原因是低频（长波长）在直达声与不同介质表面反射的反射声由于到达拾音器的时间不同产生了一定程度上的相位抵消形成的。

（二）相位补偿的方法

1.使用延迟和Time Shift进行相位差补偿

相位差的本质是两个波形在时间周期上的差，所以我们对于两个具有相位问题的声音信号最自然的补偿就是把先收到的信号进行一个延迟令其与后收到的信号对齐，例如图一中的两个频率为1kHz，振幅为-20dB的正弦波A与B。

正弦波B与A的相位差为180°，也就是说在进行叠加的时候会处于一个相位抵消的状态，这时候我们可以使用一个延迟插件，例如图中使用的Eventide-Precision Time Delay对正弦波A进行0.5ms（180°）的延迟，延迟的数值（Δt）可以由公式 φ（相位差）/360*f（频率）得出，延迟之后的正弦波A与B在进行叠加的时候不再产生相位抵消。

但是利用延迟与Shift进行相位补偿存在一定的问题。实际场景下的录音往往录制的是具有多泛音与谐波的复杂音，其中的相位关系不像简单的正弦波一样仅仅满足一种频率下抵消的条件，甚至有些声音本身就是相位抵消的结果，并且不同频率的声音需要补偿的相位角度（时间）并不相同，而延迟与Shift只能做到音频整体的位移，而不能兼顾频率上的补偿。

2.使用InPhase进行相位差补偿

Waves公司的InPhase是专门开发作为相位补偿用的插件，和它功能相近的有SoundRadix的AutoAlign、KVRAudio的PhaseAlignment。InPhase除了便捷的延迟调整之外还提供了额外的两个全通滤波器（Allpass Filter）用来微调相位。全通滤波器（又名相位滤波器）可以在不改变频率之间的关系下改变选定频段的相位，InPhase提供了两种全通滤波器可供选择：

1st order allpass filter（近似于搁架曲线EQ）和 2nd order allpass filter（近似于钟形曲线EQ），类似于EQ，2nd order allpass filter也有一个Q值的选项，较大的Q值会令所选频率的相位较快地进行转换，并且较大部分的频率都会保持不变。

使用InPhase调整的时候，需要在被调整的轨道插入InPhase插件，以上一个例子中频率为1kHz，振幅为-20dB的正弦波A与B为例子，我们需要在B处插入InPhase插件，然后令A轨道发送信号至一条空的bus，例中为Bus3。然后令InPhase插件的Sidechain（keyinput）选中bus3，capture音频后拖动延迟至0.5ms，至此相位表达到1，成功消去了相位抵消。此外，使用频率1kHz带宽为0.7左右的2阶全通滤波器也可以获得相同的效果。InPhase虽然可以做到手术刀般的精准，但是由于限制并不能补偿超过20ms的相位差，并且造成的系统延迟几乎是普通延迟插件的2倍，在实际的应用中更偏向于后期的修复，虽然Waves提供了可供现场使用的Live版，但还是更加建议在最初拾音器的摆放上就尽量避免出现相位问题。

3. 实际操作中的建议

当在实际录音/混音中出现相位问题时，首先确认两个拾音器之间的距离，

如果两个拾音器收录的声音是来自同一个声源并且没有其他音频信号干扰，则使用延迟效果器来补偿相位差，如果两个拾音器拾取的声音是来自多个声源，超过20ms的部分使用延迟效果器来补偿，在20ms以内使用InPhase插件进行微调。

四、实例分析——苏州交响乐团

以苏州交响乐团的一次录音为例，以阐述相位调整在实际录音中的应用。拾音器的摆放使用了比较标准的双管编制乐队录音摆放，主拾音器使用了Schoeps的Colette（MK5），以指挥台为中线相距约60cm垂直于地面，高度约2m，侧展（弦乐）拾音器与主拾音器相同，高度约2m（与主拾音器持平） ，以指挥台为中线相距约5m，木管/铜管使用同一组拾音器录制，拾音器型号与主拾音器相同，以指挥台为中线相距约2m平行于地面，竖琴与打击乐1-2的拾音器型号与主拾音器相同，竖琴使用近距离拾音的手法，而打击乐1-2为了保证拾音器拾音区域包含相应部分的打击乐乐器所以放置得稍高，打击乐3-4使用了Audix的SCX25A，录音思路与打击乐1-2相同。

由于擺放的位置与距离不同，所以同一个声音被不同的拾音器拾取的时间也不同，即会在不同的拾音器/拾音器对中产生相位差，进而产生相位干涉影响振幅。以图10定音鼓的敲击为例，最下方是近场拾音器拾取的声音信号，最上方的则是与其距离最远的主拾音器拾取的信号，可以看到有一个明显的时间差。第二个是由于相位干涉导致的能量损失（振幅降低或者梳状滤波），具体表现就是音频的低频损失。

针对相位问题，先测量好了各个拾音器（组）之间的距离，然后计算出大致的延迟时间。由于主拾音器与弦乐/木管侧展拾音器之间主要录制的声部不同，为了平衡清晰度与群感，不对主拾音器与两个侧展拾音器组之间做相位补偿处理，其余的4个打击乐与竖琴的补音拾音器皆以主拾音器为相位调整的基准，这是由于打击乐组拾音器离主拾音器最远，即演奏的乐音主拾音器是最后拾取的，以它为基准可以提高整体的清晰度。

首先进行相位补偿的是竖琴拾音器，竖琴位于整个乐队的左侧，竖琴拾音器使用近场拾音，放置在竖琴的右侧，距离主拾音器约8m，所以我们首先使用延迟插件根据声速公式进行了23ms的补偿，然后再将主拾音器的信号发送至bus24用以做Inphase的侧链输入，之后依照乐队试音阶段的竖琴独奏捕获至Inphase做相位的微调。调整后的结果如图13。

之后进行打击乐声部的校准，由于取指挥台为中点，打击乐的拾音器由于是呈扇形分布的所以同一到中点的距离为17m，这也是4只打击乐拾音器同一使用延迟插件补偿51ms的原因，在打击乐拾音器上并不需要使用InPhase做微调，这是因为打击乐的拾音器并不只拾取单一的乐器，每件拾音器的拾音范围内会出现两到三个打击乐器，出于还原度的考量，不对打击乐使用InPhase调整。

至此，乐队的相位干涉被尽可能的减少了，听感上的特征是点声源（竖琴、打击乐）更加清晰了，乐队的低频更加干净。

结语

通过双管编制交响乐队的录音以及简单正弦波的分析，得到了如下关于简单波形与复杂波形中相位关系的结论：

在录音中，拾音器尽量遵循三比一定律，即拾音器之间距离应当至少为拾音器至声源距离的三倍，这样避免了由于高低频波长差导致的低频过耦合与高频过干涉的现象。

在实际中，由于现场条件或者其他原因造成的相位问题，可以通过使用延迟效果器与相位补偿插件予以解决，两个拾音器在超过6m的距离差时，通常需要先使用延迟效果器将近场拾音器与较远的拾音器之间的时间差补偿至20ms以内，之后再用相位补偿插件（例如InPhase）做精细的调整。

扩声中相位的影响相较录音棚内会突出一些，在音箱阵列的使用中通常考虑聚集放置低频扬声器，远离放置高音/全频扬声器，并且在架设完成后使用测试拾音器与测试软件进行相位上的调试，分频点处的相位也是音频系统好坏的重要考量。

参考文献

①周小东：《录音工程师手册》，中国广播影视出版社，2006年版。

②F.AltonEverest Ken.C.Pohlmann，MasterHandbook of Acoustics，McGraw-Hill/TAB Electronics，2009.

③Glen Ballou，Handbook for Sound Engineers，Routledge，2008.

④David M.Howard，Acoustics and Psychoacoustics，Routledge，2017.

⑤Bill Gibson，The Ultimate Live Sound Operators Handbook，Hal Leonard，2011.

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

作者简介

陈伽齐，上海音乐学院硕士研究生在读，研究方向为录音艺术。

责任编辑：任丽姝