第二问,耳机是否满足最小相位系统,什么又是最小相位系统?
非最小相位系统到底蕴含了什么物理的本质,现实的耳机是否可能是非最小相位系统。我们先举几个最简单的非最小相位系统的例子:
1)含有奇数个正零点的系统,以一个正零点为例。

我们构建一个电路来简单理解这个系统,可以发现这个系统中存在一个负阻抗,这个负阻抗代表该阻抗是个有源器件。简单理解为,在输出端负载存在有源器件时,可以构成非最小相位系统。

非最小相位系统是可以用最小相位系统和全通滤波器级联来获得,比如:

2)全通滤波器电路。目前资料可查的两类全通滤波电路如下所示。电路一属于有源电路,如果从Vout除以通过反馈电阻的电流可以得到一个负的电阻,和上面的分析一致,输出端除了输入端通过无源器件激励之外额外引入了一个和输入具有因果关系的源,这是产生非最小相位系统的其中一个机制。电路二输入和输出的参考负极不同,输出端的地依赖于输入端(具有因果性),可以称为有源的浮动参考负极(这个叫法不标准,但容易理解)。

3)延时电路。延时电路可以近似为全通滤波器,表达式如下:

总结一下,非最小相位系统一般需要两种条件,其一系统存在依赖于输入的额外源,其二存在延时。
再回到耳机,耳机到底是不是最小相位系统。耳机的分析我们常常采用电力声类比的方法来考量,可以发现耳机中一般不存在额外的有源部件。第二,耳机是否存在延时?这个问题咋看,很多人肯定会说,显然存在延时啊,你看耳机沿耳道传输,这不是典型的延时么?这句话即对也不对,因为我们这里的声在耳道里传输是存在反射的,不是简单的一个延时问题。实际上声的传输线模型告诉我们,有反射的管道可以分解成多个远小于波长的小管道级联,而每一级小管道都可以用无源器件等效(如下图),只要我们分析的阶数足够高就可以用最小相位系统来描述它。

要在可听声范围内对耳机频响曲线很好的建模,一般不能低于20阶IIR滤波器。这时候如果希望让两个不同的耳机曲线上相同我们所要构建的理想EQ将变得非常复杂。如果只对中低频比较感兴趣,我们可以采用较低阶的IIR滤波器和延时器来拟合。如果我们的目标只是中低频段让耳机的听感接近,这时我们可以采用少数几阶滤波器去进行补偿,但是不可避免的是高频的相位还是会有差异。
还有一个更典型的问题,那就是实际上不同的人在佩戴耳机时,由于耳朵形状的差异或者泄露的差异,这会导致实际每个人的“自己的曲线“并不相同。所以所谓EQ的补偿的核心问题又再次回到了佩戴耳机时声音的”可再现性“。
这里有几个问题待讨论:
1)耳机的瞬态响应如何理解,常见的方波响应或瀑布图有无意义;
2)如何从客观的角度去理解高保真,高保真的耳机到底应该具备什么属性;
参考文献:Hoagg, Jesse B., and Dennis S. Bernstein. 2007.“Nonminimum-Phase Zeros - Much to Do about Nothing - Classical Control - Revisited Part II.” IEEE Control Systems Magazine 27 (3): 45–57. https://doi.org/10.1109/MCS.2007.365003.




