浅谈全通滤波器

yinpinw

提到“全通滤波器”，可能有不少朋友感到陌生，其实也不是什么很神奇的功能，只是大家在扩声系统优化中不知道什么时候采用，以及如何应用而已。对全通滤波器简单的解释就是：一种只改变相位，不改变频响的滤波器，英文全称为“All Pass Filter”，因此又被称为“相位滤波器”。
全通滤波器有两种：“AP-1”和“AP-2”，即“1阶90度全通（带宽不可变）”和“2阶180度全通（带宽可变）”。更详细一点，即“对某频点做1/4个周期的延时”和“对以某频点为中心的频段做1/2个周期的延时”。严格的讲，在扩声系统优化中会经常采用到这两种滤波器功能。

    图1  360度与一个周期
我们知道，两只相同的扬声器系统（具有较高一致性）对于参考测试点，如果有时间差（源自物理距离或信号传输等差异）的话，要保证整体幅频响应叠加，仅需要做延时补偿即可。但是，若是两只不同的扬声器系统对于参考测试点，如果有时间差的话，要保证整体幅频响应叠加，仅仅做延时补偿是不够的，因为延时只是将两只扬声器系统的相频响应补偿在一个周期内而已，两只扬声器系统的先天相频响应并不一致，此时就需要根据相位角度差值情况，有针对性的采用具体的全通滤波器来进行校正。从而保证不同的扬声器系统也能够实现良好的叠加状态（需要说明的是，全通滤波器仅仅是一个补偿工具，并不能完美的解决所有的相位问题，这也正是为什么我一直主张，在扩声方案中精简扬声器系统型号的主要原因）。
简而言之，对于不同的扬声器系统，在做完延时补偿之后，接下来分两种情况：1、需要将分频点上的相位曲线重合，既可以采用延时，也可以采用全通；2、需要将大范围频段上的相位曲线重合，仅可采用全通。
通常，我们遇到全频加超低的组合方式最为常见，这与上述第一种情况相同，基本采用延时功能就可以使全频与超低之间的分频点（分频点区域以外的频段属于隔离区）上的相位重合。然而，在大型扩声现场，甚至小型扩声现场也不例外，往往会设计不同的全频扬声器系统分布在现场各司其职。这与上述第二种情况相同，除了延时补偿之外，还需要采用全通滤波器进行相位曲线调整，直至重叠区大部分的相位曲线重合。
下面，我们以测试数据来佐证：


图2：绿色及橙色分别为两只相同扬声器系统幅频响应曲线



图3：绿色及橙色分别为两只相同扬声器系统相频响应曲线（仅做延时处理）

图4：紫色为两只相同扬声器系统合成幅频响应曲线

图5：紫色为两只相同扬声器系统合成相频响应曲线

图6：红色为两只相同扬声器系统合成相频响应曲线（不做任何处理）

图7：蓝色及粉色分别为两只不同扬声器系统幅频响应曲线

图8：蓝色及粉色分别为两只不同扬声器系统相频响应曲线（仅做延时处理）

图9：蓝色及粉色分别为两只不同扬声器系统相频响应曲线（蓝色做1阶全通处理）

图10：绿色为两只不同扬声器系统合成幅频响应曲线

图11：绿色为两只不同扬声器系统合成相频响应曲线

图12：棕色为两只不同扬声器系统合成相频响应曲线（不做任何处理）

yinpinw

（测试环境：Demo Hall；测试软件：Smaart.V.7；测试拾音器：AUDIX TM-1；测试声卡：Roland UA-55）
从以上图中你会发现，我们并未采用任何均衡处理，仅仅是采用了延时和全通滤波，就实现了能量充分利用，而且保证了合成之后的良好响应状态。因此，在进行扩声系统优化的时候，当发现幅频响应曲线不够理想时（峰峦叠嶂），不要盲目的采用均衡功能做补偿处理，而是要先进行分析导致问题出现的根本原因，从根源入手。
通过以上了解，举一反三，你是否会想到现实中的线阵列扬声器系统（由多只线阵列扬声器模块组成），就算是按照线阵列理论要求设计的声学结构，如果根源问题（扬声器相频响应一致性）未得到解决，终究是徒劳。
    同时，这也正是笔者为什么建议大家在考虑一套扩声系统时，尽可能将扬声器系统的选型精简化。扬声器系统的选型越多，声音的品质越难以控制。恰巧也正符合音响发烧友们奉行的：简洁至上原则。
    提示：
    1、有的朋友在优化分频点时，应用了全通滤波器，但并不是在一个周期内（忽略了延时补偿），虽然分频点的相位曲线的确也可以重合（因为采用的是持续的粉红噪声信号），但是这样的方法是有问题的，实际的音频信号，并非是持续的稳态信号，更倾向于随机。在分频点处存在时间差，就意味着分频点处的脉冲响应（瞬态特性）会受到破坏。作个极端假设，如果与分频点相关的两组扬声器时间差长达50ms以上时，在分频点处你将会听到两个先后到达的声音。
    2、有的朋友说延时功能已经过时，将来延时功能将会被全通滤波器所替代，不知道这是哪里来的依据，但是可以肯定的是，原话者一定尚未完全明了这两个功能各自所担负的作用。如若延时功能已无必要，那么音频处理器中依然同时存在这两个功能的意义又何在？我只提一个问题：当两只相同规格的扬声器系统与参考点有时间差时，应用全通滤波器如何解决？

aaudioz

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