揚聲器相位移是怎麼樣的一種情況呢？簡單地說,即當揚聲器前方的聲壓達到最大值的時候,但加在音圈兩端的電壓並不相對應地達到最大值時,就產生了相位移現象,而這種現象通常就引起了聲音相位失真。普通造成喇叭相位移或時間延遲(Time delay)的因素很多,首先我們僅舉出一個最簡單的例子;例如一個單一的寬音域揚聲器,當聲頻訊號電流流入音圈,其所產生的磁力線與永久磁鐵間的磁力線發生的相互作用力,是和音圈內的電流同相。但一般狀況當喇叭音圈在間隙中運動時,其音圈電流和施加於音圈兩端的電壓間,總會存有若干的相位差,其程度差異並依據不同頻率的阻抗值而變化。
這種情況可由圖一表示,圖一(a)顯示單一紙盆揚聲器的電壓電流間的相移與頻率間的曲線,圖一(b)表示阻抗與頻率間的關係。通常喇叭在低音諧振範圍內所產生的相位移,是受喇叭音箱的結構影響很大,圖中顯見,低於諧振區域(100Hz)的電流呈電感性,電流落後電壓約40°角,在諧振點電流與電壓將為同相,高於諧振點時,電流超前電壓,這時音圈好像呈現一個電容器的特性。除此,電壓與電流又在300Hz處產生同相,而在超越300Hz時,音圈又呈電感性,而相角即不斷地增加,由此可見,音圈振動的作用力,通常和所施電壓同相的情況很少。
在多路揚聲系統中,由於存有各種分音設備,能將適當的音頻分別輸入適當的高、中、低音喇叭,並抵制強低頻訊號衝入脆弱的高音喇叭造成損壞,這些分音設備基於都是電容電感元件所組成,因此相位移的情形在多路揚聲系統中更形重要。
圖二所示即為一個三路揚聲系統的相角及阻抗曲線,由於內部設置了分音器的緣故,其阻抗值隨頻率對相位移發生嚴重影響,因此引起曲線起伏不定。這成因係由每個喇叭音圈的端電壓與喇叭接線端柱的電壓都不同相的緣故。
而圖三即表示上述二種電壓間的相移,其中一條是指示低音喇叭的曲線,另一條則屬於中音喇叭,由圖中可見加設的分音器將會引入大量的附加相位移(Additional Phase Shift)。尚有一種附加相位移值得注意,那就是由音圈與紙盆頂端,或紙盆頂端與紙盆本身之間的懸置系統所引起的,它們和頻率之間有著很大的依從關係,但也很難去估計它們所造成的相位移。
聲學的相位移
當聲波傳播到大氣中時,主要的相位移便由此而生,在一個全音域的單紙盆喇叭內,其發出的高頻率聲波是藉紙盆頂端的小部份區域放射出去,在聲頻低於1KHz的頻率時,整個紙盆將振動得像一個堅硬的活塞,紙盆整體的前後往復移動,由此可知在重播高音頻的區域時,其聲波幅射位置要比低頻重播時聲波幅射位置移後了一吋左右的距離,因此使得高頻率訊號的重播在達到一定點上,其時間將較被整個紙盆所輻射的低頻訊號延遲幾分之一毫秒(ms)。
這種由於聲源的有效位置不同而引起的相位移,在多路揚聲系統內更趨嚴重性,因此在安排喇叭位置的處理上,必須精心的思慮,通常對處理5KHz以上頻率的高音喇叭,我們都裝置在喇叭箱的上方,而在鄰近的下方才安排中音喇叭,再下面的空間則安置低音喇叭,高音喇叭與低音喇叭間的距離一般以取12~14吋為宜,而高音喇叭的輻射面普通置於低音喇叭輻射中心之前幾吋的地方,使得高音能較低音早幾分之一毫秒傳入空間。這種喇叭在音箱上的安置情況可參考圖四所示。
最近幾年,若干面市的多路揚聲系統裡,在設計上已適當減少分音網路所引起的相位移,並將高音喇叭在垂直平面上至於低音喇叭平面稍後的地方,使各個喇叭輻射面在垂直平面上取得同一位置,但各個喇叭的精確位置是很難由音響輸出的相對相位測定,正確的位置可經實驗方法測出,即將一方波訊號電壓饋入喇叭,然後調節喇叭的位置來尋找,作這個實驗時必須在空曠的空間或在無響室(Anechoic Chamber)內進行,避免一般房間因素所造成的相位移。
相位移的測量方法
在測量饋入揚聲器的電壓與揚聲器前方的聲壓間的總相移,並不是我們想像中那般簡易,測量時要參考揚聲器及麥克風的圖示資料,而麥克風在進行測試時,放置在喇叭前方間的距離,也會造成一個固定的時間延遲,同時相移程度與頻率成線性的比例。測量時,為求嚴格的精確度,因此就限定了某一特定頻率為測量的標準,譬如就以播放5KHz的訊號為例,在空氣中傳播時,以波速除以頻率,得到該訊號在空氣中的波長為6.86cm,一個波長的相位轉換為360°,故當麥克風與喇叭單體間的距離每增加6.86cm時,相位移就增加360°,欲求得精確的相移,則麥克風振膜與喇叭輻射聲音的振膜,它們之間的精確距離必須獲悉,但這也是很不容易測定的。
有人採用測量喇叭頻率響應的標準距離1公尺,做為上述麥克風與喇叭的距離,那麼在5KHz頻率下,將有100/6.86=14.6個波長存在,相當於等效相位移約為14.6×360°=5260°,而我們由圖一曲線可知,一個單紙盆喇叭在5KHz時造成的相位移約有30°~60°的程度,即在測試時,我們須把相對誤差弄到極小,例如可將誤差只限制在千分之一,則此時每5000°只許產升5°的絕對誤差,通常要達到這樣子的相對誤差就極不容易了。但在等效相移約為30°的相移值中,如果同樣引入5°的絕對誤差,則其相對誤差就變得更大,幾近20%了。還有些人採用如圖四所示的方法,將麥克風振膜至於喇叭紙盆的平面上,即此時喇叭與麥克風之間就沒有距離存在,因此由距離所引起的相位移也不復存在,但要附加說明的是,這種情況也只限於低頻的聲波,在高於10KHz以上的聲波時,情況並不如此,這時聲波的波長變為3.4cm左右,則此時所測得的總相移偏差量會達到±15°,而圖五就是將麥克風對正一個全音域喇叭紙盆平面處所測得的相移/頻率響應的關係。
以上測定喇叭相位移時,所採取的二種麥克風與喇叭距離,以麥克風靠近喇叭處安放的方法是比較可取的,因為應當考慮到聽者的耳朵是離開揚聲系統約3~4公尺處,由於聽者耳朵與兩個喇叭音源間的空間路程差異,將會導入另一個相位移,這點值得重視;若喇叭箱內係為兩音路設計時,那麼聽者可以取在這兩個喇叭的中線位置上聆聽,還可以消除這種差異,但在三音路揚聲系統上,這將是不可能的,若在聽者耳朵處所造成的相移亦想測量,那麼就須對每一個喇叭都要進行單獨的測定。
相位移的測定價值
其實,當採用立體聲系統時,每個喇叭的相移絕對值是不太重要的,但重要的是,必須保證相移不可隨頻率做急劇的變化,尤其在工廠生產線上生產的同一批喇叭,其相移特性應當具有一致性,因為相位/頻率響應之間如果產生急劇的變化時,將會引起立體聲音像定位的不穩定,從而破壞立體效果。(譯自 Wireless World April 1976)
轉載音響技術第22期OCT. 1977 揚聲器的相位偏移/常嘯生 譯
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