Fasförskjutning och vad det betyder för ljudet

Av Henrik Skinbjerg

Vad är fasförskjutning?

 

Om vi börjar med hardcoreteori så är fasförskjutning en förskjutning av ström i förhållande till spänning. Det uppstår i spolar och kondensatorer och är en helt normal och förutsägbar funktion av deras värden. Så det finns alltså ingen skillnad på fasförskjutningen från de billigaste industrikomponenterna och de dyra audiofilkomponenterna - det är helt enkelt en helt oundviklig (och nödvändig) del av deras operation.

Fasförskjutning mäts i grader och är vanligtvis från 180 till -180. Dessa grader representerar den vinkel som en sinusgenerator är ur synk (framåt eller bakåt) i förhållande till en viss fast frekvens.

 

 

 

Konsekvensen av fasförskjutning är en liten frekvensberoende fördröjning. Om fasförskjutning vid en given frekvens är 180° så är strömmen alltså försenad en halv våglängd. Det innebär att vi har gått från en vågkam till en vågdal eller vice versa, och därför säger man populärt att en fasförskjutning på 180° motsvarar en invertering av signalen, eller byte av + och - på högtalarkabeln. 

En förskjutning på 360 grader säger man populärt är det samma som 0° då vågorna nu ju är i takt, så att vågtoppsr och dalar för både spänning och ström stämmer överens. Detta gör beräkning och simulering av filter och kretsar oändligt mycket lättare. Men kom ihåg att vid 360° är strömmen flyttad en hel våglängd, så det är således fortfarande en betydande förändring av signalen.

 

Vad betyder det för ljudet?

 

Hajade du frasen innan: "... en liten frekvensberoende fördröjning" +

Det är något vi inte vill ha i vår stereoanläggning. Men oroa dig inte, det låter mycket värre än det är (... alltså: det ser mycket värre på text än det uppfattas i verkliga livet!)

I alla ljudsystem finns nämligen fasförskjutning
 - t.ex.. har dina högtalare normalt 90-180 grader skift vid varje delningsfrekvens,
 - om du har någon reflexport eller en annan form av öppen baffel så får du en förskjutning till längst ned,
 - om inte din förstärkare kan återge från 2 Hz till 200 kHz - så kommer den också att bidra till fasförskjutningen mellan 20Hz och 20kHz,
 - och ditt RIAA-steg ger dig extra 90 grader - dessutom lite ojämnt fördelat.

Alla dessa fasförskjutningar ska läggas till varandra om man mäter från början till slut. En vanlig ljudanläggning kan därför snabbt ha upp till några tusen grader fasförskjutning fördelat över hela frekvensbandet.

 

 

 

Simulering av ett tvåvägs 4:de ordningens (24dB/oktav) delningsfilter vid cirka 2.2kHz. Röd är frekvensgången för diskanten, blå är frekvensgången för bas och den gröna är den totala fasförskjutningen. Hade det bara varit ett 2:a ordningens (12dB/oktav) filter, så hade den totala fasförskjutningen varit det halva,  

men frekvensavrullningarna hade också varit hälften så branta.

 

 

 

Här är den uppmätta fasgången i mitt trevägssystem med slutna kabinett.

 

Det är i princip samma sak som händer i simuleringen ovan, men mätningen visar att det är annorlunda. Istället för -400 ° -0 ° i simuleringen visas här skalan från -180 ° till +180 °, och även 360 ° = 0 °. Det händer samma vid varje delningsfrekvens, alltså två skiften på 360 ° vardera, totalt 720 ° över hela det hörbara området. 

De små hoppen och ripplet är variationer som kanske härstammar från rummet, mitt diskanthorn, frontbaffeln, förstärkare och allt möjligt. Lägg märke till de två skiftena där kurvan går ut ur bilden och kommer in igen. 

 

 

 

 

De flesta känner till den typiska RIAA-förstärkarens frekvensgång (röd).

Här visas också denna fasgång (grön). (Simulerad).

 

 

 

 

"Hmm - men något hörbart måste det ju vara" ... tänker du förmodligen. Men trots att det är mätbart finns det faktiskt inga studier som entydigt kan bevisa att det är hörbart. Om fasförskjutningen vid ett visst frekvensområde är enhetlig, då är det omöjligt att höra.

Men plötsliga skiften i fas över ett litet frekvensområde är i sin tur mycket hörbart.

(Egentligen är det inte fasförskjutning som hörs utan förändringen i impulssvar och kamfilter-effekt på grund av utfasningar - men det beror på fasförskjutningen.)

Mycket intressant har man i musikervärlden gitarrpedaler som kallas en "phaser" eller "flanger" som just gör en konstgjord fasförskjutning för att ge ett särskilt "sound". Den är gjord för att man ska kunna få samma ljud som när man i en inspelningsstudio satte fingret på rullbandets kant ("flange") så att det kom lite ur synk.

Lyssna nu på vad fasförskjutning är: Gå och hämta din Lenny Kravitz CD (eller LP ... eller vad som helst) och sätt på låten "Are you gonna go my way", njut av musiken och lägg sedan märket til gitarrsolot 2:09 in i låten - här kan du höra exakt hur fasförskjutning låter!

(Eller gå till wikipedia.org och skriv flanging, där finns också några ljudklipp.)
Innan du nu gråtande sliter ur skivan, stänger av anläggningen och bara vill strunta i allt, så ska du veta att detta var ljudet av varierande fasförskjutning! Du kan bara höra det för att det är modulerat - alltså ständigt förändras. Om fasförskjutningen är fast är det omöjligt att höra. Och så måste vi också komma ihåg att fasförskjutningen här var avsiktlig - man ville ha fram just denna effekt, och det är just skillnaden mellan "skapande" av musik och "återgivning" från vår anläggning. .... Så lyssna du bara vidare till Lenny Kravitz, det är härlig musik.

 

Så uppstår det

 

Det är faktiskt egentligen just fasförskjutning som definierar en filtrering, och därmed har man också svaret på varför fasförskjutningen är oundviklig så länge du har en eller annan filterfunktion eller frekvensjustering i kedjan. 

Ett vanligt 1:a ordningens RC-filter är beräknat til en gränsfrekvens där signalen är dämpad med -3dB ... men varför räknar man egentligen inte på där det är -0.1dB eller bättre? 

Det är helt enkelt för att filtreringen i verkligheten bestäms av fasförskjutningen, där gränsfrekvensen roterat 45° vilket är halvvägs till filtrets totalta fasförskjutning på 90°! Alltså där som en kondensators resistiva värde ändras från att vara betydligt större än motståndets värde till att utforma ett dämplet tillsammans med motståndet

 

 

 

 

Här är simuleringen av ett 1 kHz 1:a ordningens RC lågpassfilter. Den röda är frekvensgången

och den gröna är fasgången.

Vid 1 kHz är fasförskjutningen exakt 45°, och det är det som definierar gränsfrekvensen.

Observera att fasgången först "stabiliserar" sig ungefär 10 gånger över och 10 gånger under gränsfrekvensen.

 

 

Men hur kan jag minska fasförskjutningen?

 

Du kan ju alltid leta efter den mest faskorrekta anläggningen, och här är bredbands/envägshögtalare som ju som bekant inte behöver ett delningsfilter det handlar om. De kan fortfarande inte helt säga sig vara fria från fasförskjutning, eftersom det ofta sitter ett frekvens-korrigeringsfilter i serie med elementet. Dessutom har baffelutformningen också något att säga här. Och när de kanske också har horn eller basreflex med i det hela så uppstår det fasförskjutning även här.

När vi talar om förstärkare så är det så att de inbyggda frekvensbegränsningarna (införda för att undvika DC-fel och självsvägning) påverkar fasen 10 gånger under och 10 gånger över gränsfrekvensen, så för att komma så nära perfekt fasgång som möjligt från 20Hz till 20kHz så ska förstärkare kunna återge frekvenser från 2 Hz till 200 kHz. Här kan vi praktiskt taget eliminera alla rörförstärkare och kanske 90% av alla transistorförstärkare, och det vore ju synd och skam.

Skivspelare måste ju kopplas till en RIAA-förstärkare, som både är en förstärkare och ett filter för att utjämna frekvensgång, så här får du direkt 90° fasförskjutning plus det som RIAA kodningsfiltret gjorde med signalen när skivan graverades.

CD-spelare (och själva DAC-chipen) har teoretiskt sett ingen fasförskjutning, men det så kallade anti-aliasing filtret kan påverka. Om den övre gränsfrekvensen på din DAC heter ca 20kHz betyder det att du förmodligen har fasförskjutning från 2 kHz och uppåt. 

Ack och ve, men antingen kan man få en CD-spelare med FDNR filtrering (t.ex. från Accuphase och Sony), eller en CD-spelare som har kompenserat för fasförskjutningen innan DA-omvandlingen (t.ex. Wadia och Pioneer). Men det enklaste är nog bara en DAC som kan ta emot och återge högre samplingsfrekvenser och uppsamplar 44.1kHz till något högre. Då är fasförskjutningen betydligt mindre eller helt borta.

Som du kan se det är svårt att handla in ett komplett system som inte ger fasförskjutning.

 

Kan man inte helt undvika fasförskjutning?

 

Ja ... eller det vill säga att du kompenserar bort dem, men det kan bara ske i den digitala domänen.

Holm Akustik, Lyngdorf och andra avancerade digitala rumskorrektionssystem använder sig av avancerad processing och kan därmed kompensera för fasfelen (som är tidsmässiga fel) som förekommer i högtalare, delningsfilter, rum etc. Voila: rak fasgång - och frekvensgång.

Observera dock att bara för att en equalizer eller en rumskorrigering arbetar digitalt, betyder det inte att det inte ger fasförskjutning. Så, t.ex. en "standard" surroundreceiver som gör en digital rumskorrigering gör alltså lita mycket röra i fasförskjutningen som en vanlig analog grafisk equalizer. Visst, några av de mer avancerade av sitt slag kompenserar också för fasen, men det är inte något man bara "får med" gratis bara för att apparaten fungerar digitalt. 

Förklaringen är att en standard digital implementering av en analog filterfunktion har fortfarande samma fasförskjutning, som du kan se i exemplet ovan. Filtreringen är blott beräknad i en processor men efter exakt samma formel som i det analoga filtret.

 

Go easy

 

Man kan också ha en något mindre extrem inställning till det: Då fasförskjutningen är omöjligt att höra, i varje fall om ändringen är "mjuk" - alltså inte förändras alltför drastiskt över ett litet frekvensområde, kan man försöka att utnyttja det. 

Det var just det som den i Danmark kände högtalardesignern Steen Duelund gjorde i sina högtalare, och särskilt i delningsfiltret - han försöker inte undvika fasförskjutningen, han försökte istället helt enkelt att göra ändringarna i fasgången så svaga som möjligt och därmed mycket mindre hörbara. Genom att helt enkelt trimma delningsfrekvensen till den mest linjära fasgången spred han ut den oundvikliga totala 360 ° fasförskjutningen (för ett trevägssystem med 2:a ordningens filter) över hela frekvensspektrat - och därmed den mjukast möjliga frekvensgången. Strålande, och i hög grad ett exempel på ett delningsfilter som arbetar tillsammans med högtalaren istället för att vara en separat krets!

 

 

 

Duelund delningsfilter. Frekvensgång till vänster och fasgång till höger.

Bild tagen från: www.duelundaudio.com

 

 

När det ghandlar om fasförskjutning i delningsfilter, kan man också helt enkelt resonera att eftersom ljudet ändå ska växla från ett högtalarelement till ett annat, då finns det fortfarande en typ av "skifte" och därmed är det naturligtvis inte fullt så illa att acceptera att det precis här finns en utpräglad fasförskjutning.

 

Slutsats

 

Fasförskjutning är väldigt svår att undvika, men lyckligtvis också svår att höra. Man bör definitivt prioritera rak frekvensgång, rätt dynamik och låg distorsion långt före fasförskjutning. Och innan du sätter dig och koncentrerat lyssnar efter och tänker "Hjälp - jag tror jag har lite fasförskjutning i nedre mellanregistret," så tycker jag istället att du bara ska glömma att du läst denna artikel och kopplar av och njuter av musiken - även om du skulle ha lite fasförskjutning.