教室聲學(xué)音質(zhì)設(shè)計(jì)一例剖析

1、教室聲學(xué)音質(zhì)設(shè)計(jì)一例燕翔 徐學(xué)軍 侯冰洋 湯靜波( 清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑物理實(shí)驗(yàn)室，北京，100084 )摘 要： 清華大學(xué)建筑館北114教室聽(tīng)課效果不良，于2002年進(jìn)行了裝修改造。改造過(guò)程中，教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)教室聲學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，提出科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，裝修后的教室聲學(xué)效果非常理想。本文介紹了改造的聲學(xué)研究過(guò)程和得出的一些結(jié)論，文中包括國(guó)內(nèi)外教室聲學(xué)設(shè)計(jì)的調(diào)研、教室聲學(xué)設(shè)計(jì)的考慮、北114教室存在的音質(zhì)問(wèn)題的分析和實(shí)際測(cè)量、提出多種音質(zhì)改造的設(shè)計(jì)方案、使用縮尺比例模型和計(jì)算機(jī)模擬兩種方法對(duì)設(shè)計(jì)方案的分析測(cè)量和評(píng)價(jià)、可聽(tīng)化音質(zhì)模擬的聽(tīng)眾主觀(guān)評(píng)價(jià)和最終設(shè)計(jì)方案的確定、改造后的音質(zhì)測(cè)量結(jié)果

2、和音質(zhì)效果調(diào)查等等。關(guān)鍵詞：教室聲學(xué)，音質(zhì)，可聽(tīng)化模擬，計(jì)算機(jī)音質(zhì)模擬，比例模型音質(zhì)模擬清華大學(xué)建筑館北114教室是建筑學(xué)院的專(zhuān)業(yè)教室，可容納100名學(xué)生。教室長(zhǎng)14.4m，寬7.0m，凈高4.0m，體形瘦長(zhǎng)。使用中學(xué)生的評(píng)價(jià)很差，主要是聽(tīng)不清老師的講課。學(xué)院決定對(duì)114教室進(jìn)行裝修，同時(shí)解決音質(zhì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案由建筑物理實(shí)驗(yàn)室完成。在實(shí)驗(yàn)室，教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)教室音質(zhì)進(jìn)行了研究，以求獲得最佳設(shè)計(jì)方案。研究分為以下步驟：1 教室音質(zhì)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)調(diào)研“為學(xué)校創(chuàng)造安靜的環(huán)境，保證教室和其它教學(xué)用房具有良好的聽(tīng)聞條件，是學(xué)校建筑設(shè)計(jì)中最基本的要求之一。噪聲的長(zhǎng)期作用不僅會(huì)直接影響到教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)，在一定程度上

3、還影響到學(xué)生(特別是兒童)的健康和正常的發(fā)育。教室內(nèi)合適的混響時(shí)間，均勻的聲場(chǎng)分布也是確保教室良好聽(tīng)聞的重要條件。”實(shí)用建筑聲學(xué)“在一般小型教室，主要是防止混響時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別是在聽(tīng)眾沒(méi)有坐滿(mǎn)時(shí)。大型教室或講堂還要適當(dāng)設(shè)置反射表面，以充分利用第一次反射聲，保證室內(nèi)有足夠的聲壓級(jí)。為了使室內(nèi)有足夠的聲壓級(jí)和短的混響時(shí)間（小型教室在0.6s以?xún)?nèi)，500人的教室不超過(guò)1s），教室、講堂的每座容積不超過(guò)（33.5）m3。”建筑聲環(huán)境。“小型教室混響時(shí)間最好應(yīng)在：0.40.6s之間，最多不能超過(guò)1s。如果設(shè)計(jì)適當(dāng)，500座位以?xún)?nèi)的教室或講堂可以不用電聲系統(tǒng)?？紤]到墻壁之間的共振，吸聲材料一定不要集中放在天

4、花和地面，而要分散開(kāi)。這樣聲場(chǎng)也會(huì)均勻。學(xué)生區(qū)增加吸聲量，可有效的減少學(xué)生本身的噪音，對(duì)學(xué)生之間的交流有利，但對(duì)于講課并無(wú)太大作用。天花的中間區(qū)域必須由反射聲音的材料構(gòu)成，以加強(qiáng)1次直達(dá)聲。老師頭上的天花應(yīng)當(dāng)傾斜，以加強(qiáng)1次反射聲?！?以上摘自Classroom Acoustics通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可知：（1）教室音質(zhì)設(shè)計(jì)的前提是使室內(nèi)保持足夠低的背景噪聲級(jí)。這一點(diǎn)對(duì)于建筑系館北114基本不用考慮，因?yàn)楸?14附近并沒(méi)有明顯的噪聲源，學(xué)生抱怨的是聽(tīng)不清楚，尤其坐在后排。（2）合理布置吸聲材料，把混響時(shí)間控制在合適的水平，并且避免出現(xiàn)回聲、多重回聲等聲學(xué)缺陷。上述材料中都提出了混響時(shí)間指標(biāo)，最佳指標(biāo)是

5、多少？這是需要研究的問(wèn)題（3） 充分利用天花的近次反射聲，加強(qiáng)教室后部的聲能。這一點(diǎn)在500人左右的大講堂中是經(jīng)常用到的，在100人左右的小教室中很少用到。北京安苑北里中學(xué)曾在講臺(tái)上懸吊反射板，教室后座的聲壓級(jí)可以提高3.5dB。（數(shù)據(jù)摘自實(shí)用建筑聲學(xué)）2 音質(zhì)對(duì)比及實(shí)測(cè)為了找出北114教室音質(zhì)問(wèn)題，選擇了學(xué)生評(píng)價(jià)較好的3407教室進(jìn)行了對(duì)比。該教室長(zhǎng)13m，寬6.6m，高4m，體量與北114的接近。不同的是，3407教室使用了礦棉吸聲板吊頂，高度約3m。音質(zhì)實(shí)測(cè)的對(duì)比見(jiàn)表1。根據(jù)對(duì)比數(shù)據(jù)得出初步的結(jié)論：北114主要問(wèn)題是混響時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致語(yǔ)言渾濁、聽(tīng)不清；對(duì)于后排的學(xué)生，直達(dá)聲小，更加聽(tīng)不清

6、楚。所以，必須降低教室的混響時(shí)間，使它在0.40.6s之間。另外還可看出，教室混響時(shí)間降低后（3407教室），會(huì)導(dǎo)致前后排聲壓級(jí)差距變大，出現(xiàn)聲場(chǎng)不均勻，應(yīng)該利用天花反射或散射增加后排聲能，使前后排聽(tīng)音音量接近。 北114教室和3407教室音質(zhì)實(shí)測(cè)對(duì)比 表1 空?qǐng)龌祉憰r(shí)間(s)滿(mǎn)場(chǎng)混響時(shí)間(s)空?qǐng)銮昂笈抛畲舐晧杭?jí)差dB（A）滿(mǎn)場(chǎng)前后排最大聲壓級(jí)差dB（A）125Hz500Hz2kHz125Hz500Hz2kHz北114教室2.311.711.191.75 0.880.694.27.73407教室0.750.410.390.98 0.560.437.59.23 音質(zhì)設(shè)計(jì)方案的提出由調(diào)研和實(shí)測(cè)分

7、析看出，解決114教室音質(zhì)問(wèn)題，首先要控制混響時(shí)間，其次吊頂天花的聲反射散射形式也需要考慮。共提出兩種不同的音質(zhì)方案，如表2，設(shè)計(jì)中綜合考慮了美觀(guān)、音質(zhì)、材料、施工、造價(jià)、維護(hù)等因素，力爭(zhēng)取得既美觀(guān)、音質(zhì)良好，同時(shí)又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的效果。兩種音質(zhì)設(shè)計(jì)方案 表2 方案一方案二剖面效果圖方案說(shuō)明教室前半部采用紙面石膏板反射吊頂且教師頭頂上部天花有傾斜角度，目的在于將教師的聲音更多地反射到教室后部。后半部天花為折板狀礦棉吸聲板，用于控制混響，并對(duì)后部天花反射聲形成擴(kuò)散。天花由四塊大平板構(gòu)成，平板上有弧型擴(kuò)散面，吊頂吸聲部分為穿孔礦棉板，擴(kuò)散部分為紙面石膏板。方案更注重裝修的美觀(guān)，避免“聲學(xué)痕跡”，音質(zhì)控制

8、主要依靠吊頂吸聲和聲擴(kuò)散?；祉懺O(shè)計(jì)中頻混響時(shí)間為0.6s，主要吸聲材料為礦棉板（吸聲系數(shù)=0.4）設(shè)計(jì)中頻混響時(shí)間為0.5s，主要吸聲材料為穿孔礦棉板（吸聲系數(shù)=0.7）待研究問(wèn)題1、混響時(shí)間0.6s是否合適？2、天花設(shè)計(jì)是否有較重的“聲學(xué)痕跡”？3、前部?jī)A斜的反射天花作用是否明顯？4、聲場(chǎng)均勻度如何？1、混響時(shí)間0.5s是否合適？2、聲場(chǎng)均勻度如何？尤其是后排聲場(chǎng)。3、天花的擴(kuò)散作用是否明顯？為了比較兩方案，采用了計(jì)算機(jī)模擬和1:5縮尺比例模型進(jìn)行音質(zhì)研究，還進(jìn)行了可聽(tīng)化模擬的聽(tīng)覺(jué)主觀(guān)評(píng)價(jià)和裝修效果的視覺(jué)主觀(guān)評(píng)價(jià)，并由此確定最佳方案。4 計(jì)算機(jī)模擬和1：5縮尺比例模型可聽(tīng)化模擬計(jì)算機(jī)模擬采用

9、了由德國(guó)的ELAC 開(kāi)發(fā)的CARA（Computer Aided Room Acoustics）軟件。軟件包括建模、聲學(xué)參數(shù)計(jì)算和三維聲學(xué)效果圖，如圖1、圖2。CARA 軟件的原理是聲線(xiàn)追蹤法，能夠計(jì)算的房間聲學(xué)參數(shù)有RT60，EDT，聲場(chǎng)分布，脈沖響應(yīng)以及其他相關(guān)參數(shù)。CARA在計(jì)算結(jié)果的表達(dá)上使用了三維的動(dòng)態(tài)視圖，如圖3所示，為未裝修前滿(mǎn)場(chǎng)聲場(chǎng)分布。 縮尺比例模型采用的是在實(shí)驗(yàn)室建造1:5的模型，根據(jù)相似性原理，通過(guò)將頻率提高5倍測(cè)量模型的音質(zhì)以模擬實(shí)際情況的音質(zhì)參數(shù)。模型采用密度板、海綿、棉氈等模擬實(shí)際教室的吸聲材料。模擬材料的吸聲系數(shù)測(cè)定是利用教室模型本身作混響室，通過(guò)有無(wú)吸聲材料時(shí)模

10、型中混響時(shí)間的變化求得。并根據(jù)實(shí)際方案選用材料的吸聲特性選定模擬材料。在比例模型中進(jìn)行了混響時(shí)間、聲場(chǎng)分布、清晰度指數(shù)、脈沖聲響應(yīng)等音質(zhì)參數(shù)測(cè)量。如圖4、圖5是比例模型測(cè)試的情形。 在混響極短（小于0.1s）的房間中錄制教師正常授課的片段，存成數(shù)字文件。在模型中，利用計(jì)算機(jī)使用5倍的頻率快放，通過(guò)話(huà)筒接收并存儲(chǔ)后，再還原成正常速率的語(yǔ)音，使用耳機(jī)聽(tīng)音，就可以進(jìn)行可聽(tīng)化模擬了。由于受到揚(yáng)聲器和話(huà)筒頻寬的限制（使用的是上限20kHz的測(cè)量級(jí)設(shè)備），因此模擬的帶寬上限為20kHz的1/5，即4kHz，這對(duì)于語(yǔ)言模擬的帶寬是完全足夠的。從模擬結(jié)果來(lái)看，計(jì)算機(jī)模擬與模型實(shí)測(cè)結(jié)果具有相關(guān)一致性。計(jì)算機(jī)模擬

11、在方案調(diào)整方面比較容易，但由于在原理上存在波動(dòng)理論的缺陷，模擬精度要差一些，但計(jì)算機(jī)模擬對(duì)于直觀(guān)了解材料、面積、布置方式、吸聲系數(shù)改變情況下音質(zhì)的變化趨勢(shì)較有幫助。我們的做法是利用計(jì)算機(jī)模擬做方案的初評(píng)，再用比例模型的方法測(cè)量具體參數(shù)。兩方案模型實(shí)測(cè)的比較情況如下表3：兩方案模型實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比 表3 滿(mǎn)場(chǎng)混響時(shí)間(s)清晰度指數(shù)C50(dB)滿(mǎn)場(chǎng)前后排最大聲壓級(jí)差dB（A）125Hz500Hz2kHz125Hz500Hz2kHz方案一1.470.60.574.432.322.263.7方案二1.130.530.472.041.551.156.4在可聽(tīng)化模擬的主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)對(duì)象為5人，2人為

12、建筑系教師，3人為建筑系學(xué)生，被試者事先不知到方案情況。測(cè)試包括主觀(guān)聽(tīng)聞效果和裝修效果的可接受程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，全部被試者認(rèn)為方案二的音質(zhì)好于方案一，但仍覺(jué)清晰度不夠；一致認(rèn)為兩個(gè)裝修方案美學(xué)效果都不錯(cuò)，都可以實(shí)施，作為建筑系教室，因方案一前部天花傾斜，有聲反射的演示作用，可以作為優(yōu)選方案。5 最終確定的設(shè)計(jì)方案測(cè)試和音質(zhì)主觀(guān)評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致。方案二的清晰度比方案一好，但方案一具有更好的聲場(chǎng)均勻度。綜合考慮，應(yīng)既保持良好的清晰度，又有較好的聲場(chǎng)均勻度，因此對(duì)方案一進(jìn)行了改進(jìn)，提出了方案三。方案三的吊頂形式維持與方案一相同，只是將后部吊頂?shù)牡V棉板改為穿孔礦棉板，吸聲系數(shù)由0.4提高到0.7，

13、增大了吸聲量。通過(guò)可聽(tīng)化試驗(yàn)，被測(cè)者均認(rèn)為音質(zhì)達(dá)到極佳狀態(tài)，比方案一、方案二均優(yōu)。方案三的中頻混響時(shí)間為0.47s。下面是計(jì)算機(jī)模擬與模型實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)。 彩色圖象效果比較明顯，可以看到方案三比方案二后部的聲壓級(jí)明顯提高，聲場(chǎng)也更均勻些被確定的設(shè)計(jì)方案模型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 表4 模擬實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)滿(mǎn)場(chǎng)混響時(shí)間(s) 清晰度指數(shù)C50(dB)滿(mǎn)場(chǎng)前后排最大聲壓級(jí)差dB（A）125Hz500Hz2KHz125Hz500Hz2KHz方案三1.120.470.453.011.221.334.8根據(jù)選定的聲學(xué)方案，教室改造于2002年7月進(jìn)行，歷時(shí)一個(gè)月。表5是建成后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥吹侥Ｐ蜏y(cè)量數(shù)據(jù)與完工后實(shí)測(cè)比較接近，說(shuō)明方案的研究是完全正確的。根據(jù)使用中師生的反映，音質(zhì)效果非常理想。改造完成后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 表5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)滿(mǎn)場(chǎng)混響時(shí)間(s)清晰度指數(shù)C50 (dB)滿(mǎn)場(chǎng)前后排最大聲壓級(jí)差dB（A）125Hz500Hz2kHz125Hz500Hz2kHz改造完成0.800.450.352.311.151.274.46結(jié)論對(duì)于100座左右的教室，混響時(shí)間指標(biāo)非常重要，較為理想的滿(mǎn)場(chǎng)設(shè)計(jì)值是中頻。超過(guò)0.6s，清晰度會(huì)受到影響。傾斜的前部天花頂棚對(duì)改善聲場(chǎng)均勻度，提高教室后部聲能有一定幫助，但根據(jù)師生調(diào)查反映，使用中沒(méi)有感到后排音質(zhì)的明顯差異，這可能是由于教室較小，