汽车中的波形、距离、相位和延迟

这是对我们如何在汽车中使用延时来获得绝佳音效的基本解释。本文简化了一些概念，并避免使用数学知识。

声波是以一定速度（"声速"）在空气中传播的压力变化。传统的 "斜线 "是空间中某一点的气压图，当气压变化经过空间中的某一点时，该点的气压会上升或下降。这些气压循环构成了 浪头.

图 1：上升和下降的气压

气压最高峰和最低峰之间的差值就是 振幅 的声音。基本上就是这么响。

图 2：图中峰值的高度表示振幅

当我们谈论声音时，我们谈论的是气压上升和下降的循环。我们的耳朵听到的就是这种气压上升和下降的反复循环。

图 3：波上相同压力值之间的物理距离就是波长

有一种测量单位--赫兹--表示波的 "每秒周期数"。这就是 频率

每个气压循环都有一个物理长度。这是一个周期的起点、该周期的终点和下一个周期的起点之间的距离。这就是所谓的 波长.波的长度随频率而变化。20 赫兹的波长为 675 英寸，20 千赫兹的波长为 0.675 英寸。440 赫兹的波长为 31 英寸。(此图不按比例）。

图 5：可听范围内的波长差异很大

我们把循环描述为圆，因为它们从环境气压开始，向上，向下，然后回到环境气压。我们从 0 度开始，经过 90 度到达最高气压，再经过 90 度回到环境气压，然后再经过 90 度到达气压最低点 270 度，最后爬升到 360 度，再次回到环境气压。

图 6：阶段描述了周期中的一个点

图 7：一个周期就是一个圆。

不管是每秒循环 20 次，还是每秒循环 20000 次，这种以度数为单位测量循环的方式都是一样的。 我们称之为 相位. 阶段的概念使我们能够确定我们在任何时间点上所处的周期位置。 在汽车音响中，我们经常将相位和极性互换讨论，但这样会混淆问题。极性是二进制的，但相位存在于频谱中。

如果我们做一些改变相位的事情--如果我们导致 相移 - 我们正在改变压力波在空间中某一点的位置、 而不改变频率。 波的相移有多种方式。

一种方法是将 (+) 和 (-) 接线反接--------。 极性。 这将相位移动 180 度（对于稳态信号）。

图 8：极性是二进制的。

当您 一种 声波的相位变化很难听到。如果您在 一个扬声器如果您将极性反转（这将迫使每个频率的相位发生 180 度的变化），则没有人能确定哪个连接是正确的，哪个连接是反转的。没有绝对的极性。

同样，研究人员操纵了特定频率信号的相位，而人类在通过单个扬声器聆听音乐时却听不出其中的差别。这让研究人员大吃一惊，他们本想测量相位失真对音乐播放的影响，却无法提供证据证明相位失真会影响音乐播放！(通过耳机播放测试音调时，人类确实可以听到相位变化，但通过扬声器播放音乐时却听不到）。

然而，当我们有多个相同频率的声波时 例如当多个扬声器播放同一声音时 - 事情会变得更加复杂。 两个压力波在我们的耳朵里相加。直观的预期是两个扬声器的音量比一个扬声器大，但任何在箱子里放了两个低音炮并不小心接错线的人都知道，情况并非总是如此。

图 9：两个 低音炮接线偏离极性。

当两个扬声器播放同一个音符时，它们与我们的距离相同（例如上面的两个低音炮），声波在同一时间到达，并且相互对齐。(当声波传播的距离相同时，由于它们的传播速度相同，因此到达目的地所需的时间也相同）。这意味着 它们的相位是一致的。

图 10：两个波相位一致。

当波浪齐头并进时，它们会叠加成一个更大的波浪，气压的峰值更高，气压的谷值更深（振幅更大）。

图 11：两个相位一致的波相加。

当电波到达的时间不同时，电波可能会在一定程度上错位。这意味着它们在某种程度上 "不在一个相位上"（相位是一个相对的术语，而不是一个绝对的术语--这就是为什么我们用 "相位 "来测量相位的原因）。 学位).

图 12：由于距离的原因，两个波的相位略有偏差。

因此，假设信号是 440 赫兹的音调。440 Hz 的波长约为 31 英寸。

如果两个扬声器的距离都是 31 英寸，则 距离相同 声音同时到达，波形相位一致。 它们加在一起发出的声音更大 (大 6 分贝）。这就解释了为什么我们认为两个扬声器的音量要比一个扬声器大。

图 13：从同一点发出的两个相同声波，相位相同。

如果一位发言者 一波长 如果一个扬声器比另一个扬声器离我们远 31 英寸，那么这两个波将会 静止的 对齐，以及 它们将汇聚成一个更大的声音.它们将增加近 6 分贝（声音传播得更远，其 31 英寸长的路径会略有衰减）。

图 14：两个 440 赫兹波（中 C）从空间两个不同点发出，位于距离测量点较远的 31 英寸处，相位相交。

这些距离的差值称为 路径长度差我们有时会用这个词来描述两个发言人的相对位置。

如果第二个扬声器比第一个扬声器远、 而路径长度差是波长的整数倍 - 如果一个波长是 31 英寸，那么两个波长就是 62 英寸，四个波长就是 124 英寸--那么这些波也是相位对齐的，它们相加后的音量仍然会增加 6 分贝。

但如果路径长度差不是波长的整数倍呢？如果是 更少 不止一个波长？

我们先来看看路径长度的差异是 二分之一 个波长。在这种情况下，第二波只完成了其周期的一半，也就是测量点的一半，因此它与第一波的相位相差 180 度。

这是它们所能达到的最大错位，因此当这两种波相加时，就会产生破坏性干扰和近乎完全的抵消。

根本不会产生压力变化！

图 15：两个完全相同的波相位相差 180°，由此产生的和接近完全抵消。

当我们不慎将一个超低音接反时，两个超低音就会相互抵消（请记住，反极性会造成 180 度的相位偏移）。

你可能会说："理论上知道这些很好"，"但音乐是由很多很多不同频率的波组成的，这些波同时出现。而且大多数情况下，第二个扬声器的距离并不相同，或者是一个波长的倍数，或者是半个波长的倍数。大多数情况下，它介于两者之间"。

是的，通常介于两者之间--因为每个频率的波长都不同，所以有路径长度差异的每对扬声器在某些频率上是对准的，在其他频率上略微错位，在少数频率上严重错位！ 这意味着有些频率会相互加强，声音变大，但有些频率会相互抵消，声音变小。 下面有三个表格来说明发生了什么。

表 1：路径长度差和相位偏差度

相同距离 = 0 度

0.125 波长 = 45 度

0.187 波长 = 60 度

0.25 波长 = 90 度

0.5 波长 = 180 度

0.75 波长 = 270 度

一个波长 = 360 度/0 度

表 2：将两个相同的波相加

0 度相移 = +6 分贝

45 度相移 = +5.65 分贝

60 度相移 = +5.35 分贝

90 度相移 = +3 分贝

相移 120 度 = 0 分贝

150 度相移 = -3 分贝

180 度相移 = -30 分贝

210 度相移 = -3 分贝

240 度相移 = 0 分贝

270 度相移 = +3 分贝

300 度相移 = +5.35db

315 度相移 = +5.65 dB

360 度相移 = +6 分贝

测试表明，对于人类的听觉系统来说，小于 3 分贝的振幅差异并不能明显地表现为 "更响 "或 "更静"。这些小于 3 分贝的差异听起来像是音调的变化，但并没有明显的变大或变小。小于 1dB 的变化非常微妙，很难可靠地辨别出来。

两个相同的波相加并对齐后，振幅会增加 6 分贝。这就是我们对两个相同波形相加时或使用两个扬声器而不是一个扬声器时的增益的基本预期。

当我们将两个信号相加时，通常是通过播放两个扬声器，而当我们使用两个扬声器时，我们期望获得 +6dB 的增益。如果我们没有得到它，我们就可能在扬声器和功放功率上浪费钱（请记住，+3dB 需要 2 倍的功放功率，而-3dB 是我们失去一半功放功率时得到的结果，因此 3dB 的摆动对我们的声音效果来说是一个非常重要的变化！）。

下面是出现路径长度差异时的结果。

表 3：以波长为单位测量的偏差及其对总和的影响

相同路径长度 = 增益 +6dB（求和的预期结果）

1/8th 波长 = 增益 5.65dB（未能获得预期的 0.35dB）。

3/8 波长 = 增益 5.35 分贝（未能获得预期的 0.65 分贝）

1/4 波长 = 增益 3dB（未能获得预期的 3dB）。

1/2 波长 = 增益 -30dB（未能获得预期的 36dB）。

3/4 波长 = 增益 3dB（未能获得预期的 3dB）。

5/8 波长 = 增益 5.35dB（未能获得预期的 0.65dB）。

7/8 波长 = 增益 5.65 分贝（未能获得预期的 0.35 分贝）

1 波长 = 增益 +6dB（我们再次得到预期结果）

下面是这些错位波相加的一些直观例子：

0 度相移 = 相加至 +6 分贝

图 16：这些总和为 +6dB

图 17：总和略低于 +6dB。

图 18：60 度偏差的影响仍小于 1 分贝。

图 19：90 度偏差使我们损失了潜在 6 分贝中的 3 分贝（相当于我们功率的一半）！

图 20：当偏差为 120° 时，偏差完全没有增加。

图 21：180° 错位时，信号几乎完全消失。

图 22：一个完整的波长 - 360* 的偏差 - 加起来几乎和没有偏差一样多！

每当同一声音从一个以上的位置传入我们的耳朵时，我们的振幅就有可能增大，也有可能减小。

这意味着 只要两个扬声器播放的音频范围很宽，有些音符就会变大，有些音符就会变小--除非两个扬声器离我们的距离相同。 (这个问题在汽车低音炮中通常并不明显，因为低音炮驱动器的路径长度差异只是扬声器播放波长的一小部分，但如果我们让低音炮播放中音，这个问题也会影响到它们）。

幸运的是，只有最严重的错位才会导致近乎完全的抵消。轻微的不对齐已被证明是听不见的，而中等程度的不对齐--虽然应该避免--也不是灾难性的。必须不惜一切代价避免的是最严重的错位，即导致总输出的重大损失。

正如一位好友所说 "我们是否完美无缺并不重要 于 阶段，但非常重要的是，我们不能完全 向外 的阶段"。

下面的动画很好地说明了这一点：

https://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/superposition/interference.gif 于 https://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/superposition/superposition.html

在汽车音响中，这些多重到达可能由四种不同的原因造成：

1. 你有左右两个扬声器，你播放的是立体声录音，内容是针对舞台中央的。为了达到这个目的，录音师会将左右声道的内容以相位方式平均分配。
2. 您有后置扬声器，它们播放的声音与前置扬声器相同。
3. 您有一个带有分频滤波器的多元件扬声器系统，因此低通扬声器和高通扬声器在分频滤波器网络的重叠过渡带中播放相同的声音。
4. 机舱内的反射声比直达声来得晚。

图 23：立体声路径长度、后置扬声器路径长度、分频-转换路径长度和反射

这对我们的声音有什么影响？

事实证明，损失惨重。幸运的是，我们无法听到多人到达的声音 作为 多次抵达 - 因为 回声 - 直到所涉及的路径长度差远远超过车内所能容纳的长度。因此，我们在安装多个扬声器时不会听到回声，但这也会产生其他影响。

有些音符变得更响亮，有些则变得更安静。多波到达会在我们的频率响应中形成峰谷模式--峰值是由于一些波的建设性加强作用叠加在一起，使振幅变大，声音变响；谷值则是由于其他波的破坏性抵消作用叠加在一起，使振幅变小，声音变小。 降低 振幅。这种模式被称为 梳状滤波器

下面是一个例子。我们测量了两个同时到达的相位全频粉红噪声源。红线和蓝线分别测量通道 1 和通道 2，绿线是 1+2 的总和。

图 24：红色和蓝色轨迹是两个完全相同的响应通道，绿色轨迹是两个通道在相位和时间上一致时的总和（消除了反射）。

在此示例中，组合或总和比 - 高 +6 分贝。 每个频率 - 比单独任何一个信号的相位都要高。这表明我们相加的两个信号在所有频率上都是同相的。这是模拟结果，在现实生活中，我们永远不会得到如此完美的结果。

下面是同样的两个信号相加的示例，其中一个信号相对于另一个信号传播了 27 英寸的距离，并且由于路径长度的差异而延迟了 2.01 毫秒。正如您所看到的，振幅损失明显，频率响应也受到严重破坏。

图 25：当相同的两条迹线相加，其中一条迹线延迟 2.0 毫秒（或 27 英寸）时产生的梳状滤波器。

在大约 100 赫兹以下，似乎可以看到预期的 6 分贝增幅，在 500 赫兹、1000 赫兹等频率也是如此（实际上，相位并非完全匹配，增幅比 +6 分贝低一小部分）。但是，在 250 Hz、750 Hz 和 1250 Hz 等频率下，信号损失很大。超过 5000 Hz 时，即使在这种高分辨率测量中，也不再能看到单独的消除--但仔细观察就会发现，平均总和仍然只有预期 +6dB 的一半。

通过看到总和来了解相位

如果我们有两个振幅相同的信号，将它们相加就可以知道这两个信号在任何给定频率下的对齐程度！

图 26 相位偏移总和表示相位偏移。

在上图中，如果总和为 +6dB，我们就知道两个信号的相位一致；如果总和为 -30dB，我们就知道两个信号的相位相差 180°，以此类推。 所有这些不同的相移都是 27 英寸路径长度差异的结果。 路径长度差异对不同波长的影响不同。更多信息请参阅上表二和三。

我们该如何解决 "多次到达 "的取消问题？

我们是否必须计算和预测路径长度差异对 每 波长为 每 频率从 每 系统中的扬声器？可听范围至少为 20 赫兹至 20,000 赫兹！

不，实际上有一种简单得多的方法。我们可以使用基于距离的延迟来解决特定聆听位置上多重到达的前三个原因（即左/右、前/后和高/低交互）。

距离驱动延时程序根据路径长度差和每个扬声器声音到达聆听位置的飞行时间，计算出应用于每个声道的延时。一旦输入了所有扬声器的绝对距离，就会计算出差异，并根据声速计算出飞行时间，然后对所有声道进行适当的延迟。距离聆听者最远的扬声器的信号完全不会延迟，我们会延迟其他扬声器的信号，使其与来自最远扬声器的信号保持一致。这非常简单，也非常有效。

当然，这需要我们的信号在启动时在相位和时间上保持一致。

它也适用于一个聆听位置，但不适用于多个聆听位置。如果我们想在多个聆听位置都能获得美妙的声音，就必须使用其他方法来解决因路径长度差异而产生的相位抵消问题。

在测量距离时，我们必须精确到什么程度？

我们需要 准确但就 精确度因此，延迟的微小差异不会导致保真度的巨大变化。

在对低频进行延时时，我们不必过于精确，因为涉及的波长很长，如上所述，微小的错位会导致非常小的振幅差异，而且听不到。80 Hz 的波长为 166 英寸。波长的八分之一（0.125）是 20 英寸。如果我们看一下上面的表格，0.125 波长的偏差会导致总和的振幅增加 5.65 分贝，而不是 6 分贝。 因此，如果我们的测量误差为 20 英寸（这将是一个非常糟糕的测量误差），我们将无法达到潜在的 0.35 分贝！

在对高音频率进行延迟时，我们也不必过于精确--因为这些波长短得无法想象，我们头部的每一次微小移动都会导致错位的出现和消失。5000 赫兹的波长不到 2.7 英寸。相位差 180 度的半波长是 1.35 英寸。我们一直都在移动头部，却没有注意到声学畸变。我们的听力系统很久以前就学会了忽略窄小的偏差，一旦频率超过了声音在一耳相对于另一耳相位差 180 度的频率（大约是 1500 赫兹）。 其结果是，高音失调并不能作为单独的消除而被听到（它们 是 不过，听起来损失的是振幅，而振幅可以通过其他方式弥补）。

在汽车中实现保真度时，使用延迟来克服路径长度差异是一个重要工具，但这些测量的分辨率超过一定程度后肯定就不是什么大问题了。更重要的是，我们要验证信号是否相位一致 当我们开始尤其是 OEM 信号。OEM 信号很少再在相位和时间上保持一致，因此测试和校正这些信号是一个非常重要的话题，以后再说。

这是否意味着延迟会 "使一切回到相位"？

虽然这很好，但延迟并不能神奇地解决所有的相位偏差问题。

我们行业中的一些人甚至抱怨说，基于距离的延迟不起作用，因为在应用延迟之后，仍然存在相位错位。

在一个聆听位置上，适当应用基于距离的延迟可消除路径长度差异造成的梳状滤波器消除。 这就是它的作用。

这是否意味着卷尺在预测相位抵消方面没有用处？当然不是！

还有什么原因会导致相位错位？

• 如果开始处理的信号具有相位和时间非线性特性
• 如果您的分频参数设置有问题
• 如果 OEM 信号的相位和时间处理未经校正
• 如果信号输入端极性接线错误
• 如果扬声器输出极性接线错误
• 如果有反射（总是有的）
• 振幅的任何变化（如分频滤波器）

基于距离的延迟无法解决这些问题。如果您的系统中存在上述一个或多个问题，并且您应用了基于距离的延迟、 这些问题仍将存在于您的系统中.当然，这并不意味着延时不是实现美妙音质的强大而有价值的工具，它只是解决路径长度差异所造成的问题的一个重要工具。

那么反射呢？

"直达声 "直接从扬声器传到我们的耳朵，路径最短。而 "反射声 "的传播路径较长，它首先从扬声器传播到反射表面，然后从反射表面反射出来，再传播到我们的耳朵。因此，反射声比直达声更晚到达。一旦同一声音在两个不同的时间到达，我们就有了多重到达！

幸运的是，声音传播得越远，衰减得越多（也就是说，初始振幅会损失一部分）。因此，反射声的功率通常小于直达声，这意味着相位抵消不会像两个声音振幅完全相同时那么严重。要产生最严重的相位抵消，两种声音的音量必须相近。这也是反射是造成多重到达的最不重要原因之一。

反射是每个聆听室的一部分。我们期待反射--如果我们神奇地消除了反射，声音就会变得难听。在本练习中，我们将接受反射的影响，并将其视为一种经营成本。事实证明，我们可以在不太担心反射的相位影响的情况下获得美妙的声音效果。

最佳做法

因此，最佳做法包括

• 验证启动信号的相位和时间完整性
• 在调谐前修正信号的相位和时间非线性特性
• 设置系统时，质量控制中心要能捕捉到任何接线错误
• 配置分频器，避免在结果中产生相位误差
• 不要在扬声器安装位置上发挥过多的创造力，以免产生反射。(有些复杂的扬声器安装会导致反射比原装位置更糟糕！）。

一旦您遵循了这些最佳实践，根据扬声器距离设置延时就会成为一个非常强大、非常简单的工具，在车内提供绝佳的音效。