是聲音的助力或阻力?淺談 Phase 相位

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圖文/游士昕 Ted Yu 

  對於一個聲音作品,你是否曾經感覺「哪裡怪怪的」但卻說不出哪裡有問題嗎?這可能就是 Phase 相位在搞鬼!

  寫了 82 篇文章與出版書輯後,我認為最大的困難就是中譯專有名詞。

  一些尚未擁有正名的英文專有名詞實在很難直接到位的翻譯出原意。我懂世界各國的聲音工作當談論到專有名詞時一定都是以英文為主,但是平衡音訊的宗旨是想幫助聲音知識在台灣的落實,而若是要一個知識推廣紮實的深入一個文化,使用該國語言到位翻譯是非常重要的事。

  「相位」這名詞在中文當中,Roland 原廠的中文翻譯將它稱為左右 Panning 的意思,不過,在催生音樂系列書當中,我已經將 Panning 正名為定位,而今天要談論的東西 Phase 相位,則是個與 Panning 完全不同的東西。 今天就讓我們來好好的聊聊 Phase 相位並且探討在聲音工程裡,究竟 Phase 是聲音的助力或者是阻力!


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什麼是 Phase 相位? 

  剛接觸聲音工程或是入門初階中階的音樂人,大家一定多多少少都聽過聲音波形之間所造成的抵銷,進而產生聆聽上的變質狀況。但其實在聲音工程當中的討論,是有兩種可能會產生相位的狀況:Acoustic Phase Cancellation 聲學相位相抵 與 Electronic Phase Cancellation 電子相位相抵

  Electronic Phase Cancellation 通常和麥克風架設位置沒關聯,大部份是器材本身的問題所致,有可能是不正常的接線或者是長短等所造成的差異。檢查這類的問題最簡單最快的方式是從 Polarity 極性等方向下手,原因往往是能量在移動的方向上是相反的。舉例來說,被動式喇叭的接法接反了,也會完全造成相位問題的產生。

  本文大部份都是在談論 Acoustic Phase Cancellation 問題,後者 Electronic Phase Cancellation 之後有空再來好好深論它。

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Phase Cancellation 相位相抵

In Phase 正相

  相位是透過於角度來計算的。一個正弦波的開始正是一個 Cycle 週期的開始,此起始點是整個循環的 0°,而整個循環週期是 360°(下一個 0° 的開始)

  以下是「一個」再正常不過的聲音波形。

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圖/In phase 正相

  當兩個或更多的聲音波形彼此之間的時間差,所造成的聲音物理變化,稱之為 Phase 相位。

  再更白話一點,聲音波形重疊或堆疊在一起所產生的相加或相消狀況」。這通常很容易發生在需要多軌麥克風同步錄音的狀況下,像是立體聲雙麥克風收音、爵士鼓組的收音等狀況,更下方文章會深談這幾點。

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Out of Phase 異相

  因此,當有兩個「一模一樣」的聲音波形其中一個已經開始傳遞了四分之一的狀況時,此時原波形就會受到 90° 左右的影響,產生相位偏移的情況。

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圖/Out of phase 異相

Phase Inverted 反相

  當該波形的時間差已經大至聲音波形產生了完全 180° 相反的狀況時,此時原波形已經與第二聲音波形產生了完全相反的偏移情況,此時訊號會產生完全相消的情況(靜音)。 

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圖/Phase inverted 反相

附註一:此處所談及完全相消的聲音訊號,前提是兩個完全一模一樣的聲音波形兩者之間的時間差。

附註二:幾年前 Avid Pro Tools 11 剛推出時,推出了名為 Offline bounce 不同於以往 Realtime bounce 的輸出方式,能夠以極為快速的倍速節省輸出時間正是其優點。當時引發一大段爭論,像是 Offline bounce 的音質相較於 Realtime bounce 差之類的評論。此時透過於 Phase inverted 的特性,就是一個很好的驗證方式。將 Offline bounce 的聲音波形置入至原聲音波形的檔案,並將其中一軌直接轉完全反相,此時將會產生相消無聲的情況,這可以証明無論哪種輸出模式,最終得取道的是一模一樣聲音波形,也就是一模一樣的音質。

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圖/Offline bounce

  在這邊先做個小總結。

  當一樣的聲音波形兩者之間沒有時間差時,對於相加的結果就是對於振幅的加乘效果;而 180° 相位差的聲音波形所產生的結果是完全相消;但當不同的頻率、不同的樂器、更加複雜的聲音波形被放置在一起時所產生的 Phase 狀況就會較一樣素材較來的更難處置與不同。

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  閱讀到此,雖然廢話很多(平衡音訊的老個性)可以瞭解產生 Phase Cancellation 最直接最常見的原因其實就是:「兩個完全一樣的聲音波形、來自於同樣一個素材的聲音波形取樣。」因為這樣才會遇到相同波形但卻產生相抵的機會。

附註三:現在許多設備或 Plugins 都擁有 Polarity reverse 反轉極性的功能,換句話說,也就是直接將聲波做不改變時間的相位上顛倒,這個做法與 Open Back 的吉他音箱設計原理是相同的。

Phase Cancellation 相位相抵聽起來是什麼聲音?

  通常相位相抵在低音頻率上是最明顯的,容易讓聲音因為產生了抵銷而聽起來較為單薄,或者是某個單一聲音容易聽起來在整首歌曲中漂泊不定(這個飄浮不定不是指 Automation:跳動活躍的聲音-Automation)較精準的來說,是聲音容易讓人感受不到來自於同一個定點。

Phase 的聲音,很難用文字敘述,所以我們來聽聽看。

In phase 的小鼓聽起來會是這樣


Out of phase 的小鼓聽起來會是這樣


  除了單一聲音聽起來的變化之外,以 Stereo 立體聲來談相位所帶來的改變還有一個,也就是正中心與左右兩側的聲音產生了變化。

  整體的聲音聽起來會感覺中心有些許的空洞,而 Sides 兩側的聲音卻還是依舊處於它們該有的位置,早期較老式的去人聲處理方式正是使用這類的概念下去做設計的。(這點在很舊的文章有提到:想去除人聲嗎?想把吉他拆開嗎?幾個你必須知道的音樂常識。 


錄音階段與混音階段的 Phase 相位問題

Recording 錄音階段

  基本上,錄音工作在進行當中的其中一個最重要目標(應該說,一個成熟的錄音師應該要注意到。)是確保所有在一次性錄音的所有素材與麥克風狀況都是 In phase 正相的。

  多軌錄音,像是整套爵士鼓或者是相關節奏打擊樂器,大鼓尚未在錄音階段就照顧好它得到一個應該屬於它的聲音,那後製怎麼修都是無法讓它表現更好的...... 這時候就只能很討厭且更耗費時間的使用 Trigger 之類的替換效果器了(這就是另外的故事了,之後有時間再寫。)

一,前方與後方,或者是上下方,不同麥克風收取到的相反方向訊號

  最好舉例的就是小鼓的上表皮與下表皮收音,基本上大部份的 Pop 或 Rock 曲風都會特別收上鼓皮與下響線的聲音,藉此來還原或加強小鼓本身的聲音特性。此樣情況也有可能會發生在需要收上下音的 Toms 或相關樂器身上。因為上下不同方向的麥克風所收取到的是完全相反的聲音訊號,因此特別需要注意 Phase 問題。

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圖/Snare top, down, DAP Studio

二,兩者近距離的麥克風收音所產生的聲音訊號

  收音造成 Phase 的問題雖然可以依照經驗大概會有譜,但實際上這也是錄音工程令人著迷的地方。

  除非你同一首歌硬是要咪 100 次...... 否則每一次的錄音與混音都是未知情況。當需要大量使用不同麥克風數量或者是不同距離來收取同樣一個聲音訊號,務必注意時間差,與最終成品的聆聽絕對是一個非常重要的訓練。 

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圖/Placid audio

  還可以再舉一個常發生的例子,收爵士鼓組時一個 Overhead 很基礎的收法是由 Snare 小鼓的中心向上延伸。

  當小鼓的聲響第一階段被 Close Mic 收到時,再被上方的 Overhead Mics 收到,兩者之間有著一定的時間差,因此相位問題一定存在,也需要特別注意。

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圖/所有多軌錄音一定會遇到所謂的 Close mic 和 Long distance mic 之間的時間差問題, DAP Studio  

附註四:因為並非所有的案子都是可以自己錄音自己混音,常常需要接收到他人的案子進行繼續處理的狀況。我個人在處理這類的樂器與避免這樣情況的時候,都會特別花費時間一軌一軌先對應找出是否存在這類問題。舉例來說,大鼓 Kick in 與 Out 聲音狀況,兩者沒問題後,將 Overhead 加進來再處理三者之間的狀況;Snare top 與 down 的聲音狀況,兩者沒問題後,將 Overhead 加進來再處理,以此類推...

三,麥克風收音與同步 Line in 的聲音訊號

  在像是吉他或 Bass 等等樂器的收音,有時會特意收取 Amp 溼的訊號,與 DI Line in 乾的訊號。

  而這樣的狀況有一個麻煩,DI 聲音訊號的傳遞速度相較於傳送至 Amp,再傳送至麥克風,再傳送至 ADC 的狀況下與 Line in 有著一定的時間差問題,而這樣的時間差很有可能對於聲音產生 Out of phase 異相的情況產生。(收音狀況還需要考慮到駐波所產生的相抵問題,因此較為麻煩與困難)

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圖/音箱收音與 Line in 收音造成的相位問題, DAP Studio

Mixing 混音階段

一,注意 Delay compensation 延遲補償

  以 Pro Tools 為例,ITB 的混音過量的使用效果器是非常常誤發生的事,而過量,或者太肥胖的效果器常會需要耗費更多的時間運算與時間來消耗,也因此會容易出現所謂的軌道與軌道之間的時間差,因此此時需要特別注意 Delay compensation 的狀況。

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圖/Delay compensation

二,效果器的使用導致的聲音變化

  最簡單最常見的例子,過量的使用 Stereo wider 的效果器(點我閱讀舊文章:讓聲音廣一點!Make your sound wider! ),又或者是 Delay 等時間空間效果器,都容易造成聲音訊號彼此之間的時間差產生,也因此容易產生 Phase 問題,需要特別注意。(點我閱讀舊文章:扮演時間層次的藝術師:Delay! ) 

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圖/Brainworx bx_stereomaker  


如何檢查出 Phase 相位?

  其實不誇張,耳朵聽,絕對是最佳與唯一的不二法門。

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  並非所有人一開始耳朵就是天生的金耳朵,因此在這邊順便再提起幾點也能夠幫助剛入門的初新手來更加瞭解 Phase 問題。

一,Phase correlation 相位儀表

  在 催生音樂:混音工程與製作 一書當中提及到的 Phase correlation 相位儀表絕對是一個非常好用的工具,在各式各樣廠牌的 Meter 大部份也都有附上這個功能,聲音工程師長時間的使用耳朵聆聽難免會出錯或疲乏,花些心思直接使用眼睛檢查相位儀表,絕對是會對自己的整個混音工作有很大的助力的。(偏向 +1 代表 Stereo,正中間為接近 Mono,-1 代表相位問題嚴重,細節可參見催生音樂一書,Balance 章節。)

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圖/Ozoen insight

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圖/Logic MultiMeter

二,善用 Mono listening 單聲道檢測

  Phase Coherency 相位相干性的問題,常常會使得整個混音作品在某個頻段某個區塊特別凸顯。

  檢測自己的 Mix 有沒有太大問題有一個很簡單的方式,將 Stereo 的混音直接轉成 Mono,仔細聆聽,如果有哪個樂器或哪個聲音會因為 Phase 的關係而特別降低音量甚至於是相消的情況,那有很大的原因是因為左聲道與右聲道產生了相干涉的原因。(相關原理可以看這篇舊文章:打破 Stereo 圖像的遊戲規則-Mid-Side Processing

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圖/Coleman Audio M3ph mkii 非常好用的 Monitor Controller 阿!


如何解決 Phase 相位問題?

  在嘗試解決 Phase 之前,首先有兩個關念一定要有。

一,當產生了 Phase 時不見得就代表這個聲音不好,聲音工作者本身知道自己要的是什麼,才是在處理的關鍵。

二,Phase cancellation 修正的問題,大部份都只能「盡力聽」、「盡力修」

3 to 1 Principle 三比一準則

  3 to 1 Principle 三比一準則是一個在多軌錄音狀況當中一個用來避免麥克風產生相位相抵的收音技術。

  其實這概念非常的簡單,如果第一支麥克風目前的距離約為 30cm,那接下來第二支的麥克風就依賴至少 3 比 1 的倍數準則下去做擺放,也就是至少 90cm 以上的距離,藉此來避免相位問題的產生。

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圖/3 to 1 Princple

  大部份的 Phase cancellation 問題都是出自於太多麥克風共同收取同一個聲源所產生的相抵問題。

  因此其實在 Miking 麥克風擺放的時候,多花些時間作微調的移動,即便真的是微調,也能夠給予最終聲音成相有一個非常大的改變。

Panning and Timing 定位與時間

  有時候就是這樣的奇妙,當一個 Pan point 有了 Phase 問題,更換一下擺放定位透過於位置重新詮釋來錯開了彼此之間的時間差, Phase 就消失了!

Plugins 效果器 

  聲音的世界很難直接以言語評估好或者是不好,甚至於許多在音樂科技發展上所推出的音場還原與模擬,或者是特殊效果器應用也都是透過於 Phase 與 EQ 的調整來達成的。適當的藉由 Hass Effect 哈斯效應的特色,將聲音訊號拆送左右聲道時,還可以幫助整體聲音訊號得到一個更加寬廣的音場與其它可能性。

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圖/UAD Little Labs IBP 效果器也是給予一個在 Phase 處理上非常好用的工具 

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圖/最受大眾喜愛的 Waves 公司也是有出一款連波形都會顯示給你看的 InPhase,我個人非常愛用啦。

  其實,有時候 Phase 狀況不是不好,適當的也是能夠加擅以運用的,再一次強調,只要聲音好聽,只要客戶或製作人喜歡,真的沒有什麼是不可以的。(雖然很少人會特別偏愛 Phase 的聲音就是了......)

  而視情況使用 M/S processing、X/Y、Blumlein Pair 收音法也是可以處理些許的 Phase 相位問題的。

附註五:Blumlein Pair 是由英國 Alan Blumlein 發明的麥克風收音技術,原理是透過兩支 Figure 8 字形的收音範圍來針對方向性的收音技術。

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圖/Blumlein Pair Miking Technique, 這個我們下次再聊

砍掉重練

  不開玩笑,一個不好的聲音素材處理起來只是徒增後續混音者的痛苦。如果在錄音階段聲音很明顯就是相位問題的產生,請務必就在此階段照顧好你的聲音!

附註五:Haas effect 哈斯效應指的是一種雙耳心理聲學效應:當人類的耳朵聽見一個聲音音訊之後,人的大腦會在 25 - 35 毫秒內壓抑任何類似的訊息,導致我們「只聽見一個聲音」,並以此標準來判定聲音的方向性。 


Phase 相位的盲點

素材本身

  上方提到了兩個完全一樣的聲音波形、來自於同樣一個素材的聲音波形取樣都是有可能造成 Phase 存在的問題之一,然而,這兩個的前題條件是,完全相同的狀況與完全相同的聲音。

  全世界任何的樂器或者聲音的兩次演奏(以上),無論聲音的結果單純靠耳朵的聆聽是多麼地相近,因為演奏、收音狀況空氣濕度等等自然因素,都不會是一模一樣的聲音訊號,因此在理論上來談,「兩次以上的演奏,同樣的樂句不同的錄音時間,一起處理是不可能會產生極度誇張的相消 Phase 的。」

  然而,在節奏類樂器上,這個論點又很容易被打翻(笑,這就是聲音工程有趣的地方!)節奏類樂器不同次數的錄音、不同材質的堆疊,還是有很大的可能性會得取到「近乎相似」的時間差結果,而這個結果是有可能成為造成 Phase 的可能性。

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  這個結果也就是,為何在混音工程或音效設計的領域上,使用到堆疊技巧來加厚節奏類樂器時,務必千萬絕對一定要檢查 Phase 狀況的最主要原因。 

真實世界所存在的聲學反應

  在本文剛開始的相位介紹敘述都只是因為在非常單一單純的聲波,才會讓相位問題變得這麼簡單,但在真實世界的聲音其實聲波是非常複雜的一件事。

  在真實世界當中,幾乎沒有一個聲音是像電子音樂合成器所發出來非常乾淨的正弦波,因為大部份聽到的音樂或者是聲音都是夠過於許多各式各樣不一樣的波形還有泛音列所構成的,再加上現實狀況當中聲波與聲波碰撞,並不是每一次的狀況都是正相或者是異相的相抵問題,使得整體其實是相當複雜的。(會相繼產生 Comb filter 梳狀濾波效應)


  即便我批哩趴拉還是打了一長篇,我還是認為這篇 Phase 的文章充其量還是只能算是「淺談」。

  以上的所有的文字都只是一個理論與表徵的探討,其實 Phase 相位的存在是一個絕對無可避免的因素與要件之一。然而,這樣的物理現象卻沒有一個所謂的對與錯,這點使的聲音工程的討論更加困難與複雜。

  就像人生,如果一件很複雜的事情是能夠想出結果的,那拚了老命也一定要想出來;但如果這件事情是沒辦法有一個正確的做法或答案的,那追尋著自己過往的歷練前進,何嘗不是一件好事呢?

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