關於擴散器的聲學研究所學報
2017-7-11 16:56:44
17C视频聲學
在聲學領域裏，我們怎樣理解擴散器呢？17C视频小編與大（dà）家一起來學習聲學
研（yán）究所（suǒ）的（de）學報，關（guān）於擴散器。
1.抽象
現代聲學擴散器有吸（xī）引評論的能力，有人說（shuō）聽起（qǐ）來不錯，有的說聽起來不好聽;
一些設計看起來很漂亮，而另外一些則是醜陋的。正確擴散的適當（dāng）數量被認為有
助於壯觀的聲學，太多（duō）的（de）“錯誤”擴散被歸咎於毀（huǐ）壞一個大廳，而另一個大廳（tīng）的
缺乏散射是（shì）對聲音不良造成的。怎麽會有這麽多矛盾？這隻是個人品味的問題，
還是有一（yī）些潛在的物理和心理聲學需要更好（hǎo）的理解？自從施羅德從最大長度序列
出版了關於漫反射的創新論文已經差不多30年了，盡管自那時以來已經（jīng）有了大量
的研究工作，關於什麽時候和為什麽要使用擴散器以及什麽樣的表麵（miàn）應該被使用
的問題仍然是完（wán）全（quán）的回答。在本文中，將探討圍繞擴散器應（yīng）用的一些神話。將介（jiè）
紹設計中的現有技術狀態，並提出需要回（huí）答的未來問題（tí）。
2.介（jiè）紹
幾（jǐ）個世（shì）紀以來，建築風格已經改（gǎi）變，導致室內設計的視覺變化，導（dǎo）致房間聲學的
物理變化（huà）。 在二十世紀建成的大宮（gōng）殿和（hé）音樂廳中，雕像，救援工作和其他裝飾
曾經是常見的，提供充足的表麵散射，並且可能是（shì）更加漫散的聲場。 這種風格
在二十世紀被更簡單的外觀所（suǒ）取（qǔ）代。 許多會議室和二十世紀的房間都包含較大
的平坦表麵，反過來又會導致更多的鏡麵反射（shè）和更少的漫反射。 還有一個建議
，即二十世紀工程精度更高，因此，這些平坦的區域比手工製作的舊建築變得更
加精確，導致更嚴格的鏡麵反射。
在（zài）上世紀末期，對音樂廳內散射表麵的使用似乎越來越受到關注。 當然，聽力
和演播（bō）室控製（zhì）室（shì）的使用肯定是爆炸式的（de）。 一個催化劑是施羅德（dé）的擴散器1的開創
性設計，如二次剩餘擴散器（QRD）2，這使（shǐ）得聲學家設計了具有已知聲學特性的
擴散器的可能性。 由馬歇爾和海德在邁克（kè）爾福勒中心成功應用這些（xiē）擴（kuò）散器進一
步得到了幫（bāng）助.D'Antonio5的工作，他們利用小房間的設計來利用諸如Live End
Dead End（LEDE ?）6和反射自由區（qū）（RFZ?）7。
與實踐者的非正式對話表（biǎo）明，擴散器（qì）無論是存在還是不存在，有（yǒu）時被認為是空間
聲學效果未達到預期的原因。 由於這些（xiē）意見通常（cháng）沒有通過使用測試陪審團的心
理測量和科學（xué）的方法來證實，而是簡（jiǎn）單的個人意見，盡管是公認的專家，這是（shì）很
難知道的。 科學（xué）的方法很少被用來研究擴（kuò）散器對聲音傳播的影響和（hé）對聲音的感
知，所以很難給出擴散器的價值的（de）確鑿（záo）證據。 由於（yú）這個原因（yīn），設計師傾向（xiàng）於退
縮直覺和優（yōu）先。 然而，擴散器在特定空間中是否有效的原因之一可能是（shì）因為某
些看起來像擴散（sàn）器的東西，不具有聲音（yīn）擴散器的特征。
３.２一個表麵是一（yī）個擴（kuò）散器？
雖然（rán）這可能似乎是一個相當棘手的問題，但重要的（de）是這（zhè）是明確的定（dìng）義，因為目前
一些聲稱是擴散的表麵其實不是。 如果人們會抱怨擴散器破壞大廳，重要的是
要清（qīng）楚所使用的是真（zhēn）正的擴散器。 不是所有的波紋表麵都是適當的擴散器。
３.１時空散布
施羅德的原始作品檢查了擴散器產生（shēng）的聲音的空間（jiān）分散。 檢查極地反應以觀察
聲音在特定頻（pín）率下如何分布到柵瓣中。 從那時起，這些方法已經發展到三分之
一倍頻程8中所（suǒ）有方向（xiàng）的空間分散（sàn）。
空間分散是檢查觀眾（zhòng）和舞台區（qū）域的覆蓋麵時的一（yī）個有用的概念，但通常使用擴散
器來處理大廳某些位置（zhì）的缺陷，特別是（shì）著色和回聲9。 在（zài）諸如演播室監視室的小
空間中（zhōng）尤其如此，在那裏使用漫射器
抑製強（qiáng）烈的一級反（fǎn）射。 如（rú）果使用擴散器來處理（lǐ）著色（例如（rú），梳狀濾波），則需
要空間和時間分（fèn）散要考慮。 例如，圖1和圖2顯示了從（cóng）單個半圓柱體散射的時間
和頻率響應。 單個半圓柱體產生優（yōu）異的空間色散，但是從圖1可以看出，沒有時
間色散。 因此，由於兩個聲音之間的相似性，組合的（de）入射和反射聲音的頻率響
應顯示梳（shū）狀濾波響應。 這可能是為什麽半圓柱體的聲音不喜歡的原因。 唯一的
研（yán）究來看這個科學地是Lee10的一個小規模的研究，他得出結論調製表麵優於那些
來自簡單曲麵的曲麵（miàn）。因此，良好的漫射器需要（yào）產（chǎn）生空（kōng）間和時間分散。
雖（suī）然Schroeder漫射器可以（yǐ）純（chún）粹用於其空間散射特性來設（shè）計（jì），但由於其複
雜的幾何形狀（zhuàng）（假設周期寬度足夠寬），它自然會產生時間色散。 在半圓（yuán）柱（zhù）體
的（de）情況下，將它（tā）們排列在周（zhōu）期性陣列中可能不足以分散時間響應，並且可能需要（yào）
某種形式的隨機排列。
突出空（kōng）間和時間分散差異的（de）另一個關鍵（jiàn）應用是階（jiē）段貝殼。 階段的側壁和後壁有
時是平的，有（yǒu）時具有漫（màn）射（shè）麵。 雖然有證據表明（míng）擴散階（jiē）段炮彈是有（yǒu）用的11，但許（xǔ）
多從業者仍然傾向平坦（tǎn）的表麵。
架空簷篷也可以有平麵或（huò）曲麵。 考慮到一個（gè）開放麵積很小的舞台，這（zhè）在（zài）美國可
能比歐洲更常見（jiàn）。 一個有趣的誤解是，這種空間擴（kuò）散（sàn）是由（yóu）架空擴散器產（chǎn）生的，
這在這種情況下是唯一重要的。 在平坦的大（dà）平麵上，沒有明顯的間隙，在（zài）舞台（tái）
上的兩點之間獲得鏡麵反射並不困難。 因此，擴散器提供的空間散布（bù）不是有用
的，因為在舞台上的所有位置反射的（de）聲能可能是足夠的。 然而，重要的（de）是存在
時間散布，去除強陣列反射和直接聲（shēng）音（yīn）之（zhī）間的幹涉而產生（shēng）的強梳狀濾波。 這種
梳理（lǐ）過濾將使音樂家（jiā）難以創（chuàng）造出良好的音調。
3.2特殊原則：擴散器？
由（yóu）金字塔（tǎ）或三角棱鏡製成（chéng）的表（biǎo）麵凹凸具（jù）有有趣的聲學特性，取決於表麵的兩側角
度，該（gāi）表麵（miàn）的反射可（kě）以是鏡麵的，集中（zhōng）在幾個主瓣（bàn）方向上或分散12。 當問題
考慮到這些表麵（miàn）的周（zhōu）期性布（bù）置，圖像變得更加複雜。
一些三角棱鏡受到階梯式房屋的待遇的青睞。 但是，為（wéi）三角形選擇的角度使得
空間和時間色散通常受到限製。 例如，圖（tú）4示出了具有（yǒu）30o側角的（de）三角形棱鏡的
散射。 在這種情況下（xià），產（chǎn）生的是（shì）兩（liǎng）個側（cè）向傳播的波瓣，並且這不是（shì）設計者想要
的分散模（mó）式。科學論文已經出現在這樣的表麵被（bèi）描述為擴散器，這是誤導的。
３.３重複距離（lí）太小
近（jìn）年來，已（yǐ）經開發了許多用於擴展擴散器的重複距離的方法。如果漫射器的目的
是以傾斜角度產生（shēng）反射能量，漫射器必須具有大（dà）於需要散（sàn）射的最低頻率的波長的
周期寬度（或（huò）重複距離（lí））。對於具有等於波長（zhǎng）的寬度的周期性器件意味著在90°
，0°和90°（相對於表（biǎo）麵法線）的方向上產生三（sān）個反射（shè）波瓣。一些（xiē）所謂的擴散
器在預期的帶寬上不（bú）產生顯著的散射，因為已經假設帶寬由擴散器深度限定，並
且不（bú）考慮周期寬度。
高橋和高橋14調查了三角棱鏡周期的可（kě）聽性。他們得出結論，周期性的（de）影響是可
聽見的，但需要更多的工作來檢查更有（yǒu）效（xiào）的擴散器，並將答案（àn）翻譯成可用的設計
指南
３.４稀疏磨砂機
重複距離的另一個問題是，它可以導致頻率帶寬，其中隻有幾個方向指（zhǐ）向（xiàng）少量（liàng）的
波瓣（bàn）。一個例子如圖（tú）5所（suǒ）示。所以如果這（zhè）個（gè）擴散器被用來
處理回波問題，正在實現鏡麵反射波瓣的標稱降（jiàng）低5dB，這可能不足以消除回波
。所示的情（qíng）況是波長（zhǎng）與周期寬度相同的大小的順序（xù）。
理想情況下，周期寬度應該比波長大很多倍，所（suǒ）以要麽是大量的波瓣存在，要麽
沒有周（zhōu）期性（xìng），因此根本沒（méi）有波瓣。
為（wéi）了允許重複距（jù）離的擴展，而不需（xū）要製造單個（gè）大的表麵元件，已經設計了從（cóng）幾個
基本形狀實（shí）現大麵積（jī）覆蓋的（de）調製方（fāng）案。安格斯（sī）在這方麵的早期工作集中
在施羅德漫步者15,16。二
使用不同的施羅德擴散器（qì），例如一個是N = 5個QRD，另一個是N = 7個QRD。然後
布置這些擴散器，擴散器（qì）的順序由具（jù）有良好的非周期自相關特性的（de）偽隨機數序列（liè）
確定，以使周（zhōu）期效應最小化。如果可以使用單個不對稱基底形狀，則可以使用原
始根序列來實現製造更有效。
該方法還可（kě）以擴（kuò）展到擠出和多維曲麵17，如圖6所示。
是一個QRD DIFFUSER獨特的魔術（shù）？
似（sì）乎有一個圍繞QRD的神（shén）秘麵，假設這些表麵產生獨（dú）特的魔法反射特性，這（zhè）是不
能通過任何其他表麵輪廓實現的。的確，快速搜索（suǒ）
互聯網顯示，製造擴散器的大多數公司在其目錄中都有數字（zì）理論設計。
自從施羅德擴（kuò）散（sàn）器的發明以來，已經出（chū）版了許多論文來展示設計中的弱點，並且
通常提供了解決問（wèn）題的方案。
這些在參考文獻12和18中進行了（le）審查。問題包括：
臨界或平板頻率，其表麵的行為像平板，不產生分散;
狹窄擴散器的性能受周（zhōu）期寬度限製 - 見上文（wén）;織物覆蓋不良的（de）擴散器或擴（kuò）散器可
以（yǐ）吸收;在離（lí）散頻率下的最佳擴散與寬帶寬上的最佳擴散不同;
所有具有相同能量的光柵（shān）葉不（bú）同（tóng）於在所有方向上（shàng）均勻散射，除非有大量的裂片。
該列（liè）表不包括其他濫用該概（gài）念的信息，例如不了解二次餘數序列（liè）是什麽。從一（yī）個
網站引用：
“**********是一種高性能二（èr）次餘數擴散器，采用了一係列具有特定深度的15個
孔來分解和散射聲能。
二次餘數設計必須基於素數，否則根（gēn）據最低因素不同於擴散（sàn）器，在這種情況下為
3。5.甚至陌（mò）生（shēng）人，網站上的擴散器的圖片顯示它有16個井！
多年來，一些從業者一直批評數理論擴散器的安排所產生的聲音。然而，這些批
評通常集中在最簡單的低（dī）N設計（jì）上，並且忽略了多年（nián）來對表麵散（sàn）射能力的了解甚
多的（de）事實。也許被聽到的文物（wù）是由於臨界頻率（lǜ）或周期性波瓣？不幸（xìng）的是，由於這
些（xiē）觀察結果沒（méi）有得到科學方法的調查支（zhī）持，所以很難得出結論。甚至不知道其他
人能否聽到這（zhè）些文物？
但（dàn）是要回到（dào）這個部分的問（wèn）題，QRD是一個獨特的表麵，是（shì）否真的沒有其他（tā）設計可
以一樣好？答案當然不是。施羅（luó）德的（de）創造力（lì）是設計一個可（kě）以在設計（jì）中使用數學原（yuán）
理的表麵。通過將表麵設置為一係列孔，擴散器可以被建（jiàn）模為具有變化阻抗的平
坦表麵。這使得一（yī）些相對簡單的數學應用於表麵，這導致了眾所周知的設計方程
式。因此，表麵構造是實現（xiàn）數學目的的方便，它不能產生（shēng）散射。任何（hé）波紋表麵都
有分解反射波（bō）前的可能性，從而產（chǎn）生散射。問題是，一（yī）旦設計從一係列（liè）井，到階
梯（tī），彎曲或分（fèn）形結構中移開，那麽簡單的設計方程就不再適用（yòng）了。
５.一個標準是擴散（sàn）的好還是（shì）壞？
通過使用擴散器可以消除諸如圖像偏移，著色和回波的聲像差（chà）。從優先考慮，有
足夠的證（zhèng）據表（biǎo）明擴散器可以有效地治（zhì）療這些缺陷，一些科學研究也證明了這（zhè）一點
。所以為什麽不隻是覆蓋（gài）整個聽覺
擴散麵？忽略建築師（shī）可能會想到的概念和成本，現在人們可以得（dé）出的結論是，很
少有數據說出包含大（dà）規模擴散對聲音產生的影響。有些人擔心這會消除早期（qī）反思
中存在的空間線（xiàn）索，導致不精確的聲音，但沒有人測量到這（zhè）種效果。
Hann和Fricke22,23表明，在世界上最受讚譽的音樂廳中，表（biǎo）麵擴散指（zhǐ）數（SDI）
是表麵擴散的全球定性表征，與聲學質量指數（AQI）非常相關。 SDI從表麵粗
糙度的目（mù）視檢（jiǎn）查確定。這項工作需要進一步確認，許多人對這一發現持懷疑態度
，理由是測試方法和評估似乎太簡單。
Chiles24研究了散射表麵對音樂廳單聲道措施的影響。他（tā）發現，添加散射表麵使
聲場更加漫散，最有效的方法是在大廳的前麵或後（hòu）麵。向側牆添加擴散器增加了
朝向舞台（tái）的反向散射，降低了音樂（lè）廳後部的清晰度，因（yīn）此對質量可能有害。這項
工（gōng）作需要進一步（bù）擴展，以觀察聲音的空（kōng）間方麵，如早期（qī）和晚期橫向能量，以及對
著色的影響。
Torres等[25]研究（jiū）了在計算機模型中改變漫（màn）反射量並測試變化的可聽（tīng）性。他們發
現漫反射量的變化是可聽（tīng）見的，但是由於聲場是使用隻能大致模擬散射影響的計
算機模型（xíng）進行的，所以在考（kǎo）慮（lǜ）真實房（fáng）間時很難從這項工作得出更多的結論。
因（yīn）此，需要更多的（de）研究來調查需要（yào）多少擴散和應用哪裏。在最近（jìn）的RADS研討會（
國際室內（nèi）聲學設計與科學（xué）研討會，日本，2004年）中，圓桌討論意味著許多人傾
向於“適度”的擴散。然而（ér），不（bú）清（qīng）楚什麽是適度擴散的意思。這是否意味著適度
的散（sàn）射，但是在寬帶寬上？或者是否意味著中等的表麵波紋，這意（yì）味著隻有高於（yú）
中頻的顯著散射（shè）？
６.分歧引起不利因素？
不久之後，施（shī）羅德擴散器被發明，傳聞說這些表麵（miàn）引（yǐn）起了很（hěn）大的吸收。由於它們
的性（xìng）質，施羅德擴（kuò）散器包含四（sì）分之一波長的諧振結構，因此（cǐ）可以預期在諧振頻率
處和周圍會（huì）發生一（yī）些吸收。然而，在一些文獻中報道的吸收係數大（dà）大超過了可歸
因於單獨的四分之一波共振的吸收係數。特別是（shì）藤（téng）原
測得（dé）的島崎26吸收係數在（zài）0.3?1之（zhī）間
康明（míng）斯，Auletta和Suner 27測（cè）得的係數達到峰值約0.5。這些高吸收係數與商業
樣品測量的隨機入射吸收係數形（xíng）成鮮明對比28。矛盾可能（néng）是由施工質（zhì）量（liàng）來解釋的
。 Fujiwara29後來的出版物顯示，他早期出版物中（zhōng）看到（dào）的過度吸收是（shì）由於施工
不良造成的。
如果Schroeder擴散器（qì）密封（fēng）良好（hǎo）並由非吸收材料製成，則（zé）沒有理由（yóu）吸收（shōu）過大。然
而，表麵不被覆蓋是非常重要的，因為由於（yú）在井入口附（fù）近的高粒子（zǐ）速（sù）度而發生過
量吸收。
７.擴散器必須看起來醜嗎（ma）？
當施羅德發明了（le）他的漫步者（zhě）時（shí），他們就融入了當今的一些藝術潮流。以抽象為前
提，翅片和井形成的元素符合當今的風格。但在這幾十年的時間裏，口味已經開
始了。建築學已經受到工程進（jìn）步的巨大影響，以便能夠構建以前難以想像的形狀
。地標建（jiàn）築正在形成複雜的幾何形狀和彎曲形式。對許多（duō）人來說，施羅德漫步者
不再符合所需的風格。幸運的是
優化12可以設計任意形（xíng）狀（zhuàng）的擴散器，回（huí）應能（néng）力
的建築（zhù）師似乎與任何形狀的建築工作。通常可以（yǐ）創造（zào）出與建（jiàn）築風格和諧相處的擴
散器30。平坦漫步者甚至有發展，12可以滿足極簡主義建築師的想法;盡管（guǎn）這些
僅在當前需要吸收的情況下才可用。
８.結論
聲學擴（kuò）散器在過（guò）去三十年間發生（shēng）了很大變化。 有許多成功應用的例子改善了各
種房間的聲學效果。 已經了解了如何（hé）設計，測量和預測它們。 然而，仍然有相
當多的研究。 在上個世紀，房間（jiān）的設計從（cóng）大多數優（yōu）先（xiān）轉變（biàn）為係統
可以使用哪些科學和工程原理（lǐ）來最（zuì）大限度地增加建立聲學成功空（kōng）間的機會。 擴
散器（qì）開發的故事是沿著同樣的道路。 希（xī）望（wàng）在不久的將來，可以使（shǐ）用優（yōu）質的科學
知識來避免不良和醜陋的擴散器設計和應用。
本文標簽（qiān）：