线性相位设计的技术解读

线性相位设计音箱——linear phase Loudspeaker或者Time-Coherent Loudspeakers，是音箱设计的一个流派。虽然有一些厂商采用了线性相位的设计方向，并且有一定数量的发烧友支持，但并没有形成主流。早期的心理声学研究认为，人耳对声音重放的相位误差不敏感。但这些研究有一定的局限性并且前提设定非常简单，并不能涵盖复杂的音乐重放及发烧友对High-end音频的追求。

需要指出的是，当前业界对重放系统的性能指标，依旧只重点关注声音的平衡（频率响应）、动态范围、信噪比、谐波失真等静态的指标。对于动态的复杂的音乐信号重放的研究和相关性能指标的确立依然不够深入。

要理解相位失真的问题，比较直观，而且便于测试的是观察音箱重放的阶跃响应。

  驱动音箱的是一个瞬间上升到一定幅度并一直保持的电压。在理想的重放过程中，上升的前沿是垂直的，并且一直保持不变（曲线的水平延伸），代表高频和低频端延伸是理想状态。现在的测试软件可以便捷地测试出时域（time domain）特性，并转换为频响特性。阶跃响应曲线与实际频响测试曲线是对应的，同样，也可转换为相位特性曲线和群延迟特性曲线。

图注：这里是某英国品牌一款静电音箱的实测阶跃响应，以静电和全频单元为代表，单一的辐射器覆盖全频，理想状况下是不存在相位失真的，可以看到由于带宽的限制，阶跃响应为快速上升和平缓跌落的形态。

全频单元音箱，虽然有着固有的缺陷——由单一辐射单元覆盖整个音频频段，几乎是不可能完成的任务。所谓全频单元不可能重播很宽的频带，现实中的产品必然会有所妥协（常见的是低频端延伸不足，失真偏高）。当音乐信号包含复杂的高低频成分，互相的调制（多普勒效应）造成很大的谐波失真，单元口径过大也会导致高频指向性问题严重。尽管如此，依然有很多的爱好者执迷与全频音箱，背后的原理就是来自其优良的相位特性。

因此，为避免全频音箱的缺陷，分频设计是必然的选择。不同的单元负责各个频段，各司其责，实际的分频音箱再频宽，失真率等静态指标上是全面优于全频音箱的。

来看看典型的二分频线性相位设计音箱。上面的图示意单元与听音位置的距离。

下排左边的图表中黑色曲线为高频单元，蓝色曲为低频单元，红色为高低频合成的阶跃响应。

下排右图表中，黑色蓝色曲线与左边图表相同，红色曲线为高低频单元相位衔接出现误差的阶跃响应。

要实现正确的线性相位音箱设计，需要合理的高低频滚降特性的配合（图中是典型的一阶分频网络的阶跃响应），和单元的声学中心物理位置的对齐（Time Alignment）（可通过倾斜，台阶，独立可调节障板来实现）。

这里是一个二分频非线性相位音箱的阶跃响应，同样是高，低频及合成的响应。

这里是几个传统音箱的实际测试，阶跃响应曲线差别极大。但实际上这几个音箱的频响特性都是相对比较平直的，不同的曲线形态是因为它们采用了不同斜率的高低频分频网络和分频点的延迟（声学中心偏移或单元反相连接）。现在行业内的分频网络设计中有很多经典类型，如LR2(林克维茨-瑞利二阶网络)等，绝大多数的经典分频网络都允许一定程度的群延迟。

如此多的厂家忽视相位特性，主要是由于大量的早期心理声学研究观点——人耳对相位延迟不敏感，对某个频段多少毫秒的群延迟不能分辨等等。

而采用线性相位设计，分频网络必须是一阶设计，对单元的频宽，带外的衰减特性，带外失真特性都有很高要求。

如果放宽对优异相位特性的要求，同等的成本下，一般可以得到更好的频率特性，失真率等静态特性的指标，不失为一种看似合理的选择。

然而，就像即使人耳能分辨的谐波失真大约1~5%，但依然有很多放大器厂家追求0.00…1%的低谐波失真率。那么，在相位特性上做出更高的要求不也是理所当然的吗？ 

这是现实中几个例子，分别是手枪、长枪和大炮的声音信号。音乐信号中很多打击乐器，弹拨乐器都与其类似——快速的上升然后衰减，震荡。可以看到与测试的阶跃信号响应形态上非常相近。

线性相位设计的音箱，给人的第一印象，是非常优异的3D感——定位清晰且声场宽阔，环境的氛围感优异。这是理所当然的，人耳对声音的定位本来就很大程度依赖两耳接受声音的时间差。更重要的是，线性相位设计音箱的声音质感，细微声音特质，声音的自然流畅，声音的可信度，对声音规模和复杂音乐的揭示等等各个方面都有非常优异的表现。

或许，这些特质都是内在的，有时候这些理所当然的表现反而不如很多传统多分频音箱那样能短时间吸引人关注，需要人耐心感受和体会。

音乐是时间的艺术。声音，或者说音乐信号是与时间密切相关的。无论对于大自然的声音，还是现场的音乐，时间都参与构筑了声波的核心结构。频率、响度与时序，任一要素的扭曲都不能称之为高保真的重播。

任何技术都会受现实条件的制约。早期的线性相位设计音箱，其单元的素质、测试条件的不完善，或者理念上有所局限，对各个声音重放要素所赋予的权重和取舍，都对最终效果造成一些显著的不足。低相位失真是一个重要要素但也不是全部，您可以点击此处来了解平均律音箱设计另外一些重要的方面——音乐传输效率。

音箱的设计是一个折衷的艺术。全面细致的考量，总体的把握，依托最新的技术进步，才能做好一个不妥协的产品。