音箱线性相位设计的理念、历史、发展和赏听收益

 在介绍平均律的音箱产品时，“线性相位设计”是一个反复提及的词，这个是我们音箱非常重要的一个设计特点，也是平均律音箱表现出色的重要因素。

 

 在以往的产品比如Opus 5或Lune音箱介绍时，我们称之为“与音乐相关的线性相位设计”，而在Tenet音箱的介绍时，这个称呼变成了“全频段线性相位设计”。也就是说，在线性相位的设计方面，我们不仅一以贯之，而且在最新的分频音箱上还有了更高的要求和突破。

 

 说到这里很多人会说，市面上不是有很多音箱都说自己注重相位设计吗？相位到底是什么？

 

 “相位”这个词其实我们经常看到，比如说电源的相位，或者录音的相位——其实这个我更愿意称之为电源的“极性”或者录音的初始相位，和我们强调的音箱的相位设计不是一回事。

 

  音箱是靠还原不同频率的声波来表现音乐录音的，而在描述声波特性时，有三个最重要的指标——频率、幅度和相位。频率的计量单位是Hz（赫兹），表述每秒振动多少次，比如50Hz就是每秒振动50次，这是低频范围；500Hz就是500次，这是中频范围；

 

 5000Hz就是5000次，这是高频范围。这些频率都是需要不同扬声器单元来负责的，频率越高，扬声器的口径越小。比如1英寸的高音单元，5英寸的中音单元，10英寸的低音单元。不同口径的扬声器单元都有自己最擅长重播的频率，不能互相取代。

 

  振幅是指声波振动的最大幅度，我们用声压级表述，单位是dB，这个数值越大，声压就越大。而相差3dB就表述能量大了一倍。声压级相同，但是频率不同，它们给人的感受也是不同的，同时重播需要的能量也是不同的。比如对于3000Hz来说，90dB声压级的重播不需要耗费很大的功率；但如果是30Hz的频率要重播到90dB声压级，那就需要很大的功率了。

 

 声波在空气中的传播可以理解为是一个三维的状态，所以其中还有一个很重要的特性就是相位（Phase），关于“相位”，值得仔细说说。

 

  “相位”一词用在周期性现象的描述中——如振动、波动、交流电等。在这些现象中，我们用正余弦函数的图像——波浪状来作为具象化的表征，其横轴X可以看成某种位置；而“相位”则表示这种波形在特定时间上的它的循环位置。换句话说，相位是对于一个波，描述它在特定时刻上，它是否在波峰、波谷或之间的某点的标度。相位只发生在周期运动之中，所以像声波这种循环运动必须要涉及“相位”这个重要特性！抛开“相位”去谈声波则毫无意义。

 

为什么“相位”很重要

  除了全频单元，绝大多数音箱都会使用分频器，分频元件如电容、电感的存在，就会让信号的传输产生延时，虽然很微弱，但是也会出现所谓的“时间-相位差”，时间差的出现，导致了高中低频声波到达人耳时会产生相位差， 它会让最初的波形由于各种叠加而产生变形，掩盖很多宝贵的原始信息。

  前面讲到过，分频音箱的工作原理是将不同频率分给不同的喇叭单元来负责，再汇合成整体的。所以很多音箱虽然在分频点附近能实现相对平滑的相位衔接，但是并不能做到优秀的整体相位特性。

 简单地说，比如一架钢琴可以弹奏很宽阔的频率，但是这些频率在同时响起时，它们之间是不存在相位差的，不会存在有的频率相位超前有的相位滞后（如果用波形来表述，就是不同频率它们的相位都是一样的）。但是有很多分频音箱，它们在重播这架钢琴的录音时，有些频率是相位超前的，有些频率是相位滞后的，相位的这种不一致，虽然用语言表述起来很困难，但是耳朵是很敏感的，就会发现其中很多弱小信号被淹没和抵消掉了。

 也有很多品牌并不会重点强调相位特性，那么为什么呢，因为这是个费力不讨好的事情，设计出线性相位很难。打个不太准确但大家容易理解的比方——音箱上的高中低音衔接，有点像乐队齐奏时，乐队在指挥棒下，每个乐手的演奏情况——我们都知道，好的齐奏是所有的乐手都同时按指挥棒行动的，超前或者滞后，都会让演出变成车祸现场。

  而我们看到的很多音箱则不是这样的，有些看起来分频点相位衔接平滑的，是抢跑了180度的，这个从频响曲线上完全看不出来的，但是对于实际听感来说，人耳朵却能够发现有问题。

  有人或许会质疑——不同喇叭单元之间发出的声波，时间差不是只有很短吗？可能要以毫秒来计算，这点误差会影响听感吗？ 会的，而且在人耳敏感的中低频以及广泛的中频中频区域里，这种相位误差是难以接受的。毕竟我们听的是“高保真”嘛！

 

如何解决“相位”问题

  那如何去解决这个问题呢？有两个方案——第一种就是让出现相位差的频率尽可能远离我们耳朵的敏感区域比如人耳对低频一直到2000赫兹这一段频响的相位差非常敏感，那我们就尽可能让出现相位偏差的频率推到4000赫兹左右——比如我们的Opus 5、Phase 1和Lune音箱都是这样的设计。

虽然Lune和Phase 1音箱的分频点是在2000赫兹附近，而且是复杂的4阶分频器，但是我们选取了特殊的分频器设计结构，经过精密的计算，将相位偏差的频率推离了人耳最敏感的频率区域！Opus 5有两个分频点，一般来说这种3分频设计会有两处出现相位偏差，但是在我们的精心设计下，相位偏差只有一处，而且也是远离人耳敏感区域的。

  我们将Opus 5、Phase 1和Lune音箱的这种相位设计技术称为“与音乐相关的线性相位技术”，这是我们的重要成果，所以这三款音箱所展士出来的信息量和鲜活度是明显好于同类型音箱的。

  这样做的好处是什么？请看下面这个图，也就是在大多数重要的频率上，不会产生因为相位偏差（超前或者滞后）带来的不良影响：

  另外一种更加极致的方案就是“全频线性相位设计”的音箱，从低频到中频再到高频，整个音箱负责的频段里，声波直接都没有相位差！就像没有经过分频器的全频单元一样，有着完美的相位特性，但是它的综合实力又是单个全频喇叭远不能及的。

 

图注：这对Spica TC50曾经在1990年代风靡一时，以前只觉得它的声音很有特殊的魅力，直到现在才知道它其实就是一对线性相位设计的音箱，请看下图，它完美的阶跃响应！

为什么说它的阶跃响应非常完美呢？因为这非常接近自然乐器声音呈现出的阶跃响应。您再看看下图，这是一对非常昂贵的音箱的阶跃响应，和上图相比，可以看出差距不小：

让人失望的阶跃响应，这对3分频的贵价音箱虽然频率响应不错，但是整体相位特性并不好，不过市面上绝大多数音箱就是这样的

线性相位音箱的历史、成就和局限

  记得在上世纪八九十年代，在技术狂人盛行的美国，就有不止一个著名品牌在设计和生产这种“全频线性相位音箱”。这样的设计有两个基本的原则——第一就是声学一阶分频器，第二就是不同喇叭单元的声学中心在同一个平面。这样的音箱设计起来是非常复杂的。

——且慢，不是说好的一阶分频吗？我在这里强调一下，这里说的是“声学一阶”，并不等于是使用一个分频器元件的那种“电路一阶”的简单分频器。真正做到了声学一阶的，分频器复杂程度是超过您想象的，看起来比四阶分频器都要复杂——不信您去看看当年的“全频线性相位”音箱的先驱如Duntech、Dunlvy、Thiel等，当年我看到“一阶分频”以为它们的分频器只有少量元件，结果看到分频器就惊呆了！

万登庭音箱的创始人Richard Vandersteen先生就是线性相位音箱的设计先驱者之一

  “声学一阶”要求扬声器单元在分频点以外的带外频率是以平缓的每个Otc（八度，也就是倍频程）以-6dB的幅度衰减，比如对于低音单元来说，如果分频点是100Hz，那么在分频点以外的100Hz到200Hz这个倍频程里，声压级的衰减是-6dB；在200Hz到400Hz这个倍频程里，声压级的衰减又是-6dB（一共衰减了-12dB），在400Hz到800Hz这个倍频程里，声压级的衰减又是-6dB（一共衰减了-18dB），在800Hz到1600Hz这个倍频程里，声压级的衰减又是-6dB（一共衰减了-24dB）..........

看明白了吗？要达到这样的要求容易吗？带外频率延伸很远，而且要求是很平缓地降落，这要求分频器配合喇叭单元完成，所以要达到这样的要求，分频器真的简单不了！

 

左侧：另外一家著名线性相位音箱品牌Thiel（超奥）早期产品

右侧：Thiel（超奥）的晚期产品，画风有所改变

 

“声学一阶”的分频器有多复杂？来看看这个图片，这是超奥的一款音箱，分频器还没拍全，就已经这么吓人了！！

 

如果你不理解上图的“声学一阶”分频器有多复杂，请对比这个普通的两阶分频器

   所以，当年很多做“全频线性相位”音箱的厂家，不得不选择了一些机械阻尼比较大的喇叭单元如丹拿、Vifa等，以牺牲微弱小信号的还原来换取平滑的带外特性，所以这就产生了一个悖论——“全频线性相位”音箱应该是鲜活感特别好的设计，但是为了达到这个设计目标又不得不采用容易丢失小信号的机械阻尼强烈的喇叭单元。

左侧：3英寸纺织物振膜球顶中音

右侧：镁合金振膜中音，刚性振膜

 

 

 

左侧：软膜高音单元

右侧：陶瓷高音与铍膜高音，硬膜单元

 

  但是这样会带来另外一个问题：“软性”振膜的喇叭单元看起来频响比较平滑，容易设计出“声学一阶”的分频器，但是因为振膜的刚性不够，在播放音乐录音这种由大量复杂频率组成的信号时，会因为产生“分割振动”而造成原始型号的丢失与扭曲，实在是遗憾！所以，虽然采用“软性振膜”的喇叭单元（如软膜的球顶高音和中音，PP盆的中低音或者低音等）容易设计出“声学一阶”分频器，达成“线性相位音箱”，但是采用机械阻尼强烈的喇叭单元却不能完全体会“线性相位音箱”的优点。

“分割振动”是什么？会造成什么不良影响？请看下图：

 

图注：本来是一整片振膜的，但是因为刚性不足，在不同频率产生了不同形体的分割振动，带来严重的失真与互调，根本不能完美地还原出原始的信号

   另外当年的“全频线性相位”音箱还有一个先天的不足是它的“皇帝位”比较窄，以前这些音箱它们都是不能微调扬声器单元位置的，像Duntech为了做到所有喇叭单元声学中心在同一个平面，采用了阶梯式的前面板设计，高音在最深处，但是这样的设计就使得，只有在某一个离音箱远近的位置时，才能完全体会到“全频线性相位”设计的好处。

图注：大名鼎鼎的线性相位音箱的先驱Duntech的旗舰音箱“皇帝”，请看它特殊的阶梯状的前面板。理论上这样的设计，使得最佳的听音距离有局限。这也是以前线性相位音箱设计的不足之一。当然不在最佳距离上听也有不错的效果，但是达不到设计的终极目标了

 

平均律音箱方案

   所以虽然Tenet音箱虽然也是“全频线性相位”设计，但绝对和八九十年代的那些前辈是不同的。首先我们选用并深度改造了三款扬声器单元来自以高性能著称的德国Accuton，这几款单元对于微小信号的还原能力超强，当然设计难度也比那种本身以强烈内阻尼来换取平滑的频响特性的喇叭单元难很多。

Tenet音箱采用德国Accuton公司的3款高刚性振膜的扬声器单元，高音单元振膜是钻石，性能极为理想。如何让钻石高音发出透明、鲜活、丰润的声音，我们在分频器设计上下足了功夫

图注：Tenet音箱采用德国Accuton公司的陶瓷振膜中音单元，这是陶瓷振膜的电镜照片。振膜是双层结构，断面被放大了1000倍，可以看到两层氧化铝几乎各占一半，在1400℃的条件下烧结而成。从照片中还可以看到振膜是多孔性结构。单纯地说，陶瓷的密度、杨氏系数指标都不算最理想，但是它的这种多孔性结构很大程度上弥补了密度偏高的不足，还改善了内阻尼特性，使得Accuton的陶瓷振膜性能优异，和其它品牌的陶瓷振膜相比胜出不少。

  当然，这样的单元也特别考验分频器设计水平，和市面上很多采用Accuton单元的音箱不同，Tenet音箱的中频不仅非常鲜活敏锐，而且丰润松弛，音响性拔尖的同时听感极好。

  其次是高音和中音的位置微调功能，让“全频线性相位”设计有了巨大的实用性突破，它可以适应不同的听音环境，微调可以做到不同远近距离都能精确对齐相位，充分体会到频响、相位都是全频线性的优点，您会发现播放各种类型的录音都有意想不到的出色表现。

 

图注：Tenet音箱的中音位置调整机构。需要特别说明的是，线性相位音箱并不是靠把高中低音错开距离就能实现的。市面上有些品牌也能调节，但并不是线性相位设计。

   这里要强调，虽然Lune、Phase 1和Tenet音箱都有高音微调距离的功能，但并不是只要错开高音单元位置就是“线性相位设计”——我们设计的线性相位，其中更关键的是分频器形式的选用和线路的严谨计算和规划，并不是简单地把两个喇叭单元错开位置就能实现了。

市面上流行的好几款高音甚至中音都错开距离的音箱，其实并不是线性相位设计，这个千万别弄错了。也不是一阶分频就是等于相位失真低，或者就是线性相位了。有一个在中国很流行的品牌就是一阶分频闻名的音箱，但其实看它的相位特性也并不出色。

 

“线性相位设计”的赏听特点

  一直在强调相位特性设计的重要性，它真的那么重要吗？我们能听得出来吗？是的，非常重要，我们肯定能听出来。

 

  很多人觉得全频喇叭声音很自然流畅，特别是一些小口径的全频喇叭。其中非常重要的一个原因就全频喇叭虽然频宽受限制，但是因为没有分频器带来的相位偏差，所以它还原的阶跃响应特性非常类似真实乐器——也就是说虽然全频单元有很多缺点，但是它却是做到了“全频线性相位特性”。

 

  所以，如何采用高性能的现代扬声器单元设计出相位特性优越的音箱，正是我们平均律音响一直都在努力的。做好了相位特性，也能大幅度地降低各种失真，让声音的重播更加真实和敏锐，能带来更丰富的信息量、更快的响应速度、更好的密度与质感、全频段都会更鲜活与更有感染力。

 

图注：请找到这张黑胶，播放B面的第一轨，那漫天飞舞的弦乐细节让人动容

  英国指挥家普列文在EMI公司有一张著名的录音，门德尔松的《仲夏夜之梦》，里面有好几段弦乐的群奏音量不大，但是薄如蝉翼的细节漫天飞舞，恰似莎士比亚描绘的《仲夏夜之梦》剧本里飞舞的小精灵。在好多音箱上您感受不到这个录音的好处，但是在我们的多款音箱上都能强烈地体会到这张惊人的效果。这不是玄学也不是脑补，这就是技术带来的新感官新体会！

图注：这张“狂想曲集”是人手一张的唱片，其中不乏各种动人的弦乐群奏，您在线性相位设计的音箱Tenet上能充分地体会到各种弦乐器汇集成群之后那种既有磅礴气势又有强烈质感所带来的震撼感受

  另外需要说的是性相位的音箱当然也有脱箱感好，舞台感强，结像定位清晰的优点，但绝不仅限于此。有些整体相位特性并不出色的音箱也能做到结像清晰，但是它们和线性相位的设计相比，声音的真实度与鲜活感却相差了很多，对于挑剔的耳朵来说，声音的重播不仅只要求频率做到了线性，更会要求相位也做到尽可能的线性，最理想的状态是全频段的相位都是线性的。

 

  作为一个玩音箱多年的发烧友，作为一个在音响媒体供职多年的媒体人，作为一个转行做原创音箱设计的创业者，这些年来我有一个很值得骄傲的事情就是，在我们的努力下，终于设计完成并且推出了自己梦想已久的采用高性能箱体、高性能喇叭单元的“全频线性相位”音箱，有一种强烈的冲动，想让更多发烧友体会到这种设计的魅力，否则玩了那么多年的各种音箱，未必算得上悟出真谛啊！ 

 

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