Charakterystyka fazowa - wprowadzenie do tematu
Charakterystyka fazowa - wprowadzenie do tematu

Jednym z bardziej nadużywanych pojęć w naszej branży jest „charakterystyka fazowa”. Często, gdy słyszę „ten głośnik ma bardzo liniową charakterystykę fazową”, zastanawiam się, na ile osoba wypowiadająca te słowa wie, o czym tak naprawdę mówi, gdyż w wielu przypadkach jest to zasłyszany i często bezmyślnie powtarzany slogan. Czymże więc jest ta charakterystyka fazowa? Co wpływa na to, że coś ma dobrą charakterystykę fazową? Jaka jest „dobra”, a jaka „zła” charakterystyka fazowa? Czy ma to znaczenie, i czy potrafimy usłyszeć tę różnicę? A jeśli tak, to jak można poprawić charakterystykę fazową?

Technologia
Armand Szary
2020-06-22

Nie jest to łatwe zadanie, ale chciałbym spróbować przybliżyć naszym Czytelnikom pojęcie fazy, objaśnić metody jej regulacji i opisać wpływ na jakość dźwięku. Strojenie aktywnych systemów głośnikowych w celu otrzymania płaskiej charakterystyki fazowej jest tak ezoteryczną czynnością, że niektórzy producenci systemów nagłośnieniowych nawet nie wiedzą, jak to zrobić. Jednakże jest wiele zestawów głośnikowych z najwyższej półki jakościowej, które są strojone pod kątem uzyskania płaskiej charakterystyki fazowej. Często efekt finalny określany jest jako „liniowa charakterystyka fazowa”, co brzmi bardzo high-endowo, sprawia wrażenie techno-paplaniny i w założeniach ma wywołać zamierzony efekt na potencjalnych nabywcach. Jednak „płaska charakterystyka fazowa” jest bardziej ścisłym pojęciem. Jeśli stół stoi równo (mówiąc inaczej "na płask"), jego powierzchnia jest płaska.. Ale „krzywy” stół wciąż może mieć „liniową” powierzchnię. Tak więc w moim rozumieniu płaska charakterystyka fazowa jest charakterystyką liniową bez nachylenia. Mam nadzieję, że ten artykuł pomoże Wam nie tylko zrozumieć podstawowe pojęcia związane z fazą, ale też rozpoznać, kiedy ktoś będzie wygadywał bzdury na ten temat.

PODSTAWY

Na wstępie trzeba zaznaczyć, że w tym wypadku faza to nie to samo, co polaryzacja. Faza sygnału występuje zawsze względem jakiegoś poziomu odniesienia i jest zarówno względna, jak i całkowicie biegunowa. Dodatnie ciśnienie na membranie mikrofonu, które skutkuje wychyleniem membrany głośnika do przodu (w stronę słuchacza), oznacza, że system jest, z absolutnego punktu widzenia spolaryzowany dodatnio (pozytywnie). Jeśli membrany w dwóch głośnikach wychylają się jednocześnie w przód i w tył, są wzajemnie spolaryzowane, niezależnie od swoich polaryzacji absolutnych. Odwrotna polaryzacja odwraca przebieg czasowy sygnału (obraca w pionie – względem osi poziomej – sygnał na oscyloskopie) równo dla wszystkich częstotliwości. Faza nie może być „dodatnia” czy „pozytywna”, „ujemna” bądź „negatywna”, ani też „odwrócona”. Może być tylko „przesunięta” w czasie względem sygnału referencyjnego. Przesunięcie fazy (fazowe) skutkuje późniejszym przybyciem sygnału w stosunku do sygnału referencyjnego.

Rysunek 1 przedstawia typowy wygląd sygnału sinusoidalnego z zaznaczonymi stopniami fazy. Jest to widok dwuwymiarowy, reprezentowany przez trójwymiarową spiralę z rysunku 2. Rysunek 3 ukazuje okrąg ze stopniami fazy równomiernie rozmieszczonymi od 0 do 360 stopni. Wyobraźmy sobie agregat, który wytwarza 50 cykli fali sinusoidalnej zasilania AC. Wytwarza je poprzez ruch obrotowy w czasie, co można zobrazować w formie spirali. A więc kiedy sygnał jest opóźniony w czasie w stosunku do innego, przesunięcie fazy wynosi tyle, ile przesunięcie opóźnionego sygnału na spirali. Dla małych częstotliwości, z dużymi długościami fal (o długości l), jak np. 100 Hz, 90-stopniowe (1/4 l) przesunięcie fazy wymaga 2,5-milisekundowego opóźnienia sygnału. Dla dużych częstotliwości, z krótkimi falami, jak np. 10 kHz, to samo 90-stopniowe przesunięcie fazy skutkuje tylko 25 ms opóźnienia sygnału. A więc duże przesunięcie fazowe dla dużych częstotliwości skutkuje bardzo małym opóźnieniem sygnału, podczas gdy relatywnie małe przesunięcie fazowe powoduje znacznie większe opóźnienie sygnału dla małych częstotliwości. Pokazuje to, w jak dużym stopniu faza jest zależna od częstotliwości, podczas gdy polaryzacja jest od niej niezależna.

INTERFERENCJE FAZOWE

Załóżmy sytuację, kiedy dwa źródła sygnału tworzą kombinację dwóch sygnałów, z których jeden jest opóźniony w stosunku do drugiego. Różne przesunięcia fazy dla różnych częstotliwości powodują wówczas powstawanie filtru grzebieniowego. Rysunek 4 przedstawia efekt filtru grzebieniowego wynikający z sumowania dwóch identycznych sygnałów, z których jeden jest opóźniony o 1 milisekundę. Wcięcia w charakterystyce częstotliwościowej są spowodowane przez dwa sygnały o jednakowym poziomie, które są przesunięte względem siebie o 180 stopni. Powoduje to całkowite stłumienie energii dla częstotliwości odpowiadających tym wcięciom. Zauważamy, że pierwsze wcięcie w charakterystyce występuje przy 500 Hz. Dzieje się tak dlatego, że 1-milisekundowe opóźnienie jest dokładnie połową fali dla 500 Hz, i to powoduje sumowanie się dwóch sygnałów w przeciwfazie (czyli de facto odejmowanie) dla tej długości fali. Kolejne sekwencje wcięć występują przy 1.500 Hz, 2.500 Hz, 3.500 Hz, 4.500 Hz, 5.500 Hz itd. Schemat tego jest taki, że odległości pomiędzy kolejnymi wcięciami wynikają z częstotliwości, dla której wielkość opóźnienia drugiego sygnału jest równa długości fali. W tym przypadku 1 ms równa się 1.000 Hz (1.000 cykli na sekundę oznacza 1 cykl w czasie 1 ms). Inną prawidłowością tego schematu jest to, że pierwsze wcięcie w charakterystyce wystąpi zawsze w połowie częstotliwości przerw pomiędzy wcięciami.

Rozważmy inny przykład. Dodajemy 5-milisekundowe opóźnienie do drugiego sygnału. 5 ms jest okresem fali o częstotliwości 200 Hz (1/0,005 = 200 Hz). W związku z tym pierwsze wcięcie filtru grzebieniowego nastąpi dla 100 Hz (1/2 l = 100 Hz). Kolejne sekwencje wystąpią dla 300 Hz (100 + 200), 500 Hz (100 + 200 +200), 700 Hz (100 + 200 + 200 + 200), 900 Hz, 1.100 Hz itd. Schemat ten został zaprezentowany na rysunku 5.

KRZYWE CHARAKTERYSTYKI FAZOWEJ

Rysunek 6 przedstawia krzywą odpowiedzi (charakterystyki) fazowej oryginalnego, nieopóźnionego sygnału, umieszczoną wraz z krzywą charakterystyki amplitudowej. Widzimy, że charakterystyka fazowa i amplitudowa są odniesione do przestrajanego sygnału sinusoidalnego, generowanego przez system pomiarowy. Ponieważ są one zasadniczo płaskie względem sygnału referencyjnego, możemy wywnioskować, że sygnał jest w fazie z sygnałem opóźnionym. Jeśli pokażemy charakterystykę amplitudową i fazową samego opóźnionego sygnału, będziemy mogli zauważyć opóźnienie fazy w stosunku do sygnału referencyjnego (rysunek 7). Krzywa fazy zmierza ku pionowym liniom w miejscach, gdzie występują wcięcia na charakterystyce amplitudowej. Oznacza to, że faza w tym punkcie wynosi ±180 stopni, gdzie opóźniony i referencyjny sygnał są względem siebie przesunięte o + 180 lub -180 stopni.

ZAWIJANIE FAZY

Przyczyną pojawiania się pionowych linii łączących punkty + i -180 stopni jest standardowe uproszczenie przedstawiania fazy, polegający na jej „zawijaniu” na wykresie. Na rysunku 8 „odwinęliśmy” fazę, aby pokazać jej prawdziwą formę. Pokazuje to, że 5-milisekundowe opóźnienie powoduje o wiele większe przesunięcie fazy dla fal krótkich niż dla długich. 5 ms opóźnienia to tylko 90-stopniowe (1/4 l) przy 50 Hz przesunięcie fazy, podczas gdy dla 5 kHz wynosi ono aż 9.000 stopni, albo inaczej 25 długości fali. Patrząc na wykres charakterystyki aplitudowej/fazowej często łatwo jest zapomnieć o jej logarytmicznych zmianach.

Zobacz także test wideo:
Bettermaker EQ232D - wirtualny Pultec na sterydach
Bettermaker EQ232D - wirtualny Pultec na sterydach
Bettermaker EQ232D to nic innego, jak rozwinięcie sprzętowego EQ230P pod postacią wtyczki dostępnej za pośrednictwem platformy Plugin Alliance.

Faza opóźnionego sygnału jest przesunięta w stosunku do sygnału oryginalnego, nieopóźnionego o 180 stopni tylko dla częstotliwości 100 Hz. W innych miejscach wcięć charakterystyki częstotliwościowej, gdzie „zawijany” wykres z rysunku 7 przechodzi w pionowe linie, przesunięcie fazy wynosi 180 stopni plus wielokrotność 360 stopni. Przykładowo, przesunięcie fazy przy 300 Hz wynosi 540 stopni (180 + 360), a przy 500 Hz 900 stopni (180 + 360 + 360). To powoduje, i jednocześnie wyjaśnia, takie, a nie inne usytuowanie wcięć w charakterystyce częstotliwościowej naszego filtru grzebieniowego.

KOHERENTNE I NIEKOHERENTNE SUMOWANIE FAZ

Rysunek 10 jest charakterystyką częstotliwościową oryginalnego sygnału, naniesioną na charakterystykę filtru grzebieniowego, powstałego z sumowania się tego sygnału z sygnałem opóźnionym. Zwróć uwagę, że szczyty „górek” pomiędzy wcięciami są o 6 dB wyżej, niż te same punkty obu sygnałów występujących osobno. Są to te miejsca, w których sygnały występują w faziei sumują się koherentnie, dając w efekcie 6-decybelowe podbicie. Przy 90-stopniowej różnicy faz podbicie to wynosi 3 dB. Przy 120 stopniach przesunięcia faz nie występuje ani podbicie ani stłumienie sygnału z uwagi na to, że wypadkowa zsumowanych fal wypada dokładnie między dwoma sygnałami. Przy 180 stopniach sygnały akustyczne mogą znosić się nawzajem o 30 lub 40 dB. Z elektronicznego punktu widzenia będzie to niemalże całkowite wytłumienie, większe niż 100 dB w stosunku do sygnału oryginalnego. Jeśli uśrednimy pole powierzchni powstałe pod krzywą filtru grzebieniowego, uwzględniające podbicie i wycięcia charakterystyki, rezultatem tego będzie sygnał o poziomie o 3 dB wyższym niż poziom pojedynczego sygnału. To jest niekoherentne sumowanie i wynosi ono zawsze 3 dB dla uśrednionego pasma.

FAZA A KIERUNKOWOŚĆ

Co filtrowanie grzebieniowe ma wspólnego z wykresem kierunkowym? Odpowiedzią jest usytuowanie źródeł względem siebie. Rysunek 11 przedstawia dwa idealne punktowe, wszechkierunkowe źródła umieszczone w odległości 172 cm (5 ms różnicy przy prędkości dźwięku 344 m/s). Charakterystyka kierunkowa przy 100 Hz ujawnia duże zagłębienia po obu bokach źródeł, gdzie przesunięcie faz obu źródeł względem siebie wynosi 180 stopni. Rysunek ten nie pokazuje idealnego wytłumienia, co wynika z narzuconego przez program pomiarowy wygładzania pomiędzy 5-stopniowymi próbkami. Jeśli jednak postawisz kalibrowany mikrofon w jednym z punktów „zerowych” charakterystyki kierunkowej i zmierzysz charakterystykę częstotliwościową idealnie płaskich źródeł, tak aby nie „cieniowały” się nawzajem, wyjdzie dokładnie charakterystyka 5-milisekundowego filtru grzebieniowego. Stosując cyfrowe opóźnianie sygnału w celu sterowania wzajemnymi relacjami fazowymi i w ten sposób zmieniając usytuowanie źródeł względem siebie, możemy osiągnąć sterowanie wiązką dźwięku w subwooferach, źródłach dipolowych lub kierunkowych źródłach liniowych. Ale to już jest temat na inny artykuł.

Mam nadzieję, że macie już większą orientację w temacie fazy i ogólne spojrzenie na to, jak „to” działa. Następnym naszym krokiem w zdobywaniu wiedzy na ten temat będzie rozpatrzenie zniekształceń fazowych w typowych zwrotnicach, jak możemy to skorygować i jakie może nam to przynieść korzyści.