高校多媒体教室的声场环境和改善措施

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　　【摘要】以改善教学环境为目的，以改善室内声场环境为手段，通过分析室内声场及室内听闻环境的评价参数，指出以减小混响时间和均衡声压级分布为声学目标，合理运用吸声体与扩散体，合理选择和布置音响设备，根据不同的教室用途，采取具有针对性的综合措施。
　　【关键词】 声场;频率;声压级;噪声;听闻环境;窗帘;穿孔板;音箱
　　近年来，许多高校教室都普遍建成了多媒体教室。在使用和管理过程中，教室的声场环境问题愈发凸显，如何改善室内声场？怎样选择和安装音响设备？这些都是我们需要解决的问题。
　　一、多媒体教室的声场环境（声学环境）
　　（一）室内声场。
　　（1）室内声场包括直达声、早期反射声和混响声。直达声和早期反射声（也称近次反射声）通常被认为是有益的。如果反射声与直达声的时间差较小（0.3s～0.5s），人的耳朵就无法区分，只能叠加在一起感受。 比直达声晚到50ms以上的多次反射声都称为混响声，人的耳朵能明显感觉差异，而听到清晰的回声。混响声的大小与房间的尺寸（及尺寸间的比例）和周围界面的吸声特性有关。
　　（2）声音频率。人耳能够听到的声波频率范围很宽，大概是在20Hz ～20kHz之间。语音频率在63Hz～8000Hz。人耳对于频率在1000Hz～4000Hz的声音较为敏感。汉语普通话的频率范围在63Hz～10000Hz， 英语和法语发音的最高频率都在5000hz左右。
　　（3）声压与声压级。声学中的闻阈声压是2Pa，称作基准声压，痛阈声压是20Pa。将声压采用对数标度就是声压级 （单位是分贝dB）。为便于叙述，本文使用A声级。
　　通常教师讲课声级范围在40dB～80dB。有研究表明，声压级的最佳范围为65dB ～75dB。语音里的中低频声是声压级的主要部分。
　　（4）简正波与房间尺寸。房间内往往会形成驻波（简正波），对应的频率称为简正频率。当多个方向上的简正频率重叠时，会形成简并。简并会导致共振，还会造成频率畸变（声音失真），形成声染色。声染色一般发生在300Hz以下的低频段。
　　许多时候，房间都是两两平行的六面体，墙壁和内部材料的普遍吸声系数较小，在使用宽频段的音响设备时，容易产生简正波和引发低频颤动回声。
　　简正频率与声源无关，是一个房间的固有声学特性，是假定封闭的几何空间的物理特性。要尽量避免房间的各边长之比为整数。通常认为房间的长、宽、高之比，最好是“黄金比例”1.618：1：0.618，或5：3：2。至于要求边长比为无理数，如比值为√2：3√2：1，显然太不现实。
　　（二）对于多媒体教室而言，我们主要关注室内听闻环境。语言可懂度是评价室内听闻环境优劣的一个主要指标。其数值难以直接获得，而是通过语言传输指数STI来间接得到。具体说来就是通过测量混响时间和信噪比，得到语言传输指数STI，进而得到语言可懂度。
　　此外，辅音对于语言可懂度有非常重要的作用，籍仙荣等 就使用辅音清晰度损失率（AIC）作为语言可懂度的评价指标。
　　（三）教室室内听闻环境的评价参数及目标。
　　在实际评价室内听闻环境时，常用参数的有背景噪声级（dB）、信噪比（dB）、混响时间（s） 。Bradley等认为，影响教室内听闻环境最主要的因素还是信噪比和混响时间。
　　在背景噪声级的声源方面，有研究表明，师生活动噪声是室内的主要噪声，上课时，室内背景噪声级达到了50.5dB。
　　一般可以满意的信噪比为15dB ～25dB 。有较好听闻环境的信噪比是大于12dB 。
　　有研究认为中频最佳混响时间为0.5s。宋拥民等研究认为教室室内最佳混响时间为0.6s（体积≤）。国家标准是0.9s，这数值明显太大。
　　在对待混响时间的问题上，需要注意到教室和音乐厅堂的不同。教室的混响时间要尽量减小，以接近推荐范围（0.5s～0.6s），而音乐厅堂一般不能小于1s。
　　综上，我们的目标就是降低背景噪声，增大信噪比，增加早期反射声，减小混响时间，尽量使声压级分布均匀。另外还要防止简并和颤动回声、减少室内噪声源、防止出现声缺陷（如声染色、声聚焦、声影等）。
　　（四）吸声体与扩散体。
　　（1）吸声体。吸声结构中，微穿孔板已经得到了广泛的应用。微穿孔板吸声体能够有效吸收实际上多余而且有害的那些中高频声。目前使用最多的是穿孔矿棉板。除了微穿孔板以外，还可以使用泡沫体或海绵体。
　　有研究显示，人体及衣服能吸收大量的中高频声波，教室中坐满学生时的混响时间会明显下降。
　　教室中，窗帘就是一个很好的吸声体，应该加大窗帘的覆盖面积，甚至没有窗户的地方也要悬挂窗帘（比如后墙）。还要增加褶皱程度，选用多孔及厚实的窗帘。以下提及的窗帘均按照这些要求。
　　在铺设吸声体时，我们应该注意到房间尺寸，在长宽高三个方向上的尺度不同，由于高度方向的尺寸最短（如3.2m～4.5m），所以在与其垂直的平面上（顶棚和地板）铺设吸声体的效果最好。层高较高时，铺设在顶棚的吸声效果就不明显，这时可以考虑在两侧铺设吸声体。
　　（2）扩散体（反射板）。通过扩散体（反射板）增加早期反射聲，可以提高早期声能、减小混响时间。常见的反射板有低穿孔率的铝合金板和二次余数扩散体。
　　（五）室内低频声的处理
　　在会议室中通过铺设地毯等方式，增加声音阻尼，可以大幅度的损耗低频声。对于普通多媒体教室，低频声的吸收总是很困难，那些能够吸收低频声的共振结构或复合结构还不太实用。
　　声波是机械波，低频声的波长较长，如100Hz的波长为3.4m。在缺乏有效阻尼和吸声体的情况下，我们不能指望教室里的座椅板凳像不锈钢那样，在亚波长尺度都能对于电磁波具有着极大的耗散。 　　尽管可以开门开窗能释放出一部分低频声，但又会造成教室间的相互影响。一个简单易行的办法是从声源着手，就是不能让低频声从音箱播放出来，特别是125Hz以下的。这不仅需要在处理声音时对低频段作适当的衰减（从-5dB到-20dB），而且播放时要使用小截面的音柱，不能使用全频音箱，特别是大截面有超重低音的全频音箱。尽管这会牺牲掉教学中多媒体内容的低频音质，还会牺牲掉低频声对于声压级的贡献，但这些都是为了改善室内声场环境而必须付出的代价。
　　（六）教室的门窗隔音。
　　除了室内尽量避免产生低频声和活动噪声以外，室外通道和隔壁教室就是一个很大的噪声源。所以我们要非常重视门窗的隔音问题，做好门窗隔音就能有效的阻断教室内外相互的噪声影响。
　　二、教室室内声场环境的重要性及其改造价值
　　有研究显示，在室内较大噪声的干扰下，学生的大脑工作能力明显下降，表现为容易产生学习疲劳，作业能力下降、阅读能力下降和记忆能力下降。对比实验表明，在相对安静的环境中学生的学习能力更强，成绩更好。另外，有研究显示，投资于改善室内声场环境具有很高的价值。
　　我们需要充分认识到改善室内声场环境对于教学的极端重要性，针对不同用途的教室，科学分析，区别对待，综合施策。
　　三、音响设备的合理选择与布置
　　（一）音箱与功放的选择。音箱尽量使用音柱而不是全频音箱，以减少低频污染，这也是教室区别于音乐厅堂的地方。音柱的声音会感觉有些偏小。
　　为了配合音柱，功放在处理信号时，就要对低频段作不同程度的衰减，特别是125Hz以下可以直接舍弃。考虑到设备的其它用途，折衷的办法是，功放正面的低音旋钮可以保留，但在功放背部设置一个低频硬开关。
　　在设备类型方面可以选择教学音箱（以下说的音箱指的是音柱一类）。音箱总功率通常按教室面积1w/，功放功率按几只音箱总功率的1.5倍选择[6]，还可以再高一些，这才符合“大马拉小车”的原则。当然，这些都是估算，不同厂家的设备会有所区别 。
　　为了防止干扰，多媒体设备的中控和功放都要有良好的接地。
　　（二）音箱的布置。根据不同教室的声压级分布特点，音箱安装位置要看教室的具体情况，一般安装高度为1.8m～2m以上，左右等高但不能太高。要以面向教室中后部为主，适当的向内、向后、向下倾斜，左右两边音箱的轴线交叉，尽量使室内各点声压级分布均匀，音量大小相当[7]。我认为，要同时满足这些安装要求，或许需要定制专门的音箱托架，而不能直接将其固定在两边的墙柱上。我注意到有部分厂家，采用了能做水平位置调节的安装托架，但如果音箱不能向下倾斜，再加上位置较高，就会造成功率的浪费。
　　（三）啸叫的防止。让音箱向后离开讲台一段距离，就是要离开麦克风且指向相反，以避免发生正反馈而啸叫。另外，传统的功放也都带有防止啸叫的功能，比如有的功放集成了移频器和1/3倍频的8路调音台，通过移频或衰减部分频段信号来防止啸叫，但这些都会导致声音失真和需要手工调节。
　　（四）麦克风。教室中常用的麦克风有动圈式和电容式。动圈式麦克风具有很好的指向性，需要适当的声压阈值，才会拾取声音，因而具有一定防止啸叫的能力，很耐用。电容式具有将声音信号转变为电信号的最佳设计原理，能实现“原声重现”，具有很高的灵敏度和瞬时响应特性，多用于领夹式的无线话筒，比较结实。
　　麦克风最好选用XLR接头（卡侬接头），其提供的信号能作为一种平衡信号、低阻信号接入中控。平衡信号具有很强的抗干扰能力。近些年来，中控还能为麦克风提供48V幻相电源，从而很好的解决了麦克风的供电问题。
　　（五）传统设备在信号处理能力上的不足。除了两头，语音信号的输入（麦克风）和输出（音箱）的效果有待改善，作为中间环节的信号处理，由于只有功放这一台设备，明显力不从心。
　　我们的要求很多，如对于低频段的衰减，中高频段的增益，较高频段的衰减，还有适当的均衡等等。单是防止啸叫的能力，其实让人还难以放心。其音质与调音台—均衡器—反馈抑制器—功放这样的基本组合差别较大。
　　（六）音量调节。为了便于控制音量，通常会在多媒体控制面板上设置调节按钮，但这是在调节输入电平，不利于后续信号的处理，我们更希望通过控制功放的输出来调节。
　　（七）数字音频设备。近年来，有的在讲台上方安装吊装式麦克风，这是基于DSP（数字信号处理器）的数字音频设备，由2个到4个驻极体组成的麦克风阵列，能够实现讲台8米以内的大范围拾音，甚至学生回答问题时的声音，都能有效捕捉。
　　在音响设备的发展趋势上，基于DSP的数字音频设备正在逐步替代传统设备，其具有强大的窄带化和智能化的音频处理能力，可以将以往多种音响设备的功能整合在一起，重点是我们为了配合室内声场环境，此前对于音响设备的种种要求可由其一体承担。
　　话虽如此，但问题的复杂性在于，许多数字音频设备表现出来的实际音质，并没有原来以为的那么好。
　　考虑到成本因素，对于传统功放，一个折衷的办法是，可以在功放之前接入一台低配版的数字音频设备，能够自动进行动态的反馈抑制和均衡频带，从而强化音频处理能力。另外，还可以在增加的设备中通过适当的接口，接入控制面板上的音量控制，这始終要比直接降低麦克风的输入电平要好。
　　四、改善教室室内声学环境的综合措施
　　（一）如前所述，由于小教室（体积≤）的空间较小，所以混响时间短，但回音现象明显。可在顶棚铺满穿孔矿棉板，不需要安装反射板。一般讲课不要使用麦克风，音响设备的功率要小，播放时音量也要开得小。
　　从实际效果来看，对于普通多媒体教室，当体积在～之间时，仅采取顶棚安装穿孔矿棉板一项措施，就能够起到很好的吸音效果。对于其它类型的教室，比如录播室、语言实验室、机房、模拟法庭等，也建议参照处理。 　　（二）阶梯教室。对于120人至150人的阶梯教室，可以采取如下措施：
　　（1）如果教室比较宽，可以考虑作矩形切角，如果不太宽，则不必切角。
　　（2）在讲台两侧安装反射板，采用低穿孔率的铝合金板，以增加早期反射声，优化早期声压级分布。这些反射板安装在矩形切角面或两侧墙面，还可以倾斜安装在讲台顶部，作用相同。
　　（3）在教室上方的中前部（靠近讲台一侧）再增加反射板，背后（上面）填充玻璃棉毡。教室后墙顶部也要安装倾斜的反射板，以加强教室后面的声音级分布。在其它顶棚区域（主要是中后部）和后墙则铺满矿棉吸声板。
　　（4）铺设通道地毯。
　　（5）使用柔軟面质的座椅。
　　（三）对于各类教室，都需要做好门窗的消音隔音，同时发挥窗帘的吸音作用，增加窗帘覆盖范围。
　　（四）注意各种散热风扇的噪声。讲台上的多媒体设备通常会被集中在一个铁皮柜子内，电脑和功放的散热风扇（3～6个）组成了一个密集的低频噪声源。这就要求电脑的各风扇均使用静音风扇。另外还有投影机散热风扇发出的噪声，这些散热风扇都需要及时清理灰尘，防止噪声过大。
　　（五）做好音响设备选择的与布置。要使得室内各点的声压级均匀，应根据声场环境，选择合适的音响设备并合理布置。
　　五、结论
　　多媒体教室室内的声学环境重要而且复杂，通过声学分析，需要根据不同环境来选择声学材料，合理搭配，多措并举，就能够改善各种教室的声学环境。
　　参考文献：
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　　[7]杨家民.多媒体教室的音响设计及声缺陷的调校[J].广西民族学院学报（自然科学版）， 2001，7（3）：182-185.
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