關(guān)于擴(kuò)散器的聲學(xué)研究所學(xué)報(bào)
2017-7-11 16:56:44
諾聲聲學(xué)
在聲學(xué)領(lǐng)域里，我們?cè)鯓永斫鈹U(kuò)散器呢？諾聲小編與大家一起來學(xué)習(xí)聲學(xué)
研究所的學(xué)報(bào)，關(guān)于擴(kuò)散器。
1.抽象
現(xiàn)代聲學(xué)擴(kuò)散器有吸引評(píng)論的能力，有人說聽起來不錯(cuò)，有的說聽起來不好聽;
一些設(shè)計(jì)看起來很漂亮，而另外一些則是丑陋的。正確擴(kuò)散的適當(dāng)數(shù)量被認(rèn)為有
助于壯觀的聲學(xué)，太多的“錯(cuò)誤”擴(kuò)散被歸咎于毀壞一個(gè)大廳，而另一個(gè)大廳的
缺乏散射是對(duì)聲音不良造成的。怎么會(huì)有這么多矛盾？這只是個(gè)人品味的問題，
還是有一些潛在的物理和心理聲學(xué)需要更好的理解？自從施羅德從最大長(zhǎng)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(shí)以來已經(jīng)有了大量
的研究工作，關(guān)于什么時(shí)候和為什么要使用擴(kuò)散器以及什么樣的表面應(yīng)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(kuò)散器應(yīng)用的一些神話。將介
紹設(shè)計(jì)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(gè)世紀(jì)以來，建筑風(fēng)格已經(jīng)改變，導(dǎo)致室內(nèi)設(shè)計(jì)的視覺變化，導(dǎo)致房間聲學(xué)的
物理變化。 在二十世紀(jì)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(chǎng)。 這種風(fēng)格
在二十世紀(jì)被更簡(jiǎn)單的外觀所取代。 許多會(huì)議室和二十世紀(jì)的房間都包含較大
的平坦表面，反過來又會(huì)導(dǎo)致更多的鏡面反射和更少的漫反射。 還有一個(gè)建議
，即二十世紀(jì)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(dǎo)致更嚴(yán)格的鏡面反射。
在上世紀(jì)末期，對(duì)音樂廳內(nèi)散射表面的使用似乎越來越受到關(guān)注。 當(dāng)然，聽力
和演播室控制室的使用肯定是爆炸式的。 一個(gè)催化劑是施羅德的擴(kuò)散器1的開創(chuàng)
性設(shè)計(jì)，如二次剩余擴(kuò)散器（QRD）2，這使得聲學(xué)家設(shè)計(jì)了具有已知聲學(xué)特性的
擴(kuò)散器的可能性。 由馬歇爾和海德在邁克爾福勒中心成功應(yīng)用這些擴(kuò)散器進(jìn)一
步得到了幫助.D'Antonio5的工作，他們利用小房間的設(shè)計(jì)來利用諸如Live End
Dead End（LEDE ?）6和反射自由區(qū)（RFZ?）7。
與實(shí)踐者的非正式對(duì)話表明，擴(kuò)散器無論是存在還是不存在，有時(shí)被認(rèn)為是空間
聲學(xué)效果未達(dá)到預(yù)期的原因。 由于這些意見通常沒有通過使用測(cè)試陪審團(tuán)的心
理測(cè)量和科學(xué)的方法來證實(shí)，而是簡(jiǎn)單的個(gè)人意見，盡管是公認(rèn)的專家，這是很
難知道的。 科學(xué)的方法很少被用來研究擴(kuò)散器對(duì)聲音傳播的影響和對(duì)聲音的感
知，所以很難給出擴(kuò)散器的價(jià)值的確鑿證據(jù)。 由于這個(gè)原因，設(shè)計(jì)師傾向于退
縮直覺和優(yōu)先。 然而，擴(kuò)散器在特定空間中是否有效的原因之一可能是因?yàn)槟?/div>
本文標(biāo)簽：
些看起來像擴(kuò)散器的東西，不具有聲音擴(kuò)散器的特征。
３.２一個(gè)表面是一個(gè)擴(kuò)散器？
雖然這可能似乎是一個(gè)相當(dāng)棘手的問題，但重要的是這是明確的定義，因?yàn)槟壳?/div>
一些聲稱是擴(kuò)散的表面其實(shí)不是。 如果人們會(huì)抱怨擴(kuò)散器破壞大廳，重要的是
要清楚所使用的是真正的擴(kuò)散器。 不是所有的波紋表面都是適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散器。
３.１時(shí)空散布
施羅德的原始作品檢查了擴(kuò)散器產(chǎn)生的聲音的空間分散。 檢查極地反應(yīng)以觀察
聲音在特定頻率下如何分布到柵瓣中。 從那時(shí)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(tái)區(qū)域的覆蓋面時(shí)的一個(gè)有用的概念，但通常使用擴(kuò)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(qiáng)烈的一級(jí)反射。 如果使用擴(kuò)散器來處理著色（例如，梳狀濾波），則需
要空間和時(shí)間分散要考慮。 例如，圖1和圖2顯示了從單個(gè)半圓柱體散射的時(shí)間
和頻率響應(yīng)。 單個(gè)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(shí)
間色散。 因此，由于兩個(gè)聲音之間的相似性，組合的入射和反射聲音的頻率響
應(yīng)顯示梳狀濾波響應(yīng)。 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(gè)科學(xué)地是Lee10的一個(gè)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(jiǎn)單曲面的曲面。因此，良好的漫射器需要產(chǎn)生空間和時(shí)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(jì)，但由于其復(fù)
雜的幾何形狀（假設(shè)周期寬度足夠?qū)挘?，它自然?huì)產(chǎn)生時(shí)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(shí)間響應(yīng)，并且可能需要
某種形式的隨機(jī)排列。
突出空間和時(shí)間分散差異的另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是階段貝殼。 階段的側(cè)壁和后壁有
時(shí)是平的，有時(shí)具有漫射面。 雖然有證據(jù)表明擴(kuò)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(gè)開放面積很小的舞臺(tái)，這在美國(guó)可
能比歐洲更常見。 一個(gè)有趣的誤解是，這種空間擴(kuò)散是由架空擴(kuò)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(tái)
上的兩點(diǎn)之間獲得鏡面反射并不困難。 因此，擴(kuò)散器提供的空間散布不是有用
的，因?yàn)樵谖枧_(tái)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(shí)間散布，去除強(qiáng)陣列反射和直接聲音之間的干涉而產(chǎn)生的強(qiáng)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(kuò)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(xué)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(gè)主瓣方向上或分散12。 當(dāng)問題
考慮到這些表面的周期性布置，圖像變得更加復(fù)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(shí)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(gè)側(cè)向傳播的波瓣，并且這不是設(shè)計(jì)者想要
的分散模式?？茖W(xué)論文已經(jīng)出現(xiàn)在這樣的表面被描述為擴(kuò)散器，這是誤導(dǎo)的。
３.３重復(fù)距離太小
近年來，已經(jīng)開發(fā)了許多用于擴(kuò)展擴(kuò)散器的重復(fù)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(zhǎng)的
周期寬度（或重復(fù)距離）。對(duì)于具有等于波長(zhǎng)的寬度的周期性器件意味著在90°
，0°和90°（相對(duì)于表面法線）的方向上產(chǎn)生三個(gè)反射波瓣。一些所謂的擴(kuò)散
器在預(yù)期的帶寬上不產(chǎn)生顯著的散射，因?yàn)橐呀?jīng)假設(shè)帶寬由擴(kuò)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(kuò)散器，并將答案翻譯成可用的設(shè)計(jì)
指南
３.４稀疏磨砂機(jī)
重復(fù)距離的另一個(gè)問題是，它可以導(dǎo)致頻率帶寬，其中只有幾個(gè)方向指向少量的
波瓣。一個(gè)例子如圖5所示。所以如果這個(gè)擴(kuò)散器被用來
處理回波問題，正在實(shí)現(xiàn)鏡面反射波瓣的標(biāo)稱降低5dB，這可能不足以消除回波
。所示的情況是波長(zhǎng)與周期寬度相同的大小的順序。
理想情況下，周期寬度應(yīng)該比波長(zhǎng)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(fù)距離的擴(kuò)展，而不需要制造單個(gè)大的表面元件，已經(jīng)設(shè)計(jì)了從幾個(gè)
基本形狀實(shí)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(kuò)散器，例如一個(gè)是N = 5個(gè)QRD，另一個(gè)是N = 7個(gè)QRD。然后
布置這些擴(kuò)散器，擴(kuò)散器的順序由具有良好的非周期自相關(guān)特性的偽隨機(jī)數(shù)序列
確定，以使周期效應(yīng)最小化。如果可以使用單個(gè)不對(duì)稱基底形狀，則可以使用原
始根序列來實(shí)現(xiàn)制造更有效。
該方法還可以擴(kuò)展到擠出和多維曲面17，如圖6所示。
是一個(gè)QRD DIFFUSER獨(dú)特的魔術(shù)？
似乎有一個(gè)圍繞QRD的神秘面，假設(shè)這些表面產(chǎn)生獨(dú)特的魔法反射特性，這是不
能通過任何其他表面輪廓實(shí)現(xiàn)的。的確，快速搜索
互聯(lián)網(wǎng)顯示，制造擴(kuò)散器的大多數(shù)公司在其目錄中都有數(shù)字理論設(shè)計(jì)。
自從施羅德擴(kuò)散器的發(fā)明以來，已經(jīng)出版了許多論文來展示設(shè)計(jì)中的弱點(diǎn)，并且
通常提供了解決問題的方案。
這些在參考文獻(xiàn)12和18中進(jìn)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(kuò)散器的性能受周期寬度限制 - 見上文;織物覆蓋不良的擴(kuò)散器或擴(kuò)散器可
以吸收;在離散頻率下的最佳擴(kuò)散與寬帶寬上的最佳擴(kuò)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(gè)
網(wǎng)站引用：
“**********是一種高性能二次余數(shù)擴(kuò)散器，采用了一系列具有特定深度的15個(gè)
孔來分解和散射聲能。
二次余數(shù)設(shè)計(jì)必須基于素?cái)?shù)，否則根據(jù)最低因素不同于擴(kuò)散器，在這種情況下為
3。5.甚至陌生人，網(wǎng)站上的擴(kuò)散器的圖片顯示它有16個(gè)井！
多年來，一些從業(yè)者一直批評(píng)數(shù)理論擴(kuò)散器的安排所產(chǎn)生的聲音。然而，這些批
評(píng)通常集中在最簡(jiǎn)單的低N設(shè)計(jì)上，并且忽略了多年來對(duì)表面散射能力的了解甚
多的事實(shí)。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(xué)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(gè)部分的問題，QRD是一個(gè)獨(dú)特的表面，是否真的沒有其他設(shè)計(jì)可
以一樣好？答案當(dāng)然不是。施羅德的創(chuàng)造力是設(shè)計(jì)一個(gè)可以在設(shè)計(jì)中使用數(shù)學(xué)原
理的表面。通過將表面設(shè)置為一系列孔，擴(kuò)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(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)應(yīng)用于表面，這導(dǎo)致了眾所周知的設(shè)計(jì)方程
式。因此，表面構(gòu)造是實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)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(jì)從一系列井，到階
梯，彎曲或分形結(jié)構(gòu)中移開，那么簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方程就不再適用了。
５.一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是擴(kuò)散的好還是壞？
通過使用擴(kuò)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(kuò)散器可以有效地治療這些缺陷，一些科學(xué)研究也證明了這一點(diǎn)
。所以為什么不只是覆蓋整個(gè)聽覺
擴(kuò)散面？忽略建筑師可能會(huì)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(kuò)散對(duì)聲音產(chǎn)生的影響。有些人擔(dān)心這會(huì)消除早期反思
中存在的空間線索，導(dǎo)致不精確的聲音，但沒有人測(cè)量到這種效果。
Hann和Fricke22,23表明，在世界上最受贊譽(yù)的音樂廳中，表面擴(kuò)散指數(shù)（SDI）
是表面擴(kuò)散的全球定性表征，與聲學(xué)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(xiàng)工作需要進(jìn)一步確認(rèn)，許多人對(duì)這一發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度
，理由是測(cè)試方法和評(píng)估似乎太簡(jiǎn)單。
Chiles24研究了散射表面對(duì)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(chǎng)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(kuò)散器增加了
朝向舞臺(tái)的反向散射，降低了音樂廳后部的清晰度，因此對(duì)質(zhì)量可能有害。這項(xiàng)
工作需要進(jìn)一步擴(kuò)展，以觀察聲音的空間方面，如早期和晚期橫向能量，以及對(duì)
著色的影響。
Torres等[25]研究了在計(jì)算機(jī)模型中改變漫反射量并測(cè)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(chǎng)是使用只能大致模擬散射影響的計(jì)
算機(jī)模型進(jìn)行的，所以在考慮真實(shí)房間時(shí)很難從這項(xiàng)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(kuò)散和應(yīng)用哪里。在最近的RADS研討會(huì)（
國(guó)際室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)與科學(xué)研討會(huì)，日本，2004年）中，圓桌討論意味著許多人傾
向于“適度”的擴(kuò)散。然而，不清楚什么是適度擴(kuò)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(kuò)散器被發(fā)明，傳聞?wù)f這些表面引起了很大的吸收。由于它們
的性質(zhì)，施羅德擴(kuò)散器包含四分之一波長(zhǎng)的諧振結(jié)構(gòu)，因此可以預(yù)期在諧振頻率
處和周圍會(huì)發(fā)生一些吸收。然而，在一些文獻(xiàn)中報(bào)道的吸收系數(shù)大大超過了可歸
因于單獨(dú)的四分之一波共振的吸收系數(shù)。特別是藤原
測(cè)得的島崎26吸收系數(shù)在0.3?1之間
康明斯，Auletta和Suner 27測(cè)得的系數(shù)達(dá)到峰值約0.5。這些高吸收系數(shù)與商業(yè)
樣品測(cè)量的隨機(jī)入射吸收系數(shù)形成鮮明對(duì)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(kuò)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?yàn)橛捎谠诰肟诟浇母吡Ｗ铀俣榷l(fā)生過
量吸收。
７.擴(kuò)散器必須看起來丑嗎？
當(dāng)施羅德發(fā)明了他的漫步者時(shí)，他們就融入了當(dāng)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(dāng)今的風(fēng)格。但在這幾十年的時(shí)間里，口味已經(jīng)開
始了。建筑學(xué)已經(jīng)受到工程進(jìn)步的巨大影響，以便能夠構(gòu)建以前難以想像的形狀
。地標(biāo)建筑正在形成復(fù)雜的幾何形狀和彎曲形式。對(duì)許多人來說，施羅德漫步者
不再符合所需的風(fēng)格。幸運(yùn)的是
優(yōu)化12可以設(shè)計(jì)任意形狀的擴(kuò)散器，回應(yīng)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(fēng)格和諧相處的擴(kuò)
散器30。平坦漫步者甚至有發(fā)展，12可以滿足極簡(jiǎn)主義建筑師的想法;盡管這些
僅在當(dāng)前需要吸收的情況下才可用。
８.結(jié)論
聲學(xué)擴(kuò)散器在過去三十年間發(fā)生了很大變化。 有許多成功應(yīng)用的例子改善了各
種房間的聲學(xué)效果。 已經(jīng)了解了如何設(shè)計(jì)，測(cè)量和預(yù)測(cè)它們。 然而，仍然有相
當(dāng)多的研究。 在上個(gè)世紀(jì)，房間的設(shè)計(jì)從大多數(shù)優(yōu)先轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)
可以使用哪些科學(xué)和工程原理來最大限度地增加建立聲學(xué)成功空間的機(jī)會(huì)。 擴(kuò)
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(xué)
知識(shí)來避免不良和丑陋的擴(kuò)散器設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
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