音響調聲入門(八)
空間擴散處理

從QRD二次餘數擴散到1D/2D擴散,小房間也能做出大音場

擴散是小房間聲學處理的絕佳工具。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、劇院音響系統所用;直到十幾年前,才針對小型房間的應用開發出更多產品。這篇文章帶你了解擴散的原理、常見迷思,以及在不同空間中的實際應用方式。

PART 01

什麼是擴散?原理是什麼?

擴散在各個相關領域有不同定義。以物理來說,擴散是物質從高濃度區域移動到低濃度區域的行為;而聲音中的擴散,則是聲波的散射,從而降低了定位感。這兩個定義看似不同,但其實道理相通。想像一系列從牆上反射的聲波,若它們集中向同一方向移動、同時到達聽眾位置,那麼「集中度」在空間域與時間域都完好無損。

適當的擴散也會影響時域。若同一道波被均勻反射到多個方向,各聲波抵達聽眾所經路徑的長度也會改變——在聲音的世界裡,距離就是時間(約 1 英尺等於 1 毫秒)。假設路徑被改變成 8 種不同長度,理想情況下每條路徑都不同,就意味著它們會在 8 個不同的時間到達,同時強度也因反射次數與空氣流量而各異。

因此,經過擴散的反射音在時間、方向、強度三個層面都已被改變,這讓耳朵和大腦更難準確判斷聲音來源,完全符合「缺乏音場定位」的定義。最終結果是:我們欺騙了自己的大腦,讓房間感覺比較大、聲音更寬敞。

PART 02

擴散的常見誤解

關於土法煉鋼提供擴散的方法有很多迷思,大多數根本沒有用、效果不佳,或僅在很窄的頻率範圍內有效。最常見的例子是書櫃——把書隨機插放,深度不一。

PART 03

兩個常見疑問

聆聽位置必須離擴散很遠,才有效果嗎?

不完全是,但聆聽位置需要和擴散保持一定距離才能發揮作用。坐得太近,聲波抵達耳朵的時間差異也小,擴散裝了也發揮不了太多作用。

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吸音來控制低頻響應,留給擴散的空間也較少。但擴散仍可在房間高處有效,幫助消除擊掌迴聲(Slap Echo),並控制錄音室中常見的顫動迴聲(Flutter Echo)。

PART 04

擴散的最佳位置

擴散的最佳位置取決於房間的使用目的。常見的應用位置包括:房間高處(消除擊掌迴聲)、房間後部沿著側壁,以及天花板(代替吸音)等。錄音室最常見到擴散的地方是後牆,但很多時候,那裡改用吸音反而能消減後牆強勁的低音。

在控制室/聆聽室中,設計目的是為工程師提供準確的聽音環境,以進行聲音判讀與後製。所有喇叭位置和「最佳聆聽位置」都固定,當喇叭指向後牆時,會有大量反射音回彈至耳朵——擴散是處理這些反射的有效方法。因為聲源位置已知,且希望達到最大擴散效果,聆聽室後牆是1D 擴散的理想選擇,能提供最大的總擴散面積。

1D 與 2D 擴散的差異是什麼?兩者之間「哪個更好」沒有明確答案,差異比想像中微妙,重疊之處也很多,選擇多半取決於口味。1D 擴散僅在一個平面上擴散(垂直安裝為左右擴散、水平安裝為上下擴散),其性能圖是半圓柱形;2D 擴散則在左右、上下兩個平面一起擴散,性能圖是半球形。

值得注意的是,半圓筒比相同大小的半球具有更大體積。儘管 1D 擴散僅限一個平面,但實際上比 2D 擴散效率更高、產生的總擴散量更多;另一方面,2D 擴散則具有較多的吸音性(所有擴散也都具有少量吸音功能)。

PART 05

應用範例:直播室

直播室是現場收音並上傳到網路播放的空間,有固定的聲源位置與麥克風設置。由於反射音可能來自房間任何角落,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,但無論房間中放置的樂器與麥克風如何配置,它的性能都相對穩定,在這類應用上具有明顯優勢。

直播室希望創造現場感,但仍需控制殘響衰減時間。擴散能幫助消除迴聲、產生不錯的大音場,又不會破壞過多的現場感——它透過聲音傳播移動更多空氣,並從更多表面反彈,藉此降低聲音強度。對於衰減時間控制,擴散通常會與寬帶吸音結合使用。在建築聲學中,完全擴散的聲音空間指的是任何聆聽位置的殘響時間都相同,但大多數內部空間其實是非擴散性的,整個房間的殘響時間差異明顯,低頻範圍還會遭受房間模式(Room Mode)共振之苦。

擴散是吸音處理的極佳替代品或補充品,因為它不會削減聲能,卻能有效減少明顯的迴聲和反射,同時保留活躍的聲音空間。相較於一般反射面把大部分能量以等於入射角的角度反射出去,擴散會把聲能往多個方向輻射,讓聲音的傳播在時間與空間上都更分散——這才是使用擴散的主要目的,而非單純消除聲音染色和迴聲。

PART 06

數論擴散與 QRD 二次餘數擴散器

擴散有多種形狀與材料。德國數學家 Manfred R. Schroeder 在 1970 年代發明了數論(Number Theory)擴散,現代擴散設計正是源自於他的研究,由此發展出的二次餘數擴散,也稱為 Schroeder 擴散。

數論是純數學的一個分支,主要研究整數與整數值函數。德國數學家高斯(Carl Friedrich Gauss)曾說:「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,以及由整數組成的物質特性。

QRD 二次餘數擴散器(Quadratic-Residue Diffusors)是一種數學上不重複的設計,特徵是尺寸不同的「井深」與「井寬」——井寬決定高頻性能,井深決定低頻性能。

1000Hz 二次餘數擴散

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。即使在距離擴散器一兩公尺前演奏民謠吉他,聽起來也會感覺吉他比較「大」。

PART 07

原根擴散與二維擴散

原根擴散(Primitive-root Diffusors)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,但該缺口帶寬太窄而無法實際使用,性能表現與二次餘數擴散相當接近。

像大多數擴散一樣,二維擴散(Two-Dimensional Diffusors)的設計目標是「在小房間裡產生大音場」,以半球形的方式散射聲音,透過建立一個空腔深度可變的格框來達成。這種擴散對於控制擴散方向非常有幫助,特別適合錄音室與控制室。另一種設計則是在每個表面(地板除外)放置擴散,使密集的反射音全部降低音量。

房間大部分區域,反射音音量都比直接音低至少 20dB

當每個表面都覆蓋擴散、房間含有殘響時,從聆聽者角度來看,聲音是從牆上所有位置傳來(而非某個點),這些擴散路徑與反射音路徑不同、距離也更長。擴散音的振幅較低,不會影響立體音像,音染也大幅減少,頻率響應更平順;在最佳聽音位置之外,聚焦效果較弱,離開最佳聽音點時的音質降級也會比較和緩。擴散的能量以半球形方式散佈出去,這正是擴散能取代吸音的原因所在。

PART 08

實務應用:擴散器的厚度該多少?

在實用性方面,大量使用擴散很難在家庭工作室中實現。擴散的深度至少須為四分之一波長才能完全有效——要達到 400Hz 以上的擴散效果,需要在整個房間牆面周圍安裝約 21 公分厚的擴散;若要擴散更低的頻率,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。

擴散可在不吸收反射音的情況下進行音場處理,因此能為房間保留一些生氣,同時增添通風感與音樂感。後牆距離聆聽位置至少 3 米,使用擴散才有實質意義。

PART 09

不同空間的擴散應用整理

在任何特定表面上,是否選用吸音來消除反射音,或使用擴散來擴散聲音,部分取決於房間所需的殘響量,這也決定了空間周圍可使用的吸音總量。為了最大程度減少所需的吸音量,應盡可能縮小聆聽區域,因為較大的無反射量需要較大的吸音量。表面上吸音與擴散的比率,同樣會影響音像大小:若用吸音消除早期反射(尤其在喇叭附近),音場的聲音圖像會變小,聲音像是來自空間中的某個點;若使用擴散器,聲音圖像則會較寬,更接近典型的家庭聆聽環境。

打造更精準的聲學空間

從擴散板、低音陷阱到聲學測量方案,台灣高空提供完整的房間聲學處理建議

本文整理聲學擴散的基本原理、常見迷思與空間應用方式,實際處理效果仍建議依房間條件搭配聲學測量調整。