◉ 声的轨迹 SIGNAL LAB / 01
音乐 · 频率 · 几何

从一团声音,
到一条闭合的轨迹。

EQ 改变各频率的权重。当少数稳定、具有共同周期的成分显露出来,复杂点云就可能收拢为环。
拖动下面的滤波强度,亲眼看这个过程。

01 / 亲手实验

同一段信号,滤波前与后

可复现的合成立体声模型 · 48 kHz · 复数 EQ 稳态响应 · 非真实歌曲录音

原始信号

宽频叠加
每一点 = 同一时刻的 (L, R)

EQ 后

谐波逐渐显露
相同坐标增益 · 不连首尾

筛选频率,显露结构

蓝:输入分量 绿:输出分量 白:|H(f)|

离散竖线是合成信号的精确分量幅度(左右声道均方合成),不是有限窗 FFT。白线读右轴;分量读左轴。图示 40–4,000 Hz。

基频 / 候选重复周期160 Hz / 6.25 ms
周期重复误差 ε(T₀)0 = 每隔 T₀ 完全重合
同一频点的相位差变化0°两声道使用相同的 EQ
02 / 把现象写成数学

不是“画了圈”,而是信号在重复。

一个点的横坐标来自左声道,纵坐标来自右声道。随着时间推进,信号在平面留下轨迹。复杂音乐的频率、振幅与声道关系不断变化;有限余辉累积后看起来像散点云。下面讨论音频的 XY / Lissajous 模式;极坐标声像仪可能使用不同映射。

A / 同频正弦 → 椭圆

一个频率,两个相位

设左右声道保留下来的主要分量频率相同。消去时间,就得到椭圆方程:

x = A cos(ωt) y = B cos(ωt + φ) (x/A)² + (y/B)² − 2(x/A)(y/B) cos φ = sin²φ

A、B ≠ 0;φ 不是 0 或 π 时为椭圆。φ = ±π/2 且 A = B 时才是圆;φ = 0 或 π 时退化为直线。只要 A、B、φ 在显示时间窗内缓慢变化,就会出现近似稳定的环。

B / 多个谐波 → 多瓣闭合曲线

“几个圈”通常是一条曲线的多个瓣

若所有非零频率都是同一基频的整数倍,左右声道在 T₀ 后一起重复:

L(t) = Σ Aₖ cos(2πk f₀t + αₖ) R(t) = Σ Bₖ cos(2πk f₀t + βₖ) T₀ = 1/f₀ (L(t+T₀), R(t+T₀)) = (L(t), R(t))

不同谐波的权重与相位决定凹陷、交叉和环瓣。频率数不等于圈数。另一种情况是 x = A cos(2πmft)、y = B cos(2πnft+φ),形成整数频比的李萨如图形;它与“两个声道都含多个谐波”不是同一种构造。

C / EQ 的真实作用

留下结构,压低扰动

L̂(f) = H(f) L(f) R̂(f) = H(f) R(f) arg R̂ − arg L̂ = arg R − arg L (同一 f,且相关谱值非零)

线性时不变 EQ 不会把不相干的频率“锁定”为整数倍,也不会产生新频率。相同的左右 EQ 保持每个频点原有的相位差和幅度比,但改变各频率的相对重要性。因此整体形状、相关系数和声像仍可改变。两声道使用不同 EQ、M/S 处理或非线性效果器时,上述相位结论不再适用。

D / 看似闭合 ≠ 严格周期

短时间窗能藏住缓慢漂移

f₃ = 3f₀ + Δf 相对相位漂移:Δθ(t) = 2πΔf·t Δf = √2 Hz 漂移一周约需 0.707 s

这里“漂移一周”只指该分量相对第三谐波的相位,不代表整个双声道轨迹重新闭合。无理频比在理想实数模型中没有共同有限周期;有限精度的数值绘图只能展示这种模型的近似。实际音乐中的颤音、包络、混响与宽频残留也会让环变厚或缓慢变形。

同频窄带随机信号也可能在短窗里像椭圆,但其包络和相位持续变化,长时间并不稳定闭合。高 Q 滤波器的振铃还会制造短暂的近似正弦尾音。“出现环”不能单独证明音乐具有严格周期。

数值验证:频域公式与独立时域滤波交叉核对

以下是随网页附带的验证脚本实际运行结果,不是为当前画面生成的评分。使用双精度计算;时域对照从零状态启动,运行 5 秒后比较末尾 250 ms,Q = 80,滤波强度 83%,覆盖单带与三带、左右两声道。

检验结果含义
椭圆方程最大残差1.72 × 10⁻¹⁵参数曲线满足解析方程
纯谐波重复误差5.51 × 10⁻¹⁴T₀ = 6.25 ms 内重复,符合浮点精度
失谐模型重复误差0.02893相同 T₀ 下不再重合
默认 EQ 前 / 后误差0.86982 / 0.06824残差被压低,但不是严格归零
独立时域滤波最大差异3.08 × 10⁻¹²与完整复数频响的稳态预测一致

另外检验了旁路恒等、三角递推误差、相同 EQ 的相位差不变、单声道恒等和 M/S 能量保持,共 10 项通过。理论上的“零”由解析条件保证,有限采样与浮点测试只作交叉验证。

仿真如何计算:可复现的输入与真正的数字 EQ

这不是从某首歌取出的录音,而是为隔离因果关系构造的平稳立体声模型:3 个音调分量 + 42 个固定、可复现的非谐波背景分量。背景是有限正弦叠加,不冒充白噪声。所有预设的每个点都由信号公式算出,没有预绘曲线、首尾连线或图案插值。

u = 2π·160t,θ = 相位滑块值(弧度) L主 = 0.34 cos u + 0.24 cos 3u + 0.16 cos 5u R主 = 0.88[0.34 cos(u−θ) + 0.24 cos(3u+θ) + 0.16 cos(5u−θ)]

“失谐”将两个声道中 480 Hz 的那一项改为 480 + √2 Hz;“单声道”强制所有项的右声道等于左声道。“移除宽频背景”直接改变输入,不是 EQ 的能力。单频预设仍包含三个主分量,滤波后另外两个只剩极小泄漏,所以是近似椭圆。

背景 j = 0, …, 41: fⱼ = 67 + 83.37j + 24 sin(7.31j) Hz Aⱼ = 0.075/(1 + 0.026j) Bⱼ = Aⱼ [0.65 + 0.65(0.5 + 0.5 sin(2.9j))] αⱼ = 1.937j,βⱼ = 4.17j + 0.35 (rad)

EQ 使用 RBJ 常峰值带通 biquad;每个频带串联两级,再将各带并联。这里选择带通式筛选来清楚展示机制,不把它等同于所有商业均衡器的峰值滤波曲线。设采样率 fₛ = 48,000 Hz,中心频率 f꜀,ω꜀ = 2πf꜀/fₛ:

a = sin(ω꜀)/(2Q) B꜀(z) = a(1−z⁻²) / [(1+a) − 2cos(ω꜀)z⁻¹ + (1−a)z⁻²] H(z) = (1−d) + d Σ꜀ B꜀(z)² z = exp(i2πf/fₛ),d = 滤波强度 / 100

单频预设的中心频率集合为 {160} Hz,其余为 {160, 480, 800} Hz。“滤波强度”是干信号与滤波信号的混合比例,并非 dB 值;由于复数相位叠加,部分频点的幅度可能出现抵消,也不保证随滑块单调变化。Q 是每一级 biquad 的参数,并不是两级串联后的等效 Q。

A cos(2πft + α) → A |H(f)| cos(2πft + α + arg H(f))

程序对每个正弦分量计算完整复数响应,再在时域求和。这是给定 LTI 滤波器对无限持续正弦输入的精确稳态解,保留滤波器相位;不是只改振幅的零相位假 EQ。改变参数后直接跳到新稳态,因此这里不模拟启动、切换瞬态或振铃的建立过程。

周期误差怎样定义?为什么不用“首尾距离”?
v(t) = [L(t), R(t)]ᵀ ε(T) = √{ Σₙ ‖v(tₙ+T)−v(tₙ)‖² / Σₙ ‖v(tₙ)‖² } tₙ = 0.137 + n/48000 s n = 0, …, 11999;T = 1/160 s

页面固定使用 250 ms 检验区间,避免动画窗口的位置和长度改变诊断读数。ε 衡量整段信号每隔候选周期 T 是否重合;一个偶然的交点或首尾靠近不能通过这个检验。ε = 0 表示该区间完全重复;浮点计算会留下极小误差。仅测试 T₀ 不能排除其他周期,小误差也不能证明严格周期。

散点图按 48 kHz 取样,显示窗口超过 16,000 点时仅对绘图抽点;误差计算不受影响。没有播放声音,动画每秒更新约 14 次;每一帧呈现选定时长的保留采样。两图使用固定、相同的坐标尺度,绝不单独自动放大输出。M/S 坐标是正交变换(轴方向约定见选项),保持距离与闭合性。

更严格的闭合条件与“变厚”的原因

对振幅、相位固定的有限正弦和,合并同频项并去掉相消的零项后,存在共同周期 T 的条件是:每个仍存在于任一声道中的频率都满足 fₖT ∈ ℤ。等价地,这些频率两两比值都是有理数。此时向量信号周期重复;轨迹可能自交,也可能退化为线段。

设滤波后的信号 v(t) = v周期(t) + e(t),且 v周期(t+T)=v周期(t),则 v(t+T)−v(t)=e(t+T)−e(t)。如果残差范数在整个检验区间及其平移 T 后的区间都不超过 η,重复偏差便不超过 2η。EQ 降低非周期残差,环就变细。若滤掉的主要是能量而不是扰动,或保留频带内部仍复杂,就未必成环。

严格闭合描述随时间重复的参数轨迹;仅仅“点集看起来围出一个封闭边界”是不同的几何问题。连续信号的轨迹在有限时间内也是连通的,视觉上的多个分离环可能来自时间分段、变动包络、余辉或采样稀疏。

03 / 回到真实音乐

看到环后,怎样判断发生了什么?

你观察到的变化优先检查的解释如何验证
一个较稳定的椭圆窄带、同频成分占主导;左右已有稳定相位差缩窄到一个谱峰,再改变窗口长度
有交叉的多个环瓣少数整比频率 / 谐波主导查谱峰比值与共同周期,逐个压低谐波
多个不同大小的环不同时间的振幅状态被余辉叠在一起缩短余辉,观察环是否交替出现
短窗很细,长窗变成一团失谐、包络或相位缓慢变化拉长显示窗,比较相隔多个周期的信号
任何 EQ 都只是一条线左右相同,或固定比例比较 L 与 R;相同 EQ 保持其比例

没有原始音乐、EQ 曲线与示波器模式,无法唯一判断你看到的是哪一种情况。本实验给出可以复现该现象的机制与反例;真实诊断还需要确认通道接法、滤波类型、限幅、自动增益和余辉设置。

原理与实现参考:Tektronix:XY 与李萨如图形 · W3C Audio EQ Cookbook:biquad 系数 · iZotope:音频矢量示波器