關(guān)于擴散器的聲學研究所學報
2017-7-11 16:56:44
諾聲聲學
在聲學領(lǐng)域里，我們怎樣理解擴散器呢？諾聲小編與大家一起來學習聲學
研究所的學報，關(guān)于擴散器。
1.抽象
現(xiàn)代聲學擴散器有吸引評論的能力，有人說聽起來不錯，有的說聽起來不好聽;
一些設(shè)計看起來很漂亮，而另外一些則是丑陋的。正確擴散的適當數(shù)量被認為有
助于壯觀的聲學，太多的“錯誤”擴散被歸咎于毀壞一個大廳，而另一個大廳的
缺乏散射是對聲音不良造成的。怎么會有這么多矛盾？這只是個人品味的問題，
還是有一些潛在的物理和心理聲學需要更好的理解？自從施羅德從最大長度序列
出版了關(guān)于漫反射的創(chuàng)新論文已經(jīng)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(guān)于什么時候和為什么要使用擴散器以及什么樣的表面應該被使用
的問題仍然是完全的回答。在本文中，將探討圍繞擴散器應用的一些神話。將介
紹設(shè)計中的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)，并提出需要回答的未來問題。
2.介紹
幾個世紀以來，建筑風格已經(jīng)改變，導致室內(nèi)設(shè)計的視覺變化，導致房間聲學的
物理變化。 在二十世紀建成的大宮殿和音樂廳中，雕像，救援工作和其他裝飾
曾經(jīng)是常見的，提供充足的表面散射，并且可能是更加漫散的聲場。 這種風格
在二十世紀被更簡單的外觀所取代。 許多會議室和二十世紀的房間都包含較大
的平坦表面，反過來又會導致更多的鏡面反射和更少的漫反射。 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(qū)域比手工制作的舊建筑變得更
加精確，導致更嚴格的鏡面反射。
在上世紀末期，對音樂廳內(nèi)散射表面的使用似乎越來越受到關(guān)注。 當然，聽力
和演播室控制室的使用肯定是爆炸式的。 一個催化劑是施羅德的擴散器1的開創(chuàng)
性設(shè)計，如二次剩余擴散器（QRD）2，這使得聲學家設(shè)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爾福勒中心成功應用這些擴散器進一
步得到了幫助.D'Antonio5的工作，他們利用小房間的設(shè)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明，擴散器無論是存在還是不存在，有時被認為是空間
聲學效果未達到預期的原因。 由于這些意見通常沒有通過使用測試陪審團的心
理測量和科學的方法來證實，而是簡單的個人意見，盡管是公認的專家，這是很
難知道的。 科學的方法很少被用來研究擴散器對聲音傳播的影響和對聲音的感
知，所以很難給出擴散器的價值的確鑿證據(jù)。 由于這個原因，設(shè)計師傾向于退
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因為某
些看起來像擴散器的東西，不具有聲音擴散器的特征。
３.２一個表面是一個擴散器？
雖然這可能似乎是一個相當棘手的問題，但重要的是這是明確的定義，因為目前
一些聲稱是擴散的表面其實不是。 如果人們會抱怨擴散器破壞大廳，重要的是
要清楚所使用的是真正的擴散器。 不是所有的波紋表面都是適當?shù)臄U散器。
３.１時空散布
施羅德的原始作品檢查了擴散器產(chǎn)生的聲音的空間分散。 檢查極地反應以觀察
聲音在特定頻率下如何分布到柵瓣中。 從那時起，這些方法已經(jīng)發(fā)展到三分之
一倍頻程8中所有方向的空間分散。
空間分散是檢查觀眾和舞臺區(qū)域的覆蓋面時的一個有用的概念，但通常使用擴散
器來處理大廳某些位置的缺陷，特別是著色和回聲9。 在諸如演播室監(jiān)視室的小
空間中尤其如此，在那里使用漫射器
抑制強烈的一級反射。 如果使用擴散器來處理著色（例如，梳狀濾波），則需
要空間和時間分散要考慮。 例如，圖1和圖2顯示了從單個半圓柱體散射的時間
和頻率響應。 單個半圓柱體產(chǎn)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，由于兩個聲音之間的相似性，組合的入射和反射聲音的頻率響
應顯示梳狀濾波響應。 這可能是為什么半圓柱體的聲音不喜歡的原因。 唯一的
研究來看這個科學地是Lee10的一個小規(guī)模的研究，他得出結(jié)論調(diào)制表面優(yōu)于那些
來自簡單曲面的曲面。因此，良好的漫射器需要產(chǎn)生空間和時間分散。
雖然Schroeder漫射器可以純粹用于其空間散射特性來設(shè)計，但由于其復
雜的幾何形狀（假設(shè)周期寬度足夠?qū)挘匀粫a(chǎn)生時間色散。 在半圓柱體
的情況下，將它們排列在周期性陣列中可能不足以分散時間響應，并且可能需要
某種形式的隨機排列。
突出空間和時間分散差異的另一個關(guān)鍵應用是階段貝殼。 階段的側(cè)壁和后壁有
時是平的，有時具有漫射面。 雖然有證據(jù)表明擴散階段炮彈是有用的11，但許
多從業(yè)者仍然傾向平坦的表面。
架空檐篷也可以有平面或曲面。 考慮到一個開放面積很小的舞臺，這在美國可
能比歐洲更常見。 一個有趣的誤解是，這種空間擴散是由架空擴散器產(chǎn)生的，
這在這種情況下是唯一重要的。 在平坦的大平面上，沒有明顯的間隙，在舞臺
上的兩點之間獲得鏡面反射并不困難。 因此，擴散器提供的空間散布不是有用
的，因為在舞臺上的所有位置反射的聲能可能是足夠的。 然而，重要的是存在
時間散布，去除強陣列反射和直接聲音之間的干涉而產(chǎn)生的強梳狀濾波。 這種
梳理過濾將使音樂家難以創(chuàng)造出良好的音調(diào)。
3.2特殊原則：擴散器？
由金字塔或三角棱鏡制成的表面凹凸具有有趣的聲學特性，取決于表面的兩側(cè)角
度，該表面的反射可以是鏡面的，集中在幾個主瓣方向上或分散12。 當問題
考慮到這些表面的周期性布置，圖像變得更加復雜。
一些三角棱鏡受到階梯式房屋的待遇的青睞。 但是，為三角形選擇的角度使得
空間和時間色散通常受到限制。 例如，圖4示出了具有30o側(cè)角的三角形棱鏡的
散射。 在這種情況下，產(chǎn)生的是兩個側(cè)向傳播的波瓣，并且這不是設(shè)計者想要
的分散模式。科學論文已經(jīng)出現(xiàn)在這樣的表面被描述為擴散器，這是誤導的。
３.３重復距離太小
近年來，已經(jīng)開發(fā)了許多用于擴展擴散器的重復距離的方法。如果漫射器的目的
是以傾斜角度產(chǎn)生反射能量，漫射器必須具有大于需要散射的最低頻率的波長的
周期寬度（或重復距離）。對于具有等于波長的寬度的周期性器件意味著在90°
，0°和90°（相對于表面法線）的方向上產(chǎn)生三個反射波瓣。一些所謂的擴散
器在預期的帶寬上不產(chǎn)生顯著的散射，因為已經(jīng)假設(shè)帶寬由擴散器深度限定，并
且不考慮周期寬度。
高橋和高橋14調(diào)查了三角棱鏡周期的可聽性。他們得出結(jié)論，周期性的影響是可
聽見的，但需要更多的工作來檢查更有效的擴散器，并將答案翻譯成可用的設(shè)計
指南
３.４稀疏磨砂機
重復距離的另一個問題是，它可以導致頻率帶寬，其中只有幾個方向指向少量的
波瓣。一個例子如圖5所示。所以如果這個擴散器被用來
處理回波問題，正在實現(xiàn)鏡面反射波瓣的標稱降低5dB，這可能不足以消除回波
。所示的情況是波長與周期寬度相同的大小的順序。
理想情況下，周期寬度應該比波長大很多倍，所以要么是大量的波瓣存在，要么
沒有周期性，因此根本沒有波瓣。
為了允許重復距離的擴展，而不需要制造單個大的表面元件，已經(jīng)設(shè)計了從幾個
基本形狀實現(xiàn)大面積覆蓋的調(diào)制方案。安格斯在這方面的早期工作集中
在施羅德漫步者15,16。二
使用不同的施羅德擴散器，例如一個是N = 5個QRD，另一個是N = 7個QRD。然后
布置這些擴散器，擴散器的順序由具有良好的非周期自相關(guān)特性的偽隨機數(shù)序列
確定，以使周期效應最小化。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(xiàn)制造更有效。
該方法還可以擴展到擠出和多維曲面17，如圖6所示。
是一個QRD DIFFUSER獨特的魔術(shù)？
似乎有一個圍繞QRD的神秘面，假設(shè)這些表面產(chǎn)生獨特的魔法反射特性，這是不
能通過任何其他表面輪廓實現(xiàn)的。的確，快速搜索
互聯(lián)網(wǎng)顯示，制造擴散器的大多數(shù)公司在其目錄中都有數(shù)字理論設(shè)計。
自從施羅德擴散器的發(fā)明以來，已經(jīng)出版了許多論文來展示設(shè)計中的弱點，并且
通常提供了解決問題的方案。
這些在參考文獻12和18中進行了審查。問題包括：
臨界或平板頻率，其表面的行為像平板，不產(chǎn)生分散;
狹窄擴散器的性能受周期寬度限制 - 見上文;織物覆蓋不良的擴散器或擴散器可
以吸收;在離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葉不同于在所有方向上均勻散射，除非有大量的裂片。
該列表不包括其他濫用該概念的信息，例如不了解二次余數(shù)序列是什么。從一個
網(wǎng)站引用：
“**********是一種高性能二次余數(shù)擴散器，采用了一系列具有特定深度的15個
孔來分解和散射聲能。
二次余數(shù)設(shè)計必須基于素數(shù)，否則根據(jù)最低因素不同于擴散器，在這種情況下為
3。5.甚至陌生人，網(wǎng)站上的擴散器的圖片顯示它有16個井！
多年來，一些從業(yè)者一直批評數(shù)理論擴散器的安排所產(chǎn)生的聲音。然而，這些批
評通常集中在最簡單的低N設(shè)計上，并且忽略了多年來對表面散射能力的了解甚
多的事實。也許被聽到的文物是由于臨界頻率或周期性波瓣？不幸的是，由于這
些觀察結(jié)果沒有得到科學方法的調(diào)查支持，所以很難得出結(jié)論。甚至不知道其他
人能否聽到這些文物？
但是要回到這個部分的問題，QRD是一個獨特的表面，是否真的沒有其他設(shè)計可
以一樣好？答案當然不是。施羅德的創(chuàng)造力是設(shè)計一個可以在設(shè)計中使用數(shù)學原
理的表面。通過將表面設(shè)置為一系列孔，擴散器可以被建模為具有變化阻抗的平
坦表面。這使得一些相對簡單的數(shù)學應用于表面，這導致了眾所周知的設(shè)計方程
式。因此，表面構(gòu)造是實現(xiàn)數(shù)學目的的方便，它不能產(chǎn)生散射。任何波紋表面都
有分解反射波前的可能性，從而產(chǎn)生散射。問題是，一旦設(shè)計從一系列井，到階
梯，彎曲或分形結(jié)構(gòu)中移開，那么簡單的設(shè)計方程就不再適用了。
５.一個標準是擴散的好還是壞？
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。從優(yōu)先考慮，有
足夠的證據(jù)表明擴散器可以有效地治療這些缺陷，一些科學研究也證明了這一點
。所以為什么不只是覆蓋整個聽覺
擴散面？忽略建筑師可能會想到的概念和成本，現(xiàn)在人們可以得出的結(jié)論是，很
少有數(shù)據(jù)說出包含大規(guī)模擴散對聲音產(chǎn)生的影響。有些人擔心這會消除早期反思
中存在的空間線索，導致不精確的聲音，但沒有人測量到這種效果。
Hann和Fricke22,23表明，在世界上最受贊譽的音樂廳中，表面擴散指數(shù)（SDI）
是表面擴散的全球定性表征，與聲學質(zhì)量指數(shù)（AQI）非常相關(guān)。 SDI從表面粗
糙度的目視檢查確定。這項工作需要進一步確認，許多人對這一發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度
，理由是測試方法和評估似乎太簡單。
Chiles24研究了散射表面對音樂廳單聲道措施的影響。他發(fā)現(xiàn)，添加散射表面使
聲場更加漫散，最有效的方法是在大廳的前面或后面。向側(cè)墻添加擴散器增加了
朝向舞臺的反向散射，降低了音樂廳后部的清晰度，因此對質(zhì)量可能有害。這項
工作需要進一步擴展，以觀察聲音的空間方面，如早期和晚期橫向能量，以及對
著色的影響。
Torres等[25]研究了在計算機模型中改變漫反射量并測試變化的可聽性。他們發(fā)
現(xiàn)漫反射量的變化是可聽見的，但是由于聲場是使用只能大致模擬散射影響的計
算機模型進行的，所以在考慮真實房間時很難從這項工作得出更多的結(jié)論。
因此，需要更多的研究來調(diào)查需要多少擴散和應用哪里。在最近的RADS研討會（
國際室內(nèi)聲學設(shè)計與科學研討會，日本，2004年）中，圓桌討論意味著許多人傾
向于“適度”的擴散。然而，不清楚什么是適度擴散的意思。這是否意味著適度
的散射，但是在寬帶寬上？或者是否意味著中等的表面波紋，這意味著只有高于
中頻的顯著散射？
６.分歧引起不利因素？
不久之后，施羅德擴散器被發(fā)明，傳聞說這些表面引起了很大的吸收。由于它們
的性質(zhì)，施羅德擴散器包含四分之一波長的諧振結(jié)構(gòu)，因此可以預期在諧振頻率
處和周圍會發(fā)生一些吸收。然而，在一些文獻中報道的吸收系數(shù)大大超過了可歸
因于單獨的四分之一波共振的吸收系數(shù)。特別是藤原
測得的島崎26吸收系數(shù)在0.3?1之間
康明斯，Auletta和Suner 27測得的系數(shù)達到峰值約0.5。這些高吸收系數(shù)與商業(yè)
樣品測量的隨機入射吸收系數(shù)形成鮮明對比28。矛盾可能是由施工質(zhì)量來解釋的
。 Fujiwara29后來的出版物顯示，他早期出版物中看到的過度吸收是由于施工
不良造成的。
如果Schroeder擴散器密封良好并由非吸收材料制成，則沒有理由吸收過大。然
而，表面不被覆蓋是非常重要的，因為由于在井入口附近的高粒子速度而發(fā)生過
量吸收。
７.擴散器必須看起來丑嗎？
當施羅德發(fā)明了他的漫步者時，他們就融入了當今的一些藝術(shù)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里，口味已經(jīng)開
始了。建筑學已經(jīng)受到工程進步的巨大影響，以便能夠構(gòu)建以前難以想像的形狀
。地標建筑正在形成復雜的幾何形狀和彎曲形式。對許多人來說，施羅德漫步者
不再符合所需的風格。幸運的是
優(yōu)化12可以設(shè)計任意形狀的擴散器，回應能力
的建筑師似乎與任何形狀的建筑工作。通常可以創(chuàng)造出與建筑風格和諧相處的擴
散器30。平坦漫步者甚至有發(fā)展，12可以滿足極簡主義建筑師的想法;盡管這些
僅在當前需要吸收的情況下才可用。
８.結(jié)論
聲學擴散器在過去三十年間發(fā)生了很大變化。 有許多成功應用的例子改善了各
種房間的聲學效果。 已經(jīng)了解了如何設(shè)計，測量和預測它們。 然而，仍然有相
當多的研究。 在上個世紀，房間的設(shè)計從大多數(shù)優(yōu)先轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)
可以使用哪些科學和工程原理來最大限度地增加建立聲學成功空間的機會。 擴
散器開發(fā)的故事是沿著同樣的道路。 希望在不久的將來，可以使用優(yōu)質(zhì)的科學
知識來避免不良和丑陋的擴散器設(shè)計和應用。
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