智慧教室建聲環(huán)境探索與實踐

李遠(yuǎn)亮，沈宏興

（上海交通大學(xué) 教育技術(shù)中心，上海）

一 引言

教室作為目前在校學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的主要場所，教室內(nèi)視音頻系統(tǒng)是獲得良好教學(xué)效果的重要保障。近年來高校智慧教室建設(shè)非常熱門，但普遍缺少對音頻的關(guān)注，尤其是建聲環(huán)境。事實上，視覺效果通常只需配備高性能的顯示設(shè)備就可以實現(xiàn)，但要獲得良好的聽覺效果，不但取決于音響設(shè)備的良好性能，還與擴音系統(tǒng)的調(diào)教以及建聲環(huán)境相關(guān)。為此，上海交通大學(xué)提出了教室的視聽環(huán)境要從一般教室的“看得見、聽得見”提升到多媒體教室的“看得清楚、聽得清楚”，再提升到智慧教室的“看得舒適、聽得舒適”的建設(shè)目標(biāo)。

教室音響系統(tǒng)兩大功能是話筒擴音和音樂播放。一般來說，配置高性能的音響設(shè)備，即可保證音樂播放的效果，但話筒擴音效果還需進(jìn)行聲音處理和調(diào)校，這與教室固有的聲場環(huán)境是密切相關(guān)的。聲場環(huán)境越好，越能獲得更好的擴音效果；反之，聲場環(huán)境越差，為了避免嘯叫，必然會對聲音過度處理，造成聲音的不清晰和失真。因此如何改善智慧教室的建聲環(huán)境，是教室獲得良好聽覺效果的關(guān)鍵。本文通過分析影響教室聲場的各種主要因素，提出了改善智慧教室聲場環(huán)境的一些措施和建議，并通過對近年來上海交通大學(xué)智慧教室改造的一些實例，進(jìn)行驗證和分析研究，總結(jié)出一套可行的教室建聲改造方案。

二 影響智慧教室建聲環(huán)境的主要因素

在實際評價衡量室內(nèi)建聲環(huán)境最主要的因素還是背景噪聲和混響時間。由于教室一般都是位于相對幽靜的校園中，背景噪聲通常比較小，不會超標(biāo)。然而混響時間是與教室的內(nèi)在建筑和裝飾有關(guān)，不同的教室混響時間差別很大。教室一般是兩兩平行的六面體，容易產(chǎn)生面與面之間的多次反射現(xiàn)象[1]，且墻壁和內(nèi)部材料的普遍吸聲系數(shù)較小，混響時間大多數(shù)情況都是超標(biāo)的。因此我們通常把混響時間作為衡量一間教室建聲環(huán)境好壞的主要指標(biāo)。

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)聲的時間差較小(0.3s~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[2]。直達(dá)聲影響聲音的親切感，反射聲影響聲音的清晰度，而混響聲可以使聲音具有環(huán)境感，有利于提升聲音的豐滿度，但過強的混響聲會破壞聲音的清晰度。專業(yè)的音樂廳一般既要考慮吸聲吸收，還要考慮聲擴散。但教室和音樂廳堂的不同，教室日常用于老師話筒擴音為主，學(xué)生聽課主要接收的是直達(dá)聲，聽到的聲音則更清晰和親切，因此教室的混響時間要盡量減小，即教室的建聲工作主要是進(jìn)行吸音處理。

那如何減少教室的混響呢？通過賽賓公式：T60≈KV/αS，其中，T60是聲壓級減少60dB所需要時間，即混響時間。K為常量，常溫下K≈0.161（s/m），V為教室的容積，α為平均吸聲系數(shù)，S為室內(nèi)表面積。

我們可以看出聲場的混響時間，混響時間取決于房間的體積和室內(nèi)表面層的材料。空間越大，混響時間越長，室內(nèi)表層材料吸音效果越好，混響時間越短。

顯然，在教室容積不變的情況下，進(jìn)行有效的吸音處理，提高室內(nèi)的吸音系數(shù)、增大室內(nèi)吸音面積，可以有效減少教室的混響。

三 改善智慧教室建聲環(huán)境的有效措施

目前對教室進(jìn)行改造，一般要進(jìn)行裝修，包括安裝護墻板和吊頂，由于要兼顧美觀，吊頂一般不做進(jìn)一步的吸音處理，但吊頂內(nèi)巨大空腔本身就具有吸音效果。因此我們主要考慮對墻面進(jìn)行處理，現(xiàn)在大多采用安裝多孔吸音板和吸音棉的方式。

（一）合適孔徑的穿孔板（吸音板）

穿孔板的作用是讓聲波傳輸通過，然后讓板后的吸音棉把聲能量吸收，從而達(dá)到吸音的目的。根據(jù)聲學(xué)原理，聲波通過帶有孔徑的聲屏障時會表現(xiàn)出明顯的聲衍射現(xiàn)象，聲衍射的強與弱是同障礙的大小與聲波波長的比值密切相關(guān)，可用ka=2πa/λ的值來衡量，ka越小聲衍射現(xiàn)象越強，ka越大聲衍射現(xiàn)象越弱，可以簡單理解為孔越大越有利于吸音，但考慮吸音板的物理造型與強度，可以選擇圓孔加長型孔的方式[3]。

目前市場吸音板的種類有很多，有木質(zhì)板、陶鋁板、聚酯纖維吸音板等等。多孔吸音板主要是利用散射衰減的原理，聲音穿孔過程中不斷摩擦和共振逐漸消耗掉能量，從而起到了吸音的作用。多孔吸音板有一定的吸聲作用，但實際上獲得更好的吸聲效果，主要靠配合安裝的吸音棉。所以，吸音板的選擇，并不需限定某種材質(zhì)，只要是各種頻率的聲波能夠穿透的多孔板即可。

（二）良好效果的吸音棉

目前市場上的吸音棉主要有：巖棉、玻璃纖維棉、聚酯纖維棉幾種。巖棉是早期使用的吸音材料，纖維直徑約20微米，易扎人，質(zhì)地脆，長時間使用后易變成粉狀，導(dǎo)致吸音效果降低，目前主要作為保溫材料應(yīng)用[4]。而聚酯纖維棉目前也作為吸音材料應(yīng)用，中高頻吸音效果好，但缺點是低頻的吸音效果差。而教室通常都存在低頻共振的現(xiàn)象，低頻回聲重，如果使用聚酯纖維棉，還需要在教室內(nèi)另外做低頻處理，如安裝低頻陷阱吸聲體等，因此不是最好的選擇。而玻璃纖維棉直徑約為幾微米，柔韌性好，不易扎人，各個頻段都具有較好的吸音效果，是目前市場上普遍使用的吸音材料。因此在教室吸音材料的選擇上，我們建議應(yīng)選擇玻璃纖維棉。

另外，我們還需注意玻璃纖維棉的規(guī)格選擇，研究發(fā)現(xiàn)，隨著厚度增加，中低頻吸聲系數(shù)顯著地增加，但高頻變化不大；厚度不變，容重增加，中低頻吸聲系數(shù)亦增加；但當(dāng)容重增加到一定程度時，吸聲系數(shù)反而下降。因此我們進(jìn)行教室改造時，選擇合適的厚度和容重的玻璃棉，也是一個重要的關(guān)注點。

（三）正確的安裝方式

圖1 1KHZ聲波在不同厚度空腔的吸收率關(guān)系圖

安裝吸音板和吸音棉時，需要和墻面間保留一定厚度的空腔。我們知道，聲波在穿越吸音材料時，纖維材料因發(fā)生變形產(chǎn)生內(nèi)摩擦，動能轉(zhuǎn)化為熱能，因此聲波的能量得以消耗[5]。當(dāng)聲波撞擊墻面的一瞬間，傳播介質(zhì)空氣分子并沒有速率，所以如果我們把吸音材料設(shè)置在靠近或者貼住墻面，吸收的效果便非常微弱。由于聲波行進(jìn)1/4奇數(shù)倍波長時達(dá)到最大振幅，當(dāng)達(dá)到最大振幅時穿過吸音材料，幅值被降低，聲能轉(zhuǎn)化為熱能，以此達(dá)到最佳吸音效果。如圖（1），我們可以看出，1KHZ的聲波，當(dāng)空腔厚度=λ/4(約為8.5cm)時，吸音系數(shù)最高。因此我們安裝吸音材料時，和墻面要保留一定厚度的空腔，才能獲得更好的吸音效果。

四 智慧教室建聲改造實例和分析

（一）實例一：中院部分教室改造

這是我校開始進(jìn)行校智慧教室改造的嘗試。以106教室（面積約80m2）為例，教室進(jìn)行了簡易裝修，墻面僅安裝了多孔吸音木板，石膏板吊頂。改造前后教室的混響指標(biāo)如圖2。

圖2 中院106教室改造前后混響對比圖

（二）實例二：東中院教學(xué)樓整體升級改造

這是我校開始對智慧教室進(jìn)行整體的改造，以4-103教室（面積約100m2）為例，對教室進(jìn)行精裝修，墻面安裝多孔吸音木板，并加裝3cm厚度，容重為25kg/ m3玻璃棉，但當(dāng)時沒有考慮保留墻體空腔，吸音棉緊貼墻面安裝。吊頂為巖棉板。改造前后教室的混響指標(biāo)如圖3。

圖3 東中4-103教室改造前后混響對比圖

（三）實例三： 東下院教學(xué)樓整體提升改造

這是我校在總結(jié)東中院經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對智慧教室改造的再提升。以405教室（面積約150m2）為例，教室進(jìn)行的精裝修，墻面安裝多孔陶鋁板(孔徑較大)，加裝厚度5~10cm，容重30kg/ m3的玻璃棉，并和墻體間保留了一定的空腔。改造前后教室的混響指標(biāo)如圖4。

圖4 東下院405教室改造前后混響對比圖

五 分析

根據(jù)民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范《GB 50118-2010》和工信部《GB/T 36447-2018 多媒體教學(xué)環(huán)境設(shè)計要求》 ，容積大于 200m3的教室混響時間≤1.0，按這個標(biāo)準(zhǔn)，這三間教室經(jīng)改造后，基本符合標(biāo)準(zhǔn)。但有研究表明，在高信噪比條件下容積不超過 200m3的教室室內(nèi)最佳混響時間為 0.6s[6]，從這個角度看，實例一、實例二的低頻混響是不合格的。而且，經(jīng)過比較我們可以發(fā)現(xiàn)，實例三的教室改造后在各個頻段混響時間都較小，說明教室的吸音效果最好。實例一、實例二經(jīng)改造后，各頻段混響時間都有減小，但減小幅度并不如實例一明顯。實例二教室相對來說，吸音效果要稍好于實例一教室。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，安裝多孔吸音板對教室的建聲環(huán)境有所改善，加裝吸音棉后也有助于改善建聲環(huán)境，如果安裝的吸音棉達(dá)到一定厚度，而且與墻面保持一定的空腔，則建聲環(huán)境顯著改善。

總之，這3個實例教室經(jīng)過改造，建設(shè)環(huán)境均有不同程度的改善，教室里配置同型號的音響系統(tǒng)，上課擴音效果比原來均有提升。特別是第三個實例，通過調(diào)研，上課師生對改造的擴音效果的反饋良好，無論對是音量的大小，聲音的飽滿度和還原度等主觀感受方面都感到滿意，這也證明了良好的建聲環(huán)境，有助于提升教室整體的擴音效果。

六 結(jié)語

智慧教室要獲得良好的擴音效果，首先要有好的建聲環(huán)境。通過上海交通大學(xué)三個實例教室的改造實例說明，我們要有效降低教室的混響時間，改善教室建聲環(huán)境，目前比較好的解決方案就是，在兼顧裝修美觀的情況下，盡可能增加教室的吸音面積，比如在墻面安裝多孔吸音板，并鋪設(shè)合適厚度和容重的玻璃纖維棉，并和墻體保留一定的空腔，同時教室吊頂也盡可能采用吸音材料，擴大室內(nèi)吸音面積[7]。經(jīng)過實踐，選擇厚度約10cm，容重30kg/m3以上的玻璃纖維棉，并和墻面保留約10cm的空腔的情況下，吸音效果較佳，建聲環(huán)境改善顯著[8]。做了這些吸音處理后，教室里的窗簾和人也是吸音體，當(dāng)上課學(xué)生坐滿時，教室混響還會降低，整個教室的聲場環(huán)境還會更好。加裝上良好擴音設(shè)備后，實現(xiàn)智慧教室的“聽得舒適”的建設(shè)目標(biāo)，為人才培養(yǎng)營造優(yōu)質(zhì)教學(xué)環(huán)境。