教室聲學(xué)環(huán)境的分析及改善

查雪琴，呂 豪

(1. 室內(nèi)聲學(xué)公益基金會，德國柏林14129；2. 深圳可朗聲科技有限公司，廣東深圳518000)

0 引 言

目前，我國有關(guān)教室混響時間的建議或規(guī)范，都只對中頻段(500 Hz、或 500～1 000 Hz)有要求[1]，而對于整個頻段的混響時間并未涉及。這種觀點形成的主要原因如下：

(1) 人耳的聽覺靈敏度特性。如等響度曲線ISO226[2]所示，人耳對低頻聲的靈敏度低于中頻和高頻。如要取得與1 000 Hz、聲壓級為60 dB的響度相同，則頻率63 Hz的聲壓級須達(dá)到約80 dB。這組熟知的等響度曲線是在不考慮“干擾噪聲”的條件下得出的。

(2) 根據(jù)語言分析的結(jié)論，決定語言清晰度的是輔音，而它們的能量主要分布在中、高頻。若要聽清楚語言聲，室內(nèi)的聲場特性只需控制好中、高頻即可。

以上兩點分析和結(jié)論固然不錯，但是絕對不能全面解決教室的室內(nèi)聲學(xué)問題。不能忽視有關(guān)人耳的聽覺和語言的能量以及其他的重要特性，從而失去建立教室優(yōu)秀聲學(xué)環(huán)境的重要控制因素?，F(xiàn)實中常因為忽視除以上兩因素外的其他特性，而在對教室聲學(xué)處理的原則上產(chǎn)生以下誤區(qū)：

誤解 1：聽覺的低頻靈敏度低，因此可以忽略抑制低頻噪聲。

人聲在低頻段仍有較多的能量[3]。盡管受聽覺靈敏度的影響，這些低頻聲在聽音時聽覺感受不明顯，但是這些語音中的低頻能量成分，卻會激發(fā)起室內(nèi)某些頻率的低頻共振，成為嗡嗡的干擾噪聲源，因此它對于語言清晰度有極大的負(fù)面影響。漢語語音的功率譜如圖 1所示，不同大小的房間的軸向簡正波頻率分布圖2所示。

誤解 2：決定清晰度的輔音能量在中、高頻段，因此只要控制中、高頻的混響就可以了。

圖1 漢語語音功率譜分布[4]Fig.1 The average spectrum of Chinese speech[4]

圖2 不同房間尺寸的軸向簡正頻率分布Fig.2 Frequency distribution of axial modes in rooms with(a) 8.8×7.8×3.5 m3 (b) 9.3×9.3×3.2 m3

這是忽略了人耳聽覺系統(tǒng)中的重要的“掩蔽效應(yīng)”[4]。在存在低頻干擾噪聲的環(huán)境中，低頻噪聲不僅影響(掩蔽)了與其同頻的信號聲，還會嚴(yán)重掩蔽比它自身頻率高得多的中、高頻聲。這使得人耳因掩蔽而提高了中、高頻聲的聞閾，即此時必須提高中、高頻聲的聲壓級，才能降低低頻掩蔽效應(yīng)的影響。

ISO226等響度曲線，是不受干擾時測得的結(jié)果。在噪聲干擾條件下，聞閾的提高量稱為掩蔽級，如圖 3所示。掩蔽級的大小，因干擾噪聲頻率和干擾聲級以及被干擾頻率的不同而不同[4]。

掩蔽效應(yīng)的“不對稱性”十分重要。低頻干擾噪聲的掩蔽效果向著中、高頻擴(kuò)展，干擾聲級越高，向高端擴(kuò)展越寬。頻率為 200 Hz、聲壓級為 80 dB的干擾聲會對大于 200 Hz、直至4 000 Hz以上的頻段都有掩蔽作用。而相反，高頻干擾噪聲卻不會掩蔽低頻聲，掩蔽效應(yīng)的不對稱性如圖4所示，圖中曲線上的數(shù)字為干擾級。

圖3 掩蔽聲使測試信號的聞閾提升16 dB的示意Fig.3 Hypothetical example in which a masker shifts the threshold of a test signal by 16 dB

圖4 掩蔽效應(yīng)的不對稱性圖形Fig.4 Masking patterns produced by various pure tone maskers

基于以上兩點分析，為了清晰地聽到語音，使聲音中對清晰度起重要作用的中、高頻聲不受或少受掩蔽的干擾，必須加強(qiáng)低頻的吸聲，降低低頻的混響時間及室內(nèi)的低頻噪聲，使中、高頻聲正常發(fā)揮，才能達(dá)到清晰聽音的要求。室內(nèi)混響應(yīng)該至少控制在 80 ～4 000 Hz頻段，如僅控制規(guī)范中所建議的中頻段，則不能滿足上述要求。圖 5是 3個國外推薦的教室混響時間標(biāo)準(zhǔn)[5-7]，供參考。英國聾人協(xié)會的研究報告推薦的標(biāo)準(zhǔn)是倍頻程中心頻率 125～4 000 Hz頻段的混響時間為0.4 s的平直的特性，其他兩個標(biāo)準(zhǔn)都是要求頻率低至63 Hz、以中頻段的最佳平均值為基準(zhǔn)中值的全頻段的頻率特性。

圖5 國外推薦的教室混響時間特性Fig.5 Tolerances for reverberation times and recommended spectral variations

在教室應(yīng)用電化教育設(shè)備日益增多的情況下，低頻段平直的混響時間特性，有利于減少電聲系統(tǒng)可能激發(fā)的房間低頻共振。室內(nèi)要進(jìn)行的分組課堂討論，也有利于降低因多聲源造成的“朗巴德效應(yīng)”[8]。

1 我國的研究結(jié)果

我國的聲學(xué)工作者對于學(xué)校教室的聲學(xué)環(huán)境要求也做了很多研究[9-10]。他們以不同頻譜的干擾噪聲，在混響時間和不同頻率特性的條件下，對不同年齡的學(xué)生進(jìn)行音節(jié)識別率的對比測量。圖 6給出了教室內(nèi)在干擾噪聲相同時，兩組中頻混響時間成倍數(shù)改變的不同的頻率特性曲線。圖 7則是在圖 6給出的不同混響時間條件和不同的干擾噪聲級時，對比測得的語音清晰度。結(jié)果表明：聲能量集中在低頻段(500 Hz以下)的干擾噪聲，對兒童的音節(jié)識別率的影響比寬頻帶的白噪聲(注：兩種噪聲，如圖 7中的噪聲譜示意圖)更大；相同的環(huán)境聲學(xué)條件下，兒童的音節(jié)識別率比成年人的低；年齡越小，音節(jié)識別率越低。

圖 6中不同曲線的圖形符號和顏色給出了兩組中頻段混響時間平均值分別為 0.6 s和 1.2 s時的不同頻率特性。中頻混響時間為 0.6 s的黑(+)、紅(×)、藍(lán)(?)，分別表示了混響時間自500Hz以下下降、平直和上升的不同頻率特性。與之相應(yīng)的，中頻段混響時間平均值1.2 s的也用草綠(◇)、粉紅(△)、軍綠(○)表示。在圖 7 中，用相應(yīng)的彩色棒給出了它們在不同情況下測得的語言清晰度。

圖7上方標(biāo)注的序號A、B、C表示3種干擾情況的測量結(jié)果。圖7中，A的信噪比為10 dB，即語言聲比干擾噪聲高 10 dB。在此條件下，相應(yīng)的各種混響時間，清晰度都在80%以上，其中中頻混響時間短(0.6 s)、而低頻混響時間更短的(黑色)最佳，幾乎達(dá)到 100%。B、C兩組的信噪比為0 dB，即干擾噪聲級與語言聲級相同，但能量成分不一樣，B組干擾為白噪聲，而 C組干擾則是低頻部分高的干擾噪聲。同樣的混響時間，B組比C組好，說明低頻噪聲干擾較嚴(yán)重；最差的情況在C組，混響時間長而且低頻段混響時間上升到1.6 s(軍綠色)，語言清晰度只有略大于 50%。在這種條件下講課和聽課都是極其困難的。

圖6 用于模擬測量中的6種不同混響時間特性[6]Fig.6 Six different reverberation characteristics for simulated measurement

圖7 兩種干擾噪聲、信噪比以及不同混響時間平均值和頻率特性條件下語言清晰度比較Fig.7 Speech intelligibility as determined in simulated classrooms according to Fig. 6 under different noise spectra[10]

2 室內(nèi)聲學(xué)材料布置的優(yōu)選位置

對教室進(jìn)行聲學(xué)處理時，要降低低頻干擾，同時注意控制整個頻段的混響時間特性。

圖8給出的是脈沖聲的房間響應(yīng)。圖8中，ti表示直達(dá)聲與早期反射聲的時間間隔，也稱初始時間，ms；tgr表示早期反射聲至混響聲的過渡時間；V為房間體積，m3。圖 8中，WD表示直達(dá)聲；Wi表示早期反射聲；WR表示混響。在直達(dá)聲之后是早期反射聲，約經(jīng)過渡時間后，開始由室內(nèi)的衰變率決定的混響過程。一間體積為250 m3的教室，過渡時間大約為 30 ms。根據(jù)聽覺生理的“哈斯效應(yīng)(Haas Effect)”(見圖 9)[11](又稱“先入為主”效應(yīng))，哈斯效應(yīng)反映了聽音中反射聲不與原始聲分裂的聲級差和延遲時間的關(guān)系。對于30 ms之內(nèi)的早期反射聲(圖8 中的Wi)，若它的強(qiáng)度和延遲時間滿足圖 9的關(guān)系，則會加強(qiáng)直達(dá)聲，且不改變直達(dá)聲的聲像位置，即感覺只有一個與原聲源一致的聲音。此時，早期反射聲會加強(qiáng)直達(dá)聲(原聲源)的響度，對提高清晰度有積極作用。如果反射聲延遲時間大于 50 ms，發(fā)生在混響過程中，或反射聲響度突出，就會使人感覺是分離的一個個的回聲。如圖8中在WR范圍內(nèi)所示的突出回聲，是應(yīng)該抑制并消除的。具體的延遲時間與反射聲的相對強(qiáng)度、頻率及聲源本身的時間特性有關(guān)。

圖8 脈沖聲的房間響應(yīng)Fig.8 Impulse response characteristics of a room

圖9 哈斯效應(yīng)曲線Fig.9 Haas effect curve

教室的聲學(xué)設(shè)計，既要降低低頻混響，使其至少在約 80～2 000 Hz頻段內(nèi)有基本平直的頻率響應(yīng)(更高的頻段因空氣溫濕度的影響而變化)，又不降低有利的中、高頻反射聲。因此，吸收中、高頻的吸聲構(gòu)件不要布置在可能對聽音區(qū)產(chǎn)生30 ms之內(nèi)反射聲的界面上。因為這些界面所產(chǎn)生的早期反射聲，對于提高語言直達(dá)聲的響度和清晰度都有積極作用。

教室內(nèi)影響反射聲的吸聲材料分布如圖 10所示，用簡單的聲線圖得到的由側(cè)墻和頂至教室中、后部的早期反射聲如圖 11所示，不能把吸收中、高頻的吸聲構(gòu)件布置在吊頂中部和兩側(cè)墻面。在吊頂中部，大部分面積不要布置吸聲構(gòu)件的建議，也已列入一些聲學(xué)專業(yè)書籍和規(guī)范中[5-6]。

圖10 教室內(nèi)影響反射聲的吸聲材料分布Fig.10 Conventional absorptive claddings at the ceiling of a classroom

圖11 由側(cè)墻和頂至教室中、后部的早期反射聲：(a) 由兩側(cè)墻；(b) 由頂部反射Fig.11 Valuable early reflections from (a) side walls and(b) ceiling to the center-line of a classroom

利用側(cè)墻和頂?shù)脑缙诜瓷渎?，可以提高中、后排座位處的響度和清晰度。以一間長、寬為在8～10 m、高度約為 3.5 m 的教室為例，如果教師在距前端墻 1 m左右，前端墻上一般是書寫板一類的反射面，它對于教師的聲音是有支持作用的。圖 11中的側(cè)墻和頂面，這些面上的一次反射聲與直達(dá)聲之間的行程差，大約在 3～10 m之間，對應(yīng)約10～30 ms的時延。如果在這些面上不布置中、高頻的吸聲構(gòu)件，而是普通的硬墻面或玻璃窗，由此產(chǎn)生的一次反射聲是有利的，對提高響度和清晰度起積極的作用。因此，用于降低噪聲、控制混響時間的吸聲構(gòu)件就不應(yīng)該安裝在這些表面。常見的以中、高頻吸聲為主的吸聲吊頂，布滿整個的頂面，是不合理的。同樣，兩側(cè)墻上一般也不應(yīng)做中、高頻吸聲處理。

3 一種有效的教室聲學(xué)處理

3.1 加強(qiáng)低頻吸聲，抑制低頻混響，合理安排吸聲構(gòu)件

在一間教室里，有些吸聲體是不可避免的。除了門、窗(包括窗簾)、家具等零星物件有少量吸聲外，主要的吸聲體是學(xué)生。單人坐在木椅上的等效吸聲量(單位：m2)表 1 所示。這些室內(nèi)固有的、不可避免的吸聲體對于室內(nèi)聲學(xué)處理所需要的中、高頻的吸聲量已經(jīng)足夠，主要欠缺的是低頻的吸聲量。

表1 單人坐在木椅上的等效吸聲量[5]Table 1 Equivalent absorption area in m2 of a person on a wooden chair[5]

圖12 混響室內(nèi)墻角吸聲體與地面吸聲構(gòu)件(厚度40 cm)的吸聲系數(shù)的比較[12]Fig.12 Absorption coefficients in comparison to the same thickness (40 cm) materials as indicated (a) laid on the ground， (b) and (c) incorners[12]

圖12是安裝在地面和墻角處的吸聲體[12]。它利用聲波在硬墻面附近約1/4波長范圍內(nèi)，因聲波同相反射而能量疊加、得到更強(qiáng)的吸聲的原理，來提高低頻段的吸聲效果。因為低頻聲波長在米級范圍，低頻段的吸聲效率的提高，對于整個房間的作用是明顯的。例如頻率為 100 Hz時的聲波的 1/4波長是 85 cm，也就是在距界面約85 cm范圍內(nèi)，100 Hz的聲音在此范圍內(nèi)的吸聲效果都會提高，大大增加了室內(nèi)在該頻率的總吸聲量。若頻率更低起作用的范圍更大。而頻率為1 000 Hz的聲波的 1/4波長只有 8.5 cm，在這個小體量范圍內(nèi)雖然吸聲效率也會提高，但對于整個房間吸聲量的貢獻(xiàn)較小。圖 12中給出了同體量的材料、布置在地面中間以及墻角和墻棱的不同透聲面積的吸聲體的有效吸聲系數(shù)，體現(xiàn)了它們之間不同的吸聲特性。圖12(a)中試件為40 cm厚的多孔材料，均勻鋪設(shè)在混響室地面中部，試件邊緣用石膏板處理，吸聲體面積為3×4=12 m2。圖 12(b)中為設(shè)置在墻角、短面用石膏板封住、寬面為穿孔石膏板的試件，吸聲體面積為 0.5×6.5=3.25 m2。圖 12(c)為設(shè)置在墻角處，兩面均開放的吸聲體，參數(shù)同圖 12(b)中。圖 12中墻角吸聲體的低頻上升的吸聲特性，與室內(nèi)的固有吸聲體的特性互補(bǔ)，正好可以構(gòu)成所需要的中、高頻平直和低頻下降的混響時間特性。同時由于它只占用墻角，讓出了產(chǎn)生有利反射聲的部位，從而在教室中既能獲得平直的混響時間特性，又可獲得中、高頻的有利反射聲。從聲學(xué)處理及建筑效果等方面，具有以下優(yōu)點：

(1) 根據(jù)教室的具體情況，在教室頂部與墻連接的周圈部位，室內(nèi)四角的立柱部位，盡可能地安裝這種墻角吸聲體，就控制了這個三維空間的低頻共振效應(yīng)。目前常用教室內(nèi)，大約安裝 50 m這種墻角吸聲體，就可以滿足室內(nèi)聲學(xué)處理中關(guān)于降低低頻混響的要求；

(2) 吸聲體所具有的中、高頻吸聲量，也可滿足對該頻段的吸聲量要求，一般不再需要增加其他吸聲體；

(3) 不占用房間內(nèi)的使用面積，不影響房間的使用，原室內(nèi)的建筑外觀沒有大的改變；

(4) 節(jié)省投資；

(5) 對已有的舊教室也可以做補(bǔ)充處理。

3.2 實 例

用上文敘述的原理和想法，四年前，在柏林的媒體?？茖W(xué)校改善了一間約 275 m3的教室，該校的教學(xué)及實習(xí)用房是利用原東德的一個工廠廠房，結(jié)構(gòu)堅固而未做任何室內(nèi)聲學(xué)處理。該教室的隔聲、隔振沒有問題，但是每間教室內(nèi)，教師的授課都非常吃力，學(xué)生聽課也感到很困難。按照在室內(nèi)聲學(xué)處理中“處理低頻”的原則，得到了滿意的結(jié)果，如圖13所示。圖13(a)中，紅色箭頭處即為改善聲環(huán)境的吸聲體。在此之后，借鑒此室的改造經(jīng)驗，在柏林各類學(xué)校進(jìn)行了推廣，用同樣方法解決了 100間以上各類學(xué)校教室的降噪和音質(zhì)問題。

圖13 柏林某教室改善前后實測結(jié)果Fig.13 Reverberation times before and after the acoustic treatment in Seminar room at a media school in Berlin

2018年上半年，深圳可朗聲科技公司開始致力于國內(nèi)學(xué)校中的聲學(xué)問題，并設(shè)法試驗推廣。在深圳市某小學(xué)，改造了一間約 680 m3的會議室，過去幾乎不能在此舉行會議的情況，得到了根本改善，測量結(jié)果如圖14所示。

近來又對深圳市另一學(xué)校的教室，采取了同樣的聲學(xué)改善措施，其混響時間特性也取得較好的結(jié)果，如圖15所示。

實測結(jié)果顯示，教室的空室混響時間，經(jīng)改正后，在 80～8 000 Hz頻率范圍內(nèi)都在(0.6±0.1) s范圍內(nèi)，頻率響應(yīng)較平直。在室內(nèi)有學(xué)生的情況下，參照表 1給出的吸聲量，混響時間的估算的結(jié)果約為 0.4 s。計算中的此吸聲系數(shù)采用的是德國的數(shù)值，因為當(dāng)?shù)貧夂驐l件與深圳有差別，學(xué)生的穿著比深圳學(xué)生更厚一些，因此，加上學(xué)生的室內(nèi)吸聲量后，總吸聲量會略低，混響時間約為 0.5 s。這樣微小的差別對音質(zhì)的影響也不重要了。此結(jié)果與英國 BATOD的推薦值(125～4 000 Hz，0.4 s的頻率響應(yīng)特性的建議)相比較，是基本一致的。

圖14 深圳市某小學(xué)會議室改善前后實測結(jié)果Fig.14 Acoustical treatment in a meetingroom of a primary school in Shenzhen

圖15 某學(xué)校教室聲學(xué)的改善前后的實測結(jié)果Fig.15 Measured reverberation times in a classroom before and after the acoustic treatment

4 結(jié) 論

通過在深圳某小學(xué)的會議室(面積約 680 m3)和深圳市某學(xué)校教室(面積約 250 m3)的實踐，說明在處理室內(nèi)聲場環(huán)境中，無論對新建的或改建的環(huán)境，用上述建議能夠降低噪聲、改善混響時間特性直至 80 Hz低頻的平直特性，是既節(jié)省投資，又簡單可行的措施。以上兩項改善室內(nèi)聲場的項目，得到了兩校領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此表示感謝。