音频信号的波形在零轴上方有正半段，在零轴下方有负半段。有时波形看起来是对称的，有时则不对称。通常情况下，在开始混合信号之前，波形的形状和极性并不重要。也就是说，当我们有来自两个（或更多）话筒的信号，想要将它们合并，或者可能是为了空间成像而进行分配时，情况就不同了。此时，理解极性、相位和延迟这些术语就很重要。本文将结合话筒技术，对这三个术语加以阐述。


话筒的极性 
按照惯例，必须了解话筒的极性。与输入信号相比，输出信号的极性是怎样的呢？这是由国际标准规定的。极性有时会通过话筒连接器上的色点来表示，当振膜向内运动时会产生正向电压。或者，对于平衡式XLR接口，规定2号针脚始终代表作用声压的同相信号。因此，振膜上的压力增加，使振膜向内移动时，会在2号针脚上产生上升的正电压。对于专业音频用的平衡式电容话筒（不一定是测量话筒）来说是这样的，而动圈话筒的情况略有不同（见本文后文）。


极性改变
改变极性就是简单地将负极部分与正极部分进行互换，即信号反转（“反转”是许多数字音频工作站的一项功能）。或者，用数学方式来表示，就是将信号乘以“-1”。见图2。
 
有时，人们会说相位偏移了180°。然而，这并不完全正确。相位偏移需要有时间偏移，也就是延迟，而极性互换并不涉及延迟。另一方面，信号反转后，确实会出现180°的相位差。

图 2. 下方信号是上方信号的反转版本

在许多混音设备和前置放大器（包括基于硬件和软件的）中，每个通道都可以改变输入信号的极性。按钮上的希腊字母 φ（小写的 phi）表示反转功能。有时，它看起来像字母 Ø。

图 3. 左图：带有极性按钮的物理通道条（Solid State Logic）。右图：DAW 混音通道；在这种情况下，当激活极性开关时，字母 Ø 会镜像显示（Adobe Audition）。

话筒后瓣极性 
指向话筒，如超心形、超强心形或8字形话筒，可通过其在极坐标图中显示的后瓣来识别。这些话筒既能拾取前方的声音，也能在不同程度上拾取后方的声音。然而，从后方拾取的声音极性是反转的。这主要与声音首先撞击振膜的哪一侧有关。声音从前方入射时会使振膜向一个方向移动，而同样的声音从后方入射时则会使振膜向相反方向移动。

图 4. 超心形话筒在不同声音入射角度（0°、90°、127° 和 180°）下的输出

图5. 超心形、超强心形和8字形话筒的极坐标图，图中标记了“+”或“ - ”极性。

相位 
相位只有在将实际波形与参考波形或另一个波形进行比较时，并且在给定频率下才能表示出来。相位偏移是由于时间偏移，即延迟而产生的。时间偏移可能源于两个话筒与声源的距离不同，也可能是由于使用了延迟，或者是由于特定电滤波器的物理特性。
 
通常，我们用所谓的相位角来描述相位偏移，其范围在±180°以内。有时，这个角度会超过该范围，此时我们更倾向于将相位偏移描述为给定频率下的延迟。

图 6. 两个正弦波（1 kHz）偏移/位移 90°（0.25 ms）

图 7. 双通道宽带噪声，下方声道偏移（延迟）了 0.25 ms

在一个包含多种频率的复杂音频信号中，各个频率成分的相位会影响最终形成的波形。以下是两个包含五种频率的信号（一个基频和四个谐波）。设想这五个频率成分被 “缩混” 或叠加成最终的单一波形。
 
左边，每个频率成分起始相位为0°；右边，每个频率成分起始相位为90°。如果基频是1 kHz，那么二次谐波是2 kHz，三次谐波是3 kHz，依此类推。
 
1kHz的一个周期时长为1ms（1/1000 s）。90°（一个周期的四分之一）的相移等同于0.25ms的时间偏移。
 
2kHz的一个周期时长为0.5ms（1/2000s）。90°（周期的四分之一）的相移等同于0.125ms的时间偏移。
 
如图所示，固定相移所对应的时间偏移会随频率变化。此外，尽管这两个波形包含完全相同的频率成分，但最终生成的波形却大不相同。（不过，如果在一个线性系统中进行重现，它们听起来是一样的，因为人耳对相位的敏感度较低。）

图 8：两条曲线各包含五个频率分量。左侧曲线从 0°（左）开始，右侧曲线从 90° 开始

可变相移 
在音频处理中，我们时刻都会遇到相移现象。大多数均衡器或均衡电路可能会表现出与频率相关的相移。DPA 2017枪式话筒就是一个例子。它内置了一个60Hz的低切滤波器（三阶巴特沃斯滤波器）。图9展示了该滤波器经计算得出的相位响应。图10展示了DPA 2017枪式话筒实测的相位响应（包括内置的低切滤波器）。

图 9. DPA 2017 枪式话筒内置低切滤波器的频率响应和相位响应

图 10. 带有内置低切滤波器的 DPA 2017枪式话筒的相位响应。

延迟 
如图 7 所示，延迟会将信号 “存储” 一段时间后再释放。此外，声音的传播依赖于其传播的介质。例如，声音在空气中的传播速度比在金属丝中慢。
 
有一种用于延迟音频信号的电子设备，常被应用于扬声器系统中，目的是让来自不同距离的各个扬声器发出的声音能同时抵达（听众位置）。
 
群延迟 
群延迟与普通延迟几乎相同。不过，它仅涉及音频信号中特定频率附近的 “一组” 频率。群延迟很少是有意为之，而是使用各种电子电路时产生的结果。  


话筒换能器的相位响应 
话筒的相位响应主要与所采用的换能器原理有关。就现代话筒而言，这涉及到电容式话筒或动圈式话筒。
 
起点是： 
电容式（全向/压力）话筒与声学信号同相；
动圈话筒（铝带式或动圈式）会产生 90°的相移。  
 
所有话筒振膜都有一个共振频率（就像鼓一样）。共振可能会导致相移。然而，振膜共振并非话筒中唯一的共振现象。振膜与格栅之间的腔体也可能产生影响。

图11. 输出与声压的关系。左图：电容式话筒，右图：动圈式话筒

结论
极性、相位与延时这三个术语存在内在关联，但通过本文分析可见其本质区别：极性反转是即时极性翻转，相位偏移必然包含时间维度，延时则是纯粹的时间位移现象。理解这些差异对专业音频工程实践至关重要。