相位失真

　相位失真是指訊號由放大器輸入端至輸出端所產生的時間差(相位差)。這個時間差自然是越小越好,
否則會影響負回輸線路的工作。 除此之外相位失真也和瞬態回響有關,尢其是和近年來日益
受到重視的瞬態到調失真有著密的關係。
相位失真（PHASE ERROR）是一種線性失真，它指的是信號在傳輸和放大過程中發生了時間延遲。
我們來看下面這張圖：
圖中兩個波形分別代表輸入端和輸出端的信號。我們可以看到，兩個信號的形狀沒有什麼變化，
差別只是下面的信號比上面的出現的時間“晚了一點”。這相差的時間（Δt）再根據信號的頻率
就可以換算成相位差。換算方式很簡單，相位差PE=360×Δt×f，單位是“度”，其中f是信號的
頻率。
相位失真產生的原因
我們知道，電容和電感對交流信號（電壓或電流）具有延遲作用。當一個交流信號經過電容、電
感和電阻的時候，總會有一個充放電的過程，這會導致這個交流信號的幅度變化時間“向後”推
遲一段時間。在各種交流放大器中，採用的元器件或者是電感電容，或者是含有電感電容成分，
任何一個放大電路或者元器件我們都可以通過等效電路轉換成電感、電容、電阻和理想有源器件
的組合，即使是性能非常好的元器件也不能倖免，包括傳輸導線也是如此，這是目前的科技水平
說無法逾越的鴻溝。當然，不同品質的元器件其等效電容電感的數值也不一樣，並且通過電路優
化設計，可以儘量減輕這種影響，但是不管影響有多小，總是有的。所以，相位失真是不可能完
全消除的，只要是傳輸導體和放大器，就會產生相位失真，只是量不同罷了。
相位失真對於音質的影響
從單純的理解上看，相位失真只是把所有的信號向後推遲了一會兒，我們不過是晚了那么一點時
間聽到聲音罷了。但是，實際情況絕非如此，相位失真實際上對於聽感的影響是十分微妙的，在
高水平的對比中，它甚至能夠稱為分出勝負的關鍵。在介紹相位失真對音質的影響之前，我們不
妨先了解一下一些立體聲重放的聲學原理，以便充分理解相位失真的危害性。
一、聲場定位
現在已有的研究表明，人對聲音方向和距離的判斷主要來自於三個方面：
一是響度優先：當兩個來自不同方向同樣頻率的聲音同時到達人耳的時候，我們會感到那是一個
聲音，並且感到聲音的來源是兩個聲源中間的位置，哪邊的響度越大，“成像點”越偏向哪邊，
當兩個聲源的響度差超過一定大小時，無論聲源的距離有多少，弱小的那個聲源幾乎不起任何作
用，這個差別大約是37dB（記憶的，可能不準確，有興趣的朋友可以幫助查一下）。
二是時間優先：兩個頻率相同的聲源同時發聲，離人耳比較近的那個聲源比較占優勢，也就是最
先到達人耳的聲音優先，成像點會比較靠近較近的聲源。如果不是同時發聲，則先發聲的聲源占
優勢。當兩個聲源的時間差大於一定數值時，我們則會感到是兩個聲源了，不能被合成單一的成
像點。這個時間差和各人的耳朵有很大關係，某些人比另外一些人更敏感。
三是耳廓、耳道效應：這是聲音在耳廓和耳道內反射時產生的很複雜微妙的生理聲學現象，目前
還在研究當中。比較普遍的說法是主要有兩個方面的影響，一是反射，使得聲音發生微小的時
滯，不同方向的聲音產生的時滯不同；二是吸收，反射次數較多的聲音的高頻部分會被吸收較
多，因此當轉動腦袋的時候，聲音的頻響特性會發生變化，通常面部正對音源的時候吸收最少，
聽到的細節最為豐富，響度也較高。耳廓效應可以通過觀察動物的表現可以推測出來，動物的耳
朵通常會轉動，當它們聽到奇怪的聲音的時候，會將耳朵豎立起來，並且向聲音的方向來迴轉
動。人的這個功能早已退化，因此只能靠轉動腦袋來代替轉動耳朵。
二、立體聲放音系統的基本原理
立體聲系統實際上時利用上面三種聲學效應而設計出來的，當兩個聲源發出同樣的聲音的時候，
我們不會感到時兩個聲源在發聲，而是主動把這兩個聲源進行了合併，按照上面的原理“想像
出”一個其實並不存在的居於兩個聲源之間的“虛幻”的聲源。當這樣的兩個聲源發出複雜的並
帶有部分差別的音樂時，就會使得我們產生一個聲場的幻覺，每個樂器或者發聲物是根據它們在
兩個聲源的響度、時間的微小差別在我們的前方的相應位置產生“幻像”，這就是所謂的“成
像”。在成像過程中，兩個聲源的響度、時間、頻響的差別都會對成像點產生影響。這裡的“聲
源”就是我們音響系統里的喇叭和耳機。
通過上面的一些知識，我們發現，“時間差”對於聲像的定位起著非常重要的作用，在聲場定位
的三個原理中，有2個都與它有關。因此，相位失真是影響聲場定位最為重要的因素之一。（並非
唯一，響度也是非常重要的因素，那是後話，這裡暫且不表）
如前所述，單純的相位失真並不足以影響聽感，但是實際上我們所碰到的相位失真根本就不是單
純的，這種不單純的相位失真則會產生各種影響，主要有以下幾個方面：
1、立體聲系統中左右聲道相位失真不一致
這是比較普遍的情況，尤其是在不怎么“HIFI”的系統中幾乎是通病，它的意思是在同一個頻率
下，兩個聲道產生的延遲會有差異。當這個差異比較大的時候，就破壞了兩個聲道中音樂信號的
相位關係，使得聲像發生偏移，當然，這還不足以造成太大的問題，如果這種偏移是固定不變
的，那么我們仍然不會察覺出來，因為我們並不知道錄音現場的情況，無法進行對比。但是會有
另外一個情況發生，就是我們對於時間差的變化所對應的聲像位置並不是“線性”的，也就是
說，這個時間差只有在一定範圍內才會使得聲像的位置發生較大的改變，如果太大就會分裂成兩
個成像點，如果太小，則基本無法察覺，並且，這還和聲音的頻率有很大的關係。於是，某些聲
音由於頻率比較“適當”而會“呆在它應該在的位置上”而另外一些聲音則會偏離應有的位置。
這樣就會造成聲像的重疊，也就是通常所說的“聲場混亂”。我們很多時候對於一個系統的評價
是“聲場擁擠、混亂”就和這個原因有關。
2、不同的響度下相位失真的不一致
對於一些比較低檔的音響器材來說，這是非常普遍的現象。我們經常會說某套系統動態一上來聲
場就亂套了，就和這個有很大關係。某些器材在小功率輸出下相位失真還比較效＝小，一旦輸出
功率增大，相位失真急劇增加，通常這種增加的幅度在兩個聲道中是不一致的，因此同時加劇了
聲道間相位失真的差距，造成聲像定位的混亂。
此外，由於樂器的響度是變化的，因此在一個相位失真嚴重的系統中，樂器的響度變化會造成其
結像點的漂移，使得我們感到這個樂器在前後左右晃動，相位失真越大，晃動範圍越大，甚至在
某些時候會感到樂器被分割開了。這樣就會嚴重影響聽感。當然，這是一種非常極端的現象，即
使是非HIF系統中也是少有的，或者即使有，也早已被更嚴重的問題說掩蓋了。
3、強音和弱音的時間關係改變
這其實是相位失真的最大害處。我們知道，我們的耳朵具有一定的“掩蔽效應”。這個效應的意
思是，當一個強音和一個弱音同時出現時，如果相差的響度大到一定程度，我們將不能感受到那
個弱音的存在。由於相位失真的頻率差異特性，有可能會把兩個原本分開的聲音疊加到一起，當
這兩個信號的響度差異較大的時候，微小的聲音就會“消失”了。相位失真和系統的瞬態回響以
及信噪比共同控制著這個系統對於弱音的表現能力，其中任何一個指標的缺陷都會造成系統細節
表現變差，也就是我們說所說的喪失“空氣感”“質感”。
4、不同頻率的信號相位失真的不一致
這個現象和現象3產生的結果有些相似，但又有一定差別。由於音樂中的高頻往往含量比較少，弱
音很多，所以不同頻率的相位失真的不一致也會造成高頻信息的損失。另外一個最重要的是，樂
器的聲音是由一些基音、諧波，以及它們的響度、時間關係等組成的，破壞了時間關係，就會導
致樂器聲音的質感發生變壞，某些諧波會被增強或者掩蔽。另外，由於這種和頻率有關的影響會
加劇互調失真的程度，也會對聽感產生惡劣的影響。
音箱系統和耳機系統對於相位失真的不同要求
音箱系統和耳機系統相比，有著比較明顯的原理差別。耳機通常利用的是前述第一、二個效應，
對第三個效應幾乎毫無利用。並且對於第二個效應也由於發聲點距耳朵較近，影響也會相應有所
弱化。因此說“耳機系統對於相位失真的敏感程度要低於音箱系統”。對於音箱系統來說，由於
系統自身的相位失真和聲音從音箱到達耳朵的時間（3米左右，可以計算出聲音的傳播時間，音速
四334米/秒）具有一定的可比性，因此，相位失真相當於將音箱向前或者向後“拉”了一定距
離，聽過音箱的人都知道音箱的擺位對於聲場結像的重要作用，可以想像一隻音箱前後左右移動
幾十厘米甚至幾米對於聲音的影響的程度。
但是，上面的情況並不等於耳機系統就不需要考核相位失真這個指標了，在前面的分析中我們知
道，聲音的細節表現和相位失真有著密切的關係，並且由於對定位作用影響的弱化，這個問題會
凸現出來，因此仍然要重視這個指標，只是考核的角度發生了變化，從相位失真的大小轉變成對
“一致性”方面的要求更為苛刻。
解決相位失真的一些辦法
對於耳機系統來說，主要是兩個方面。一是對放大器性能方面的要求，也就是在設計時要充分考
慮放大器相位失真的一致性（設計師各有高招，不提了）。二是重視放大器和耳機之間的匹配，
使得由於耳機和放大器驅動不匹配所產生的相位失真達到最小。
對於音箱來說，還要考慮擺位的問題，利用擺位來抵消一部分相位失真。
另外，由於信號在傳輸過程中由於其自身具有電容和電感，也會產生相位失真，同樣也需要得到
一定的重視，尤其是在非常高級的系統中，傳輸問題不可忽視。
參考資料：耳機HIFI基礎之如何看指標（四）相位失真