声像与相位

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所属分类:音频杂谈

一、什么是声像?(PAN)
声像是指乐器在声场中的发声位置点。简单的说,就是声音的方位,是靠左还是靠右。

要理解“声像”这个概念,你首先要知道,人耳究竟是如何辨别声音方位的?

举个例子,两个音箱,摆位和你的脑袋成等边三角形,边长都是350厘米,在两个音箱里同时播放强度相等,时间也相等的音频信号,这时你会感到声音是从正前方传来的。

然后,继续保持两个音箱的发音时间没有时间差,将右边音箱的音量逐渐加大,你就会感到声像位置逐渐向这个音箱偏移。当两个音箱的声级差超过了15分贝的时候,你就会感到声像几乎完全被固定在右边的音箱上。

这说明了,人是靠两耳得到的声音的声级差来辨别声音的方位的。

接下来再重新做一次试验。还是那两个音箱,这次不是增加右边的音量,而是将右边的信号延时播放,并逐渐加大延时量,随着两个音箱所发出的声音之间的时差逐渐加大,你会感到,声像逐渐向左边的音箱偏离。当两个音箱之间的时超过3毫秒后,你就会感到声像是在左边的音箱上了。但事实上,两个音箱的音量是一样的。

也就是说,在3毫秒到30毫秒的范围内,人耳会将声源的位置确定在首先到达耳朵的那个声源上。这就是声学上著名的“哈斯效应”。
如果延迟达到50毫秒以上,你仍然感觉到声源是从未经延时的音箱上来的,但能感到这个声音之后有一个回声。

这两个实验证明了,在一般的普通音量下(50-70分贝内),某一个声源发出的声音,传到人的耳朵里时。如果声音来自听音者的正前方,那么声源到左、右耳的距离是相等的,声波到达左、右耳的时间差、音色差则为零。如果声源不在正前方,那么声音到达左、右耳的时间及强弱则会有一定的差别,这种差别被人耳接收后,就能“分析”出声源在什么方向和位置。
这就是所谓的“双耳效应”。

我们听觉的立体感是基于“双耳效应”产生的。现在的“立体声唱片”“立体声耳机”等等,都是利用了“双耳效应”。我们通过录音技术录下声响,然后用两个或几个音箱播放出来,使人们听起来好像音箱之间有一个声源在发声。这个假想的、实际上不存在的声源就叫作“声像”。

每件乐器都有着自己的声像点,如果我们在做音乐的时候,声像都在中间,那就好比交响乐团像“千手观音”那样一溜站在舞台中间给你演奏。所以,声像要按人的听觉习惯来各自摆开,这会使音乐听上去更具有层次感,而且可以压低噪声。

下面的这张图是交响乐队各乐器在舞台上的摆位:
声像与相位

二、什么是相位(PHASE)
相位是物理中的概念。
我们都知道,任何复杂的波形,都能够分解为很多个正弦波,也就是说,自然界中任何声音,都是无数正弦波的合成。如果不理解这一点,记住结论就好了。

正弦波是周期性的,从起点开始计时,每隔一段时间波形都会回到起点,我们把这个时间间隔叫做周期。对于一个正弦波,通常只研究一个周期就等于了解整个波形了。既然是周期性的,我们想象把一个周期的时间坐标弯成一个圆,这样每个时间点都对应一个角度,相当于钟表分针的角度,以此来表示相位,会更加方便数学方面的研究。

任何一个波的起始点离其相邻波的起始点都是360度,也就是说所有波峰或者波谷都是同相位的,波峰、波谷之间则是互相反向,相位差正好是180°。同相位相加,反相位相减。

举个例子,我们来看下面这两个函数的波形:
声像与相位声像与相位声像与相位这两个波形是不一样的,但频谱却相同,因为在s和2s的位置各有两个相同大小的峰,而功率频谱不记录谐波的相位。所以,这两个波形的声音听上去会完全一样。也就是说,人耳对波形的相位是没有感觉的,换句话讲,一个声源早一点或晚一点到达某一只耳朵,并不影响声源的听感,但是如果到达每个耳朵的时间不同,就会有相位差,从而产生立体感。

我们来做几个反相实验。
(反相,就是把正弦波波形上下颠倒一下,正变负,负变正。对于正弦波,这也就相当于提前或者错后半个周期。)

实验一
这是一个单声道音频。
声像与相位对其进行反相处理。
声像与相位反相前:1Mono.mp3
反相后: 2Mono.mp3
听觉上没有任何变化,我们已经改变了相位,但是听上去没有区别,说明相位本身是没有意义的。

实验二

这是一个正常的立体声信号。
声像与相位进行反相处理,两个声道全反相。
声像与相位反相前: S1.mp3
反相后: S2.mp3
听上去没有任何变化,这再次说明相位本身是没有意义的。

做一点改变,只反相处理左声道.
声像与相位反相后:S3.mp3

听一听怎么样?是不是声音的位置变了?感觉象在脑后一样?现在我们知道,两边的信号有半个周期的相位差,所以听感上有了明显变化,说明只有相位差才有意义。

实验三
这是一段音轨。
声像与相位复制一份。
声像与相位然后将这两个音轨中的一轨反相处理(绿色那轨)。
声像与相位反相前:T1.mp3
反相后:T2.mp3

播放反相处理后的音频,你会发现没有任何声音出现。
这是因为一个信号反相后,振幅和原信号正好完全相反,就抵消了。在这种极端状况下,抵消得干干净净,所以就没有声音了。

我们来用频谱观察,左下角半圆就是相位仪。相位仪用180度的周期来表示相位差,因为相位差只需要半个正弦波周期表示就足够了。原因很简单,在钟表上不看
时针只看分针的话,向前270等于向后90度,180度可以看作是“相位差的周期”。一句话:我们用360度表示相位,180度表示相位差。
我们都知道单声道在相位仪里是竖直的一条线(如果不改变声像的话),这是因为两侧相位完全一样,相位差为零度。
正负45度内的相位差叫做“in phase”,超出范围的叫做“anti phase”,就是反相。
声像与相位
看了上面写的,我们应该知道声像与相位这两个东西根本不是一个概念,但是都对声音位置有影响。声像是在不改变相位差的情况下,靠改变两个声道音量比的方法调整声音位置,比如声像向右拉,其实就是使右边声音大左边声音小,听感上声音就跑到右边了。而相位差也能导致声音位置的变化,不过道理不同。
利用相位来改变声音特性,是需要非常小心的,如果运用不当,会破坏整体声场,如果运用得当,则会给音乐带来与众不同的感觉。
再讲个例子,你头戴耳机,我这里有两个一样的单声道音轨,同时给你的两耳机(俩耳朵都响),然后再新建两个Mono轨,将这两条单声道音轨再各复制一份,并延时50毫秒,再反相,再叠加到你的耳机上,你就会立刻感觉到一种空间感,好像声音来自四面八方。这个现象就是声学上的“劳氏效应”。
叠加前: M1.mp3
叠加后:M2.mp3

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