音響調聲入門(八)－空間擴散處理

QRD二次餘數擴散器是一種數學上不重複的設計，其特徵是尺寸不同的“井深“，與不同的“井寬“，井的寬度決定了高頻性能，井的深度決定了低頻性能。

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音響調聲入門(八)－空間擴散處理2020-06-15   擴散是小房間聲學處理的絕佳工具。

對於以數學為基礎的聲學擴散設計還很年輕，僅發展了30年。

直到80年代才有商業提供的選項。

初期都是供應給禮堂/劇院的音響系統所用。

直到十幾年前，才針對小型房間的應用開發了更多的產品。

  什麼是擴散，擴散的原理是什麼？在各個相關領域裡，擴散有幾個定義。

例如：   擴散是物質從高濃度區域移動到低濃度區域的行為。

然而，聲音中的擴散或稱聲音擴散，是聲波的散射，從而降低了定位感。

  這兩個定義似乎很不相同，但實際上並沒有。

我們想一下，有一系列從牆上反射的聲波，它們會被集中向同一方向移動，並同時間到達。

牆壁上的反射音將在大約相同的時間，大約相同的方向到達聽眾位置。

以空間領域和時間領域來說，“集中度”仍然在空間域與時間域都完好無損。

  如果在牆壁平面上安裝擴散板，對相同的聲波發起作用，會發生什麼事？   大多數人會說，我們是在其他方向散射，而不是在直接反射的路徑上散射聲音。

這是事實，但並非全部。

一個良好的擴散不僅會改變反射音方向，甚至會在所有方向均勻的傳播。

僅將聲波分成兩個方向是不夠的。

我們已經有效地改變了房間中特定區域的聲波集中度。

擴散還有效地利用了初始波的強度，將其分配為各種反射，以使每個波不僅來自不同的方向，而且每個波的強度變弱，也不容易分辨，然而，在過程中，聲波中沒有損失任何能量。

  適當的擴散也會影響時域。

如果我們具有相同的波，並且它被均勻地反射到多個方向，各種聲波到達聽眾所必須經過的路徑及長度也會改變。

在聲音世界中，距離就是時間。

為簡單起見，我們可以說1英尺等於大約1毫秒的時間。

因此，如果我們將路徑更改為8種不同的路徑（實際上，還有很多路徑，但是為了便於理解，我們只看8條路徑），理想情況下，每條路徑都不同，這意味著它們會在8個不同的時間到達。

  同樣，我們正在稀釋聲音的強度，但這一次是在時間的領域而不是在空間上。

此外，這些不同的路徑長度，會導致反射次數的差異，以及和聲波帶來的空氣流量也不同，從而使每次反射的強度都不同。

因此，現在我們有8個反射音已被改變，並且在3個領域（時間，方向和強度）中都有所不同。

這使我們的耳朵和大腦更加難以準確地確定聲音的來源。

這完全符合缺乏音場定位的定義。

最終的結果是，我們欺騙了自己的大腦，認為房間比較大了，聲音更寬敞了。

    擴散的常見誤解   關於土法煉鋼提供擴散的方法有很多神話。

大多數根本沒有用或效果不佳，或僅在很窄的頻率範圍內有效。

例如書櫃，書櫃放書，書的深度隨機設置。

  首先，書的吸音性能比反射強，（除最高頻率以外）其次，隨機深度不會在可預測和可控制的區域上，產生隨機反射。

仔細計算的擴散寬度，高度，間距和形狀，可以確保它們在180度內產生平滑且均勻的聲波散射。

第三，如果沒有仔細計算的間距，由於各種反射產生的建設性和破壞性干涉的相互作用，可能會導致相關頻率的相位差。

實際上，書櫃聲音擴散的好處很少，反而，在頻率響應方面卻產生了更多問題。

  聆聽位置必須距離擴散很遠，才有效果嗎？   不完全是。

聆聽位置需要和擴散保持一定距離，來讓擴散發揮作用。

坐得太近，聲波是在離你比較遠的地方產生功能，裝了也是白裝，它們到達耳朵的時間差異也小。

會產生些許作用，但是效果並不理想！   空間需要很大，擴散才能有效？     不完全是。

每個房間都不一樣，較小的空間需要更多的吸音來控制低頻響應。

留下了較少的擴散空間。

但是，擴散仍然可以在房間高處有效，以幫助殺死[1]SlapEcho擊掌迴聲並控制房間（尤其是錄音室）中的[2]FluterEcho迴聲   [1]SlapEcho擊掌迴聲：靠近平面，例如：天花板，用力拍手，會聽到很急促的高頻率反射音，當音源音量大的時候，就會產生這個嚴重的問題，所以必須避免大面積的裸露硬質表面。

  [2]FluterEcho迴聲：兩個平行表面之間產生音源時，聲波會在兩個表面一直反覆反射，所造成的回音，也是我們不想聽見的。

  擴散的最佳位置   擴散的最佳位置取決於使用房間的使用目的和一些情況。

擴散可以用在 1)房間的高處，以消除擊掌迴聲。

2)房間的後部沿著側壁。

3)天花板上（代替吸音）等。

錄音室最常看到擴散的地方是後牆，但是，很多時候，那裡用吸音，反而可以消減後牆強勁的低音。

  控制室/聆聽室   在控制室/聆聽室中，設計目的為工程師提供準確的聽音環境，以進行聲音內容判讀來進行後製編輯的工作。

所有喇叭的位置和“最佳聆聽位置”都固定在這樣的房間中。

整個房間都以優化聆聽環境進行佈置，以確保準確性和無干擾。

當喇叭指向後牆壁時，會有很多反射音從後牆壁反射回我們的耳朵。

擴散是處理這些反射的一種有效方法。

但是我們應該採用哪種擴散方式呢？   因為知道聲音的來源，並且希望得到最大程度地擴散效果，聆聽室的後牆壁是[3]1D擴散的理想選擇。

這種類型的擴散可提供最大的總擴散面積。

     一維1D和二維2D擴散之間的差異是甚麼?   一維和二維擴散“那個更好？”沒有明確的答案。

事實上，一維和二維擴散之間的差異比人們想像的要微妙得多。

雖然可能更適合某種應用，但兩者之間有很多重疊之處，其中大部分取決於口味。

1D和2D擴散在許多情況下聽起來有些不同，並且不同的聽眾可能有不同的偏好。

最簡單的解釋是1D或2D告訴我們發生擴散的平面不同。

  1D擴散僅在一個平面上擴散(如果垂直安裝則為左/右擴散，如果水平安裝則為上/下擴散)。

擴散性能的圖表，是半圓柱形的。

  2D擴散會在兩個平面上擴散：也就是左/右上/下一起擴散。

二維擴散的性能圖是半球形的。

    請注意，半圓筒比相同大小的半球具有更大的體積。

儘管擴散僅限於一個平面，但一維擴散實際上比二維擴散效率更高，並且產生的總擴散更多。

另一方面，2D擴散具有較多的吸音性（所有擴散也具有少量吸音功能）。

  應用範例：直播室   直播室是在現場收音並上傳到網路播放的空間。

有固定的聲源位置，也有自己的麥克風設置。

由於反射聲音可能來自房間的任何地方，因此直播室的天花板非常適合進行2D擴散。

儘管2D擴散的總量可能較少，但在應用中，無論房間中放置的樂器和麥克風如何，它的性能都很好，使用2D擴散來說具有優勢。

    對音場有幫助？   直播室希望能創造現場感，但是仍需要控制殘響衰減時間。

擴散可以幫助消除迴聲，並產生不錯的大音場，又不會破壞過多的現場感。

它是透過聲音傳播來實現的，會移動更多的空氣，並從更多的表面反彈，因此，降低了聲音的強度。

對於衰減時間控制，擴散將與寬帶吸音結合使用。

在建築聲學中，擴散是指聲能在某個環境中的均勻分佈。

完全擴散的聲音空間是：在任何聆聽位置的殘響時間都相同。

大多數內部空間都是非擴散性的。

整個房間的殘響時間明顯不同。

在低頻範圍會遭受稱為房間模式RoomMode的共振之苦。

  擴散處理迴聲   擴散用於處理房間中的聲音，例如迴聲。

它們是吸音處理的極佳替代品或補充品，因為它們不會削減聲能，確可有效減少明顯的迴聲和反射，同時保留一個活躍的聲音空間。

與原來將大部分能量以等於入射角的角度反射出去的反射面相比，擴散會將聲能往多個方向輻射，使聲能空間擴散性更大。

擴散在時間上和空間上反射傳播也很重要。

擴散可以幫助聲音擴散，但是，這不是使用它們的主要原因。

它們更常用於消除聲音染色和迴聲。

  擴散有多種形狀和材料。

ManfredR.Schroeders在1970年代發明了[4]Numbertheory 數論擴散，現代擴散的誕生，就是因為ManfredR.Schroeders的研究。

發展出來的二次餘數擴散也稱為Schroeders擴散。

    數論NumberTheory：   數論是純數學的一個分支，主要致力於整數和整數值函數的研究。

德國數學家CarlFriedrichGauss說：“數學是科學的女王，而數論是數學的女王。

”數論學家研究質數以及由整數組成物質的特性。

  二次餘數擴散Quadratic-ResidueDiffusors     1000Hz二次餘數擴散 QRD二次餘數擴散器是一種數學上不重複的設計，其特徵是尺寸不同的“井深“，與不同的“井寬“，井的寬度決定了高頻性能，井的深度決定了低頻性能。

  QRD二次餘數擴散器的目的是： （1）將聲能均勻地擴散回空間中（保持相似的能量） （2）稀釋反射音的相位成分，減輕梳狀濾波的效應（深度的變化=時間的變化=相位響應的變化）。

  就頻率響應而言，優質的QRD擴散效果可低至400-500Hz。

  QRD二次餘數擴散器確實擁有自己的聲音特質：溫暖，無方向性，聲音具有凝聚力。

即使在一個QRD二次餘數擴散器一兩幾公尺前的位置，演奏民謠吉他，聽起來感覺吉他比較大。

  二次餘數擴散器在控制室的經典應用是裝在後牆。

首先，從聆聽位置到後牆的最小距離必須為2.4米(一般要求)，以實現QRD的效果。

使用至少覆蓋2平方公尺的擴散，可以提高聆聽位置的最佳聽音效果：甚至可以自由地左右/前後移動，可聽到中/高頻響應一致的內容。

控制室後半部任何較大的裸露側壁和天花板表面都是裝設擴散的目標。

總的來說，QRD是更好的選擇，與吸音相結合，可以將聲音能量完美的引導至聆聽位置。

  原根擴散Primitive-rootDiffusors    原根擴散基於原根的數論序列。

儘管它們會在散射響應中產生一個缺口，但該缺口的帶寬太窄而無法使用。

在性能方面，它們與二次殘留擴散非常相似。

  二維（半球形）擴散Two-Dimensional(hemispherical)Diffusors   使用QRD方法的2D聲擴散示例   像大多數擴散一樣，二維擴散的設計是在“小房間裡產生大音場”，是以半球形的方式散射聲音。

這是透過創立一個格框來完成的，格框的空腔深度可變。

這種擴散對於控制擴散的方向非常有幫助，特別是在錄音室和控制室中。

  另一種設計是在每個表面上放置擴散來使每個反射音(除了地板以外)擴散出來，使密集的反射音全都降低了音量。

房間大部分區域，反射音音量都比直接音低至少20dB。

  房間大部分區域，反射音音量都比直接音低至少20dB。

  每個表面都覆蓋有擴散。

房間含有殘響的情況下，以聆聽者的角度來看，聲音是從牆上的所有位置傳來(不再是從牆上的某個點傳來)，這些聲音擴散的路徑都和反射音路徑不同，距離也比較長。

擴散音的振幅也低，不會對立體音像產生影響，音染也會大大減少，使頻率響應平順(由於擴散的聲音中存在多種時間延遲導致的結果)，在最佳聽音位置之外，不太會有聚焦效果，所以，離開最佳聽音點產生的音響品質降級現象，會比較趨緩。

擴散的能量是以半球形的方式散佈出去，這就是擴散取代吸音也會有幫助的原因。

  在實用性方面，大量的使用擴散，很難在家庭工作室中實現。

擴散的深度至少應為四分之一波長才能完全有效，要實現400Hz以上的擴散效果，必需要在整個房間牆面周圍安裝約21cm厚的擴散，才能達到。

為了擴散低音頻率，擴散器必須更深，建築物也必須非常堅固，以承受擴散的重量。

  聲音速度343m/400Hz=波長0.8575m， 四分之一波長0.8575m/4=0.2144m     擴散可在不吸收反射音的情況下進行音場處理，因此可以在房間中保留一些生氣。

擴散還可以為您的房間聲學效果增添通風感和音樂感。

後壁距離聆聽位置至少3米，使用擴散才有意義。

  專業的錄音控制室在後壁使用厚重的低音吸收材料。

許多人在頂部加裝擴散處理較高的頻率，從加了寬敞的空間感。

通過這種方式，您可以吸收低音反射，而又不會讓房間變得死氣沉沉。

  擴散添加到HIFI聆聽室的後壁，以保持中高頻能量。

此處的擴散是可選的，因為後壁已裝上厚的寬帶吸音處理。

在這種情況下，可以選擇使用或不使用擴散，全依您收聽的音樂而定。

擴射會增加一些空間和包圍感，並可能有助於平衡整個頻譜的衰減時間。

  在HIFI聆聽室中，後壁和前壁上的擴散都很常見。

這給人一種幻覺，就是牆壁被推開，房間感覺更大。

  在家庭影院中，絕對建議結合吸音和擴散。

後壁和天花板上的擴散很普遍。

或者，可以在後牆上使用QRD擴散。

它是RPG的QRD擴散，可在整個音頻頻譜中提供寬帶擴散。

  擴散的音場可以為房間增添生動活潑的音樂品質。

在HIFI聆聽室和家庭影院中通常需要這樣做。

  在任何特定的表面上，都可以選擇是否使用吸音來消除反射音，或使用擴散來擴散聲音。

如何選擇，部分取決於房間中所需的殘響量，它決定了空間周圍可以使用的吸音總量，因此會限制裝多少塊吸音面板。

為了最大程度地減少所需的吸音量，應使聆聽區域盡可能小，因為較大的無反射量需要較大的吸音量。

  在表面上使用吸音和擴散的比率，也會影響音像的大小。

如果使用吸音來消除早期反射音(尤其是在揚聲器附近)，則音響舞台音場的聲音圖像將變小，聲音就像來自空間中的某個點。

如果使用擴散器，則聲音圖像可能會比較寬，像典型的家庭聆聽環境。

  擴散反射音的振幅足夠低，不會對立體音像產生影響，音染也會大大減少。

這是由於振幅降低，和頻率響應的平順所致(由於擴散反射的聲音中存在多種時間延遲導致的結果)。

事實上，擴散反射的型態，在最佳聽音位置之外不會有聚焦效果，離開最佳聽音點產生的音響品質降級，會比較趨緩。

  在實用性方面，所有這些方法都使用大量的擴散，因此很難在家庭工作室中實現。

擴散的深度至少應為四分之一波長才能完全有效，必需要在整個房間牆面周圍安裝約20cm深的擴散才能實現低至500Hz以上的頻率達到擴散的效果。

為了擴散低音頻率，擴散器必須更深，建築物也必須非常堅固，以承受擴散的重量。

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