高校多媒體教室的聲場環(huán)境和改善措施

付燦黎

【摘要】以改善教學(xué)環(huán)境為目的，以改善室內(nèi)聲場環(huán)境為手段，通過分析室內(nèi)聲場及室內(nèi)聽聞環(huán)境的評價參數(shù)，指出以減小混響時間和均衡聲壓級分布為聲學(xué)目標(biāo)，合理運用吸聲體與擴(kuò)散體，合理選擇和布置音響設(shè)備，根據(jù)不同的教室用途，采取具有針對性的綜合措施。

【關(guān)鍵詞】 聲場;頻率;聲壓級;噪聲;聽聞環(huán)境;窗簾;穿孔板;音箱

近年來，許多高校教室都普遍建成了多媒體教室。在使用和管理過程中，教室的聲場環(huán)境問題愈發(fā)凸顯，如何改善室內(nèi)聲場？怎樣選擇和安裝音響設(shè)備？這些都是我們需要解決的問題。

一、多媒體教室的聲場環(huán)境（聲學(xué)環(huán)境）

（一）室內(nèi)聲場。

（1）室內(nèi)聲場包括直達(dá)聲、早期反射聲和混響聲。直達(dá)聲和早期反射聲（也稱近次反射聲）通常被認(rèn)為是有益的。如果反射聲與直達(dá)聲的時間差較?。?.3s～0.5s），人的耳朵就無法區(qū)分，只能疊加在一起感受。 比直達(dá)聲晚到50ms以上的多次反射聲都稱為混響聲，人的耳朵能明顯感覺差異，而聽到清晰的回聲?；祉懧暤拇笮∨c房間的尺寸（及尺寸間的比例）和周圍界面的吸聲特性有關(guān)。

（2）聲音頻率。人耳能夠聽到的聲波頻率范圍很寬，大概是在20Hz ～20kHz之間。語音頻率在63Hz～8000Hz。人耳對于頻率在1000Hz～4000Hz的聲音較為敏感。漢語普通話的頻率范圍在63Hz～10000Hz， 英語和法語發(fā)音的最高頻率都在5000hz左右。

（3）聲壓與聲壓級。聲學(xué)中的聞閾聲壓是2Pa，稱作基準(zhǔn)聲壓，痛閾聲壓是20Pa。將聲壓采用對數(shù)標(biāo)度就是聲壓級 （單位是分貝dB）。為便于敘述，本文使用A聲級。

通常教師講課聲級范圍在40dB～80dB。有研究表明，聲壓級的最佳范圍為65dB ～75dB。語音里的中低頻聲是聲壓級的主要部分。

（4）簡正波與房間尺寸。房間內(nèi)往往會形成駐波（簡正波），對應(yīng)的頻率稱為簡正頻率。當(dāng)多個方向上的簡正頻率重疊時，會形成簡并。簡并會導(dǎo)致共振，還會造成頻率畸變（聲音失真），形成聲染色。聲染色一般發(fā)生在300Hz以下的低頻段。

許多時候，房間都是兩兩平行的六面體，墻壁和內(nèi)部材料的普遍吸聲系數(shù)較小，在使用寬頻段的音響設(shè)備時，容易產(chǎn)生簡正波和引發(fā)低頻顫動回聲。

簡正頻率與聲源無關(guān)，是一個房間的固有聲學(xué)特性，是假定封閉的幾何空間的物理特性。要盡量避免房間的各邊長之比為整數(shù)。通常認(rèn)為房間的長、寬、高之比，最好是“黃金比例”1.618：1：0.618，或5：3：2。至于要求邊長比為無理數(shù)，如比值為√2：3√2：1，顯然太不現(xiàn)實。

（二）對于多媒體教室而言，我們主要關(guān)注室內(nèi)聽聞環(huán)境。語言可懂度是評價室內(nèi)聽聞環(huán)境優(yōu)劣的一個主要指標(biāo)。其數(shù)值難以直接獲得，而是通過語言傳輸指數(shù)STI來間接得到。具體說來就是通過測量混響時間和信噪比，得到語言傳輸指數(shù)STI，進(jìn)而得到語言可懂度。

此外，輔音對于語言可懂度有非常重要的作用，籍仙榮等 就使用輔音清晰度損失率（AIC）作為語言可懂度的評價指標(biāo)。

（三）教室室內(nèi)聽聞環(huán)境的評價參數(shù)及目標(biāo)。

在實際評價室內(nèi)聽聞環(huán)境時，常用參數(shù)的有背景噪聲級（dB）、信噪比（dB）、混響時間（s） 。Bradley等認(rèn)為，影響教室內(nèi)聽聞環(huán)境最主要的因素還是信噪比和混響時間。

在背景噪聲級的聲源方面，有研究表明，師生活動噪聲是室內(nèi)的主要噪聲，上課時，室內(nèi)背景噪聲級達(dá)到了50.5dB。

一般可以滿意的信噪比為15dB ～25dB 。有較好聽聞環(huán)境的信噪比是大于12dB 。

有研究認(rèn)為中頻最佳混響時間為0.5s。宋擁民等研究認(rèn)為教室室內(nèi)最佳混響時間為0.6s（體積≤）。國家標(biāo)準(zhǔn)是0.9s，這數(shù)值明顯太大。

在對待混響時間的問題上，需要注意到教室和音樂廳堂的不同。教室的混響時間要盡量減小，以接近推薦范圍（0.5s～0.6s），而音樂廳堂一般不能小于1s。

綜上，我們的目標(biāo)就是降低背景噪聲，增大信噪比，增加早期反射聲，減小混響時間，盡量使聲壓級分布均勻。另外還要防止簡并和顫動回聲、減少室內(nèi)噪聲源、防止出現(xiàn)聲缺陷（如聲染色、聲聚焦、聲影等）。

（四）吸聲體與擴(kuò)散體。

（1）吸聲體。吸聲結(jié)構(gòu)中，微穿孔板已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。微穿孔板吸聲體能夠有效吸收實際上多余而且有害的那些中高頻聲。目前使用最多的是穿孔礦棉板。除了微穿孔板以外，還可以使用泡沫體或海綿體。

有研究顯示，人體及衣服能吸收大量的中高頻聲波，教室中坐滿學(xué)生時的混響時間會明顯下降。

教室中，窗簾就是一個很好的吸聲體，應(yīng)該加大窗簾的覆蓋面積，甚至沒有窗戶的地方也要懸掛窗簾（比如后墻）。還要增加褶皺程度，選用多孔及厚實的窗簾。以下提及的窗簾均按照這些要求。

在鋪設(shè)吸聲體時，我們應(yīng)該注意到房間尺寸，在長寬高三個方向上的尺度不同，由于高度方向的尺寸最短（如3.2m～4.5m），所以在與其垂直的平面上（頂棚和地板）鋪設(shè)吸聲體的效果最好。層高較高時，鋪設(shè)在頂棚的吸聲效果就不明顯，這時可以考慮在兩側(cè)鋪設(shè)吸聲體。

（2）擴(kuò)散體（反射板）。通過擴(kuò)散體（反射板）增加早期反射聲，可以提高早期聲能、減小混響時間。常見的反射板有低穿孔率的鋁合金板和二次余數(shù)擴(kuò)散體。

（五）室內(nèi)低頻聲的處理

在會議室中通過鋪設(shè)地毯等方式，增加聲音阻尼，可以大幅度的損耗低頻聲。對于普通多媒體教室，低頻聲的吸收總是很困難，那些能夠吸收低頻聲的共振結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)還不太實用。

聲波是機械波，低頻聲的波長較長，如100Hz的波長為3.4m。在缺乏有效阻尼和吸聲體的情況下，我們不能指望教室里的座椅板凳像不銹鋼那樣，在亞波長尺度都能對于電磁波具有著極大的耗散。

盡管可以開門開窗能釋放出一部分低頻聲，但又會造成教室間的相互影響。一個簡單易行的辦法是從聲源著手，就是不能讓低頻聲從音箱播放出來，特別是125Hz以下的。這不僅需要在處理聲音時對低頻段作適當(dāng)?shù)乃p（從-5dB到-20dB），而且播放時要使用小截面的音柱，不能使用全頻音箱，特別是大截面有超重低音的全頻音箱。盡管這會犧牲掉教學(xué)中多媒體內(nèi)容的低頻音質(zhì)，還會犧牲掉低頻聲對于聲壓級的貢獻(xiàn)，但這些都是為了改善室內(nèi)聲場環(huán)境而必須付出的代價。

（六）教室的門窗隔音。

除了室內(nèi)盡量避免產(chǎn)生低頻聲和活動噪聲以外，室外通道和隔壁教室就是一個很大的噪聲源。所以我們要非常重視門窗的隔音問題，做好門窗隔音就能有效的阻斷教室內(nèi)外相互的噪聲影響。

二、教室室內(nèi)聲場環(huán)境的重要性及其改造價值

有研究顯示，在室內(nèi)較大噪聲的干擾下，學(xué)生的大腦工作能力明顯下降，表現(xiàn)為容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)疲勞，作業(yè)能力下降、閱讀能力下降和記憶能力下降。對比實驗表明，在相對安靜的環(huán)境中學(xué)生的學(xué)習(xí)能力更強，成績更好。另外，有研究顯示，投資于改善室內(nèi)聲場環(huán)境具有很高的價值。

我們需要充分認(rèn)識到改善室內(nèi)聲場環(huán)境對于教學(xué)的極端重要性，針對不同用途的教室，科學(xué)分析，區(qū)別對待，綜合施策。

三、音響設(shè)備的合理選擇與布置

（一）音箱與功放的選擇。音箱盡量使用音柱而不是全頻音箱，以減少低頻污染，這也是教室區(qū)別于音樂廳堂的地方。音柱的聲音會感覺有些偏小。

為了配合音柱，功放在處理信號時，就要對低頻段作不同程度的衰減，特別是125Hz以下可以直接舍棄?？紤]到設(shè)備的其它用途，折衷的辦法是，功放正面的低音旋鈕可以保留，但在功放背部設(shè)置一個低頻硬開關(guān)。

在設(shè)備類型方面可以選擇教學(xué)音箱（以下說的音箱指的是音柱一類）。音箱總功率通常按教室面積1w/，功放功率按幾只音箱總功率的1.5倍選擇[6]，還可以再高一些，這才符合“大馬拉小車”的原則。當(dāng)然，這些都是估算，不同廠家的設(shè)備會有所區(qū)別 。

為了防止干擾，多媒體設(shè)備的中控和功放都要有良好的接地。

（二）音箱的布置。根據(jù)不同教室的聲壓級分布特點，音箱安裝位置要看教室的具體情況，一般安裝高度為1.8m～2m以上，左右等高但不能太高。要以面向教室中后部為主，適當(dāng)?shù)南騼?nèi)、向后、向下傾斜，左右兩邊音箱的軸線交叉，盡量使室內(nèi)各點聲壓級分布均勻，音量大小相當(dāng)[7]。我認(rèn)為，要同時滿足這些安裝要求，或許需要定制專門的音箱托架，而不能直接將其固定在兩邊的墻柱上。我注意到有部分廠家，采用了能做水平位置調(diào)節(jié)的安裝托架，但如果音箱不能向下傾斜，再加上位置較高，就會造成功率的浪費。

（三）嘯叫的防止。讓音箱向后離開講臺一段距離，就是要離開麥克風(fēng)且指向相反，以避免發(fā)生正反饋而嘯叫。另外，傳統(tǒng)的功放也都帶有防止嘯叫的功能，比如有的功放集成了移頻器和1/3倍頻的8路調(diào)音臺，通過移頻或衰減部分頻段信號來防止嘯叫，但這些都會導(dǎo)致聲音失真和需要手工調(diào)節(jié)。

（四）麥克風(fēng)。教室中常用的麥克風(fēng)有動圈式和電容式。動圈式麥克風(fēng)具有很好的指向性，需要適當(dāng)?shù)穆晧洪撝担艜叭÷曇?，因而具有一定防止嘯叫的能力，很耐用。電容式具有將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖罴言O(shè)計原理，能實現(xiàn)“原聲重現(xiàn)”，具有很高的靈敏度和瞬時響應(yīng)特性，多用于領(lǐng)夾式的無線話筒，比較結(jié)實。

麥克風(fēng)最好選用XLR接頭（卡儂接頭），其提供的信號能作為一種平衡信號、低阻信號接入中控。平衡信號具有很強的抗干擾能力。近些年來，中控還能為麥克風(fēng)提供48V幻相電源，從而很好的解決了麥克風(fēng)的供電問題。

（五）傳統(tǒng)設(shè)備在信號處理能力上的不足。除了兩頭，語音信號的輸入（麥克風(fēng)）和輸出（音箱）的效果有待改善，作為中間環(huán)節(jié)的信號處理，由于只有功放這一臺設(shè)備，明顯力不從心。

我們的要求很多，如對于低頻段的衰減，中高頻段的增益，較高頻段的衰減，還有適當(dāng)?shù)木獾鹊取问欠乐箛[叫的能力，其實讓人還難以放心。其音質(zhì)與調(diào)音臺—均衡器—反饋抑制器—功放這樣的基本組合差別較大。

（六）音量調(diào)節(jié)。為了便于控制音量，通常會在多媒體控制面板上設(shè)置調(diào)節(jié)按鈕，但這是在調(diào)節(jié)輸入電平，不利于后續(xù)信號的處理，我們更希望通過控制功放的輸出來調(diào)節(jié)。

（七）數(shù)字音頻設(shè)備。近年來，有的在講臺上方安裝吊裝式麥克風(fēng)，這是基于DSP（數(shù)字信號處理器）的數(shù)字音頻設(shè)備，由2個到4個駐極體組成的麥克風(fēng)陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)講臺8米以內(nèi)的大范圍拾音，甚至學(xué)生回答問題時的聲音，都能有效捕捉。

在音響設(shè)備的發(fā)展趨勢上，基于DSP的數(shù)字音頻設(shè)備正在逐步替代傳統(tǒng)設(shè)備，其具有強大的窄帶化和智能化的音頻處理能力，可以將以往多種音響設(shè)備的功能整合在一起，重點是我們?yōu)榱伺浜鲜覂?nèi)聲場環(huán)境，此前對于音響設(shè)備的種種要求可由其一體承擔(dān)。

話雖如此，但問題的復(fù)雜性在于，許多數(shù)字音頻設(shè)備表現(xiàn)出來的實際音質(zhì)，并沒有原來以為的那么好。

考慮到成本因素，對于傳統(tǒng)功放，一個折衷的辦法是，可以在功放之前接入一臺低配版的數(shù)字音頻設(shè)備，能夠自動進(jìn)行動態(tài)的反饋抑制和均衡頻帶，從而強化音頻處理能力。另外，還可以在增加的設(shè)備中通過適當(dāng)?shù)慕涌?，接入控制面板上的音量控制，這始終要比直接降低麥克風(fēng)的輸入電平要好。

四、改善教室室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境的綜合措施

（一）如前所述，由于小教室（體積≤）的空間較小，所以混響時間短，但回音現(xiàn)象明顯?？稍陧斉镤仢M穿孔礦棉板，不需要安裝反射板。一般講課不要使用麥克風(fēng)，音響設(shè)備的功率要小，播放時音量也要開得小。

從實際效果來看，對于普通多媒體教室，當(dāng)體積在～之間時，僅采取頂棚安裝穿孔礦棉板一項措施，就能夠起到很好的吸音效果。對于其它類型的教室，比如錄播室、語言實驗室、機房、模擬法庭等，也建議參照處理。

（二）階梯教室。對于120人至150人的階梯教室，可以采取如下措施：

（1）如果教室比較寬，可以考慮作矩形切角，如果不太寬，則不必切角。

（2）在講臺兩側(cè)安裝反射板，采用低穿孔率的鋁合金板，以增加早期反射聲，優(yōu)化早期聲壓級分布。這些反射板安裝在矩形切角面或兩側(cè)墻面，還可以傾斜安裝在講臺頂部，作用相同。

（3）在教室上方的中前部（靠近講臺一側(cè)）再增加反射板，背后（上面）填充玻璃棉氈。教室后墻頂部也要安裝傾斜的反射板，以加強教室后面的聲音級分布。在其它頂棚區(qū)域（主要是中后部）和后墻則鋪滿礦棉吸聲板。

（4）鋪設(shè)通道地毯。

（5）使用柔軟面質(zhì)的座椅。

（三）對于各類教室，都需要做好門窗的消音隔音，同時發(fā)揮窗簾的吸音作用，增加窗簾覆蓋范圍。

（四）注意各種散熱風(fēng)扇的噪聲。講臺上的多媒體設(shè)備通常會被集中在一個鐵皮柜子內(nèi)，電腦和功放的散熱風(fēng)扇（3～6個）組成了一個密集的低頻噪聲源。這就要求電腦的各風(fēng)扇均使用靜音風(fēng)扇。另外還有投影機散熱風(fēng)扇發(fā)出的噪聲，這些散熱風(fēng)扇都需要及時清理灰塵，防止噪聲過大。

（五）做好音響設(shè)備選擇的與布置。要使得室內(nèi)各點的聲壓級均勻，應(yīng)根據(jù)聲場環(huán)境，選擇合適的音響設(shè)備并合理布置。

五、結(jié)論

多媒體教室室內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境重要而且復(fù)雜，通過聲學(xué)分析，需要根據(jù)不同環(huán)境來選擇聲學(xué)材料，合理搭配，多措并舉，就能夠改善各種教室的聲學(xué)環(huán)境。

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