关于扩散器的声学研究所学报
2017-7-11 16:56:44
诺声声学
在声学领域里，我们怎样理解扩散器呢？诺声小编与大家一起来学习声学
研究所的学报，关于扩散器。
1.抽象
现代声学扩散器有吸引评论的能力，有人说听起来不错，有的说听起来不好听;
一些设计看起来很漂亮，而另外一些则是丑陋的。正确扩散的适当数量被认为有
助于壮观的声学，太多的“错误”扩散被归咎于毁坏一个大厅，而另一个大厅的
缺乏散射是对声音不良造成的。怎么会有这么多矛盾？这只是个人品味的问题，
还是有一些潜在的物理和心理声学需要更好的理解？自从施罗德从最大长度序列
出版了关于漫反射的创新论文已经差不多30年了，尽管自那时以来已经有了大量
的研究工作，关于什么时候和为什么要使用扩散器以及什么样的表面应该被使用
的问题仍然是完全的回答。在本文中，将探讨围绕扩散器应用的一些神话。将介
绍设计中的现有技术状态，并提出需要回答的未来问题。
2.介绍
几个世纪以来，建筑风格已经改变，导致室内设计的视觉变化，导致房间声学的
物理变化。 在二十世纪建成的大宫殿和音乐厅中，雕像，救援工作和其他装饰
曾经是常见的，提供充足的表面散射，并且可能是更加漫散的声场。 这种风格
在二十世纪被更简单的外观所取代。 许多会议室和二十世纪的房间都包含较大
的平坦表面，反过来又会导致更多的镜面反射和更少的漫反射。 还有一个建议
，即二十世纪工程精度更高，因此，这些平坦的区域比手工制作的旧建筑变得更
加精确，导致更严格的镜面反射。
在上世纪末期，对音乐厅内散射表面的使用似乎越来越受到关注。 当然，听力
和演播室控制室的使用肯定是爆炸式的。 一个催化剂是施罗德的扩散器1的开创
性设计，如二次剩余扩散器（QRD）2，这使得声学家设计了具有已知声学特性的
扩散器的可能性。 由马歇尔和海德在迈克尔福勒中心成功应用这些扩散器进一
步得到了帮助.D'Antonio5的工作，他们利用小房间的设计来利用诸如Live End
Dead End（LEDE ?）6和反射自由区（RFZ?）7。
与实践者的非正式对话表明，扩散器无论是存在还是不存在，有时被认为是空间
声学效果未达到预期的原因。 由于这些意见通常没有通过使用测试陪审团的心
理测量和科学的方法来证实，而是简单的个人意见，尽管是公认的专家，这是很
难知道的。 科学的方法很少被用来研究扩散器对声音传播的影响和对声音的感
知，所以很难给出扩散器的价值的确凿证据。 由于这个原因，设计师倾向于退
缩直觉和优先。 然而，扩散器在特定空间中是否有效的原因之一可能是因为某
些看起来像扩散器的东西，不具有声音扩散器的特征。
３.２一个表面是一个扩散器？
虽然这可能似乎是一个相当棘手的问题，但重要的是这是明确的定义，因为目前
一些声称是扩散的表面其实不是。 如果人们会抱怨扩散器破坏大厅，重要的是
要清楚所使用的是真正的扩散器。 不是所有的波纹表面都是适当的扩散器。
３.１时空散布
施罗德的原始作品检查了扩散器产生的声音的空间分散。 检查极地反应以观察
声音在特定频率下如何分布到栅瓣中。 从那时起，这些方法已经发展到三分之
一倍频程8中所有方向的空间分散。
空间分散是检查观众和舞台区域的覆盖面时的一个有用的概念，但通常使用扩散
器来处理大厅某些位置的缺陷，特别是着色和回声9。 在诸如演播室监视室的小
空间中尤其如此，在那里使用漫射器
抑制强烈的一级反射。 如果使用扩散器来处理着色（例如，梳状滤波），则需
要空间和时间分散要考虑。 例如，图1和图2显示了从单个半圆柱体散射的时间
和频率响应。 单个半圆柱体产生优异的空间色散，但是从图1可以看出，没有时
间色散。 因此，由于两个声音之间的相似性，组合的入射和反射声音的频率响
应显示梳状滤波响应。 这可能是为什么半圆柱体的声音不喜欢的原因。 唯一的
研究来看这个科学地是Lee10的一个小规模的研究，他得出结论调制表面优于那些
来自简单曲面的曲面。因此，良好的漫射器需要产生空间和时间分散。
虽然Schroeder漫射器可以纯粹用于其空间散射特性来设计，但由于其复
杂的几何形状（假设周期宽度足够宽），它自然会产生时间色散。 在半圆柱体
的情况下，将它们排列在周期性阵列中可能不足以分散时间响应，并且可能需要
某种形式的随机排列。
突出空间和时间分散差异的另一个关键应用是阶段贝壳。 阶段的侧壁和后壁有
时是平的，有时具有漫射面。 虽然有证据表明扩散阶段炮弹是有用的11，但许
多从业者仍然倾向平坦的表面。
架空檐篷也可以有平面或曲面。 考虑到一个开放面积很小的舞台，这在美国可
能比欧洲更常见。 一个有趣的误解是，这种空间扩散是由架空扩散器产生的，
这在这种情况下是唯一重要的。 在平坦的大平面上，没有明显的间隙，在舞台
上的两点之间获得镜面反射并不困难。 因此，扩散器提供的空间散布不是有用
的，因为在舞台上的所有位置反射的声能可能是足够的。 然而，重要的是存在
时间散布，去除强阵列反射和直接声音之间的干涉而产生的强梳状滤波。 这种
梳理过滤将使音乐家难以创造出良好的音调。
3.2特殊原则：扩散器？
由金字塔或三角棱镜制成的表面凹凸具有有趣的声学特性，取决于表面的两侧角
度，该表面的反射可以是镜面的，集中在几个主瓣方向上或分散12。 当问题
考虑到这些表面的周期性布置，图像变得更加复杂。
一些三角棱镜受到阶梯式房屋的待遇的青睐。 但是，为三角形选择的角度使得
空间和时间色散通常受到限制。 例如，图4示出了具有30o侧角的三角形棱镜的
散射。 在这种情况下，产生的是两个侧向传播的波瓣，并且这不是设计者想要
的分散模式。科学论文已经出现在这样的表面被描述为扩散器，这是误导的。
３.３重复距离太小
近年来，已经开发了许多用于扩展扩散器的重复距离的方法。如果漫射器的目的
是以倾斜角度产生反射能量，漫射器必须具有大于需要散射的最低频率的波长的
周期宽度（或重复距离）。对于具有等于波长的宽度的周期性器件意味着在90°
，0°和90°（相对于表面法线）的方向上产生三个反射波瓣。一些所谓的扩散
器在预期的带宽上不产生显着的散射，因为已经假设带宽由扩散器深度限定，并
且不考虑周期宽度。
高桥和高桥14调查了三角棱镜周期的可听性。他们得出结论，周期性的影响是可
听见的，但需要更多的工作来检查更有效的扩散器，并将答案翻译成可用的设计
指南
３.４稀疏磨砂机
重复距离的另一个问题是，它可以导致频率带宽，其中只有几个方向指向少量的
波瓣。一个例子如图5所示。所以如果这个扩散器被用来
处理回波问题，正在实现镜面反射波瓣的标称降低5dB，这可能不足以消除回波
。所示的情况是波长与周期宽度相同的大小的顺序。
理想情况下，周期宽度应该比波长大很多倍，所以要么是大量的波瓣存在，要么
没有周期性，因此根本没有波瓣。
为了允许重复距离的扩展，而不需要制造单个大的表面元件，已经设计了从几个
基本形状实现大面积覆盖的调制方案。安格斯在这方面的早期工作集中
在施罗德漫步者15,16。二
使用不同的施罗德扩散器，例如一个是N = 5个QRD，另一个是N = 7个QRD。然后
布置这些扩散器，扩散器的顺序由具有良好的非周期自相关特性的伪随机数序列
确定，以使周期效应最小化。如果可以使用单个不对称基底形状，则可以使用原
始根序列来实现制造更有效。
该方法还可以扩展到挤出和多维曲面17，如图6所示。
是一个QRD DIFFUSER独特的魔术？
似乎有一个围绕QRD的神秘面，假设这些表面产生独特的魔法反射特性，这是不
能通过任何其他表面轮廓实现的。的确，快速搜索
互联网显示，制造扩散器的大多数公司在其目录中都有数字理论设计。
自从施罗德扩散器的发明以来，已经出版了许多论文来展示设计中的弱点，并且
通常提供了解决问题的方案。
这些在参考文献12和18中进行了审查。问题包括：
临界或平板频率，其表面的行为像平板，不产生分散;
狭窄扩散器的性能受周期宽度限制 - 见上文;织物覆盖不良的扩散器或扩散器可
以吸收;在离散频率下的最佳扩散与宽带宽上的最佳扩散不同;
所有具有相同能量的光栅叶不同于在所有方向上均匀散射，除非有大量的裂片。
该列表不包括其他滥用该概念的信息，例如不了解二次余数序列是什么。从一个
网站引用：
“**********是一种高性能二次余数扩散器，采用了一系列具有特定深度的15个
孔来分解和散射声能。
二次余数设计必须基于素数，否则根据最低因素不同于扩散器，在这种情况下为
3。5.甚至陌生人，网站上的扩散器的图片显示它有16个井！
多年来，一些从业者一直批评数理论扩散器的安排所产生的声音。然而，这些批
评通常集中在最简单的低N设计上，并且忽略了多年来对表面散射能力的了解甚
多的事实。也许被听到的文物是由于临界频率或周期性波瓣？不幸的是，由于这
些观察结果没有得到科学方法的调查支持，所以很难得出结论。甚至不知道其他
人能否听到这些文物？
但是要回到这个部分的问题，QRD是一个独特的表面，是否真的没有其他设计可
以一样好？答案当然不是。施罗德的创造力是设计一个可以在设计中使用数学原
理的表面。通过将表面设置为一系列孔，扩散器可以被建模为具有变化阻抗的平
坦表面。这使得一些相对简单的数学应用于表面，这导致了众所周知的设计方程
式。因此，表面构造是实现数学目的的方便，它不能产生散射。任何波纹表面都
有分解反射波前的可能性，从而产生散射。问题是，一旦设计从一系列井，到阶
梯，弯曲或分形结构中移开，那么简单的设计方程就不再适用了。
５.一个标准是扩散的好还是坏？
通过使用扩散器可以消除诸如图像偏移，着色和回波的声像差。从优先考虑，有
足够的证据表明扩散器可以有效地治疗这些缺陷，一些科学研究也证明了这一点
。所以为什么不只是覆盖整个听觉
扩散面？忽略建筑师可能会想到的概念和成本，现在人们可以得出的结论是，很
少有数据说出包含大规模扩散对声音产生的影响。有些人担心这会消除早期反思
中存在的空间线索，导致不精确的声音，但没有人测量到这种效果。
Hann和Fricke22,23表明，在世界上最受赞誉的音乐厅中，表面扩散指数（SDI）
是表面扩散的全球定性表征，与声学质量指数（AQI）非常相关。 SDI从表面粗
糙度的目视检查确定。这项工作需要进一步确认，许多人对这一发现持怀疑态度
，理由是测试方法和评估似乎太简单。
Chiles24研究了散射表面对音乐厅单声道措施的影响。他发现，添加散射表面使
声场更加漫散，最有效的方法是在大厅的前面或后面。向侧墙添加扩散器增加了
朝向舞台的反向散射，降低了音乐厅后部的清晰度，因此对质量可能有害。这项
工作需要进一步扩展，以观察声音的空间方面，如早期和晚期横向能量，以及对
着色的影响。
Torres等[25]研究了在计算机模型中改变漫反射量并测试变化的可听性。他们发
现漫反射量的变化是可听见的，但是由于声场是使用只能大致模拟散射影响的计
算机模型进行的，所以在考虑真实房间时很难从这项工作得出更多的结论。
因此，需要更多的研究来调查需要多少扩散和应用哪里。在最近的RADS研讨会（
国际室内声学设计与科学研讨会，日本，2004年）中，圆桌讨论意味着许多人倾
向于“适度”的扩散。然而，不清楚什么是适度扩散的意思。这是否意味着适度
的散射，但是在宽带宽上？或者是否意味着中等的表面波纹，这意味着只有高于
中频的显着散射？
６.分歧引起不利因素？
不久之后，施罗德扩散器被发明，传闻说这些表面引起了很大的吸收。由于它们
的性质，施罗德扩散器包含四分之一波长的谐振结构，因此可以预期在谐振频率
处和周围会发生一些吸收。然而，在一些文献中报道的吸收系数大大超过了可归
因于单独的四分之一波共振的吸收系数。特别是藤原
测得的岛崎26吸收系数在0.3?1之间
康明斯，Auletta和Suner 27测得的系数达到峰值约0.5。这些高吸收系数与商业
样品测量的随机入射吸收系数形成鲜明对比28。矛盾可能是由施工质量来解释的
。 Fujiwara29后来的出版物显示，他早期出版物中看到的过度吸收是由于施工
不良造成的。
如果Schroeder扩散器密封良好并由非吸收材料制成，则没有理由吸收过大。然
而，表面不被覆盖是非常重要的，因为由于在井入口附近的高粒子速度而发生过
量吸收。
７.扩散器必须看起来丑吗？
当施罗德发明了他的漫步者时，他们就融入了当今的一些艺术潮流。以抽象为前
提，翅片和井形成的元素符合当今的风格。但在这几十年的时间里，口味已经开
始了。建筑学已经受到工程进步的巨大影响，以便能够构建以前难以想像的形状
。地标建筑正在形成复杂的几何形状和弯曲形式。对许多人来说，施罗德漫步者
不再符合所需的风格。幸运的是
优化12可以设计任意形状的扩散器，回应能力
的建筑师似乎与任何形状的建筑工作。通常可以创造出与建筑风格和谐相处的扩
散器30。平坦漫步者甚至有发展，12可以满足极简主义建筑师的想法;尽管这些
仅在当前需要吸收的情况下才可用。
８.结论
声学扩散器在过去三十年间发生了很大变化。 有许多成功应用的例子改善了各
种房间的声学效果。 已经了解了如何设计，测量和预测它们。 然而，仍然有相
当多的研究。 在上个世纪，房间的设计从大多数优先转变为系统
可以使用哪些科学和工程原理来最大限度地增加建立声学成功空间的机会。 扩
散器开发的故事是沿着同样的道路。 希望在不久的将来，可以使用优质的科学
知识来避免不良和丑陋的扩散器设计和应用。
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