教室声学音质设计一例

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作者：燕翔 徐学军 侯冰洋 汤静波
摘
要：
清华大学建筑馆北114教室听课效果不良，于2002年进行了装修改造。改造过程中，教师指导学生对教室声学问题进行了细致深入的研究，提出科学的设计方案，装修后的教室声学效果非常理想。本文介绍了改造的声学研究过程和得出的一些结论，文中包括国内外教室声学设计的调研、教室声学设计的考虑、北114教室存在的音质问题的分析和实际测量、提出多种音质改造的设计方案、使用缩尺比例模型和计算机模拟两种方法对设计方案的分析测量和评价、可听化音质模拟的听众主观评价和最终设计方案的确定、改造后的音质测量结果和音质效果调查等等。
关键词：教室声学，音质，可听化模拟，计算机音质模拟，比例模型音质模拟
清华大学建筑馆北114教室是建筑学院的专业教室，可容纳100名学生。教室长14.4m，宽7.0m，净高4.0m，体形瘦长。使用中学生的评价很差，主要是听不清老师的讲课。学院决定对114教室进行装修，同时解决音质问题，设计方案由建筑物理实验室完成。在实验室，教师指导学生对教室音质进行了研究，以求获得最佳设计方案。研究分为以下步骤：
1 教室音质设计文献调研“为学校创造安静的环境，保证教室和其它教学用房具有良好的听闻条件，是学校建筑设计中最基本的要求之一。……噪声的长期作用不仅会直接影响到教学质量，同时，在一定程度上还影响到学生(特别是儿童)的健康和正常的发育。……教室内合适的混响时间，均匀的声场分布也是确保教室良好听闻的重要条件。”——《实用建筑声学》
“在一般小型教室，主要是防止混响时间过长，特别是在听众没有坐满时。大型教室或讲堂还要适当设置反射表面，以充分利用第一次反射声，保证室内有足够的声压级。为了使室内有足够的声压级和短的混响时间（小型教室在0.6s以内，500人的教室不超过1s），教室、讲堂的每座容积不超过（3~3.5）m3。”——《建筑声环境》。
“小型教室混响时间最好应在：0.4~0.6s之间，最多不能超过1s。如果设计适当，500座位以内的教室或讲堂可以不用电声系统。考虑到墙壁之间的共振，吸声材料一定不要集中放在天花和地面，而要分散开。这样声场也会均匀。学生区增加吸声量，可有效的减少学生本身的噪音，对学生之间的交流有利，但对于讲课并无太大作用。天花的中间区域必须由反射声音的材料构成，以加强1次直达声。老师头上的天花应当倾斜，以加强1次反射声。”
——以上摘自《Classroom Acoustics》
通过文献调研可知：
（1）教室音质设计的前提是使室内保持足够低的背景噪声级。这一点对于建筑系馆北114基本不用考虑，因为北114附近并没有明显的噪声源，学生抱怨的是听不清楚，尤其坐在后排。
（2）合理布置吸声材料，把混响时间控制在合适的水平，并且避免出现回声、多重回声等声学缺陷。上述材料中都提出了混响时间指标，最佳指标是多少？这是需要研究的问题
（3） 充分利用天花的近次反射声，加强教室后部的声能。这一点在500人左右的大讲堂中是经常用到的，在100人左右的小教室中很少用到。北京安苑北里中学曾在讲台上悬吊反射板，教室后座的声压级可以提高3.5dB。（数据摘自《实用建筑声学》）
2 音质对比及实测为了找出北114教室音质问题，选择了学生评价较好的3407教室进行了对比。该教室长13m，宽6.6m，高4m，体量与北114的接近。不同的是，3407教室使用了矿棉吸声板吊顶，高度约3m。音质实测的对比见表1。根据对比数据得出初步的结论：北114主要问题是混响时间过长，导致语言浑浊、听不清；对于后排的学生，直达声小，更加听不清楚。所以，必须降低教室的混响时间，使它在0.4~0.6s之间。另外还可看出，教室混响时间降低后（3407教室），会导致前后排声压级差距变大，出现声场不均匀，应该利用天花反射或散射增加后排声能，使前后排听音音量接近。

3 音质设计方案的提出由调研和实测分析看出，解决114教室音质问题，首先要控制混响时间，其次吊顶天花的声反射散射形式也需要考虑。共提出两种不同的音质方案，如表2，设计中综合考虑了美观、音质、材料、施工、造价、维护等因素，力争取得既美观、音质良好，同时又经济实用的效果。

为了比较两方案，采用了计算机模拟和1:5缩尺比例模型进行音质研究，还进行了可听化模拟的听觉主观评价和装修效果的视觉主观评价，并由此确定最佳方案。
4 计算机模拟和1：5缩尺比例模型可听化模拟计算机模拟采用了由德国的ELAC 开发的CARA（Computer Aided Room Acoustics）软件。软件包括建模、声学参数计算和三维声学效果图，如图1、图2。CARA 软件的原理是声线追踪法，能够计算的房间声学参数有RT60，EDT，声场分布，脉冲响应以及其他相关参数。CARA在计算结果的表达上使用了三维的动态视图，如图3所示，为未装修前满场声场分布。

缩尺比例模型采用的是在实验室建造1:5的模型，根据相似性原理，通过将频率提高5倍测量模型的音质以模拟实际情况的音质参数。模型采用密度板、海绵、棉毡等模拟实际教室的吸声材料。模拟材料的吸声系数测定是利用教室模型本身作混响室，通过有无吸声材料时模型中混响时间的变化求得。并根据实际方案选用材料的吸声特性选定模拟材料。在比例模型中进行了混响时间、声场分布、清晰度指数、脉冲声响应等音质参数测量。如图4、图5是比例模型测试的情形。

在混响极短（小于0.1s）的房间中录制教师正常授课的片段，存成数字文件。在模型中，利用计算机使用5倍的频率快放，通过话筒接收并存储后，再还原成正常速率的语音，使用耳机听音，就可以进行可听化模拟了。由于受到扬声器和话筒频宽的限制（使用的是上限20kHz的测量级设备），因此模拟的带宽上限为20kHz的1/5，即4kHz，这对于语言模拟的带宽是完全足够的。
从模拟结果来看，计算机模拟与模型实测结果具有相关一致性。计算机模拟在方案调整方面比较容易，但由于在原理上存在波动理论的缺陷，模拟精度要差一些，但计算机模拟对于直观了解材料、面积、布置方式、吸声系数改变情况下音质的变化趋势较有帮助。我们的做法是利用计算机模拟做方案的初评，再用比例模型的方法测量具体参数。两方案模型实测的比较情况如下表3：

在可听化模拟的主观评价实验中，被测对象为5人，2人为建筑系教师，3人为建筑系学生，被试者事先不知到方案情况。测试包括主观听闻效果和装修效果的可接受程度。实验结果显示，全部被试者认为方案二的音质好于方案一，但仍觉清晰度不够；一致认为两个装修方案美学效果都不错，都可以实施，作为建筑系教室，因方案一前部天花倾斜，有声反射的演示作用，可以作为优选方案。
5 最终确定的设计方案测试和音质主观评价的结果基本一致。方案二的清晰度比方案一好，但方案一具有更好的声场均匀度。综合考虑，应既保持良好的清晰度，又有较好的声场均匀度，因此对方案一进行了改进，提出了方案三。方案三的吊顶形式维持与方案一相同，只是将后部吊顶的矿棉板改为穿孔矿棉板，吸声系数由0.4提高到0.7，增大了吸声量。通过可听化试验，被测者均认为音质达到极佳状态，比方案一、方案二均优。方案三的中频混响时间为0.47s。下面是计算机模拟与模型实测的数据。


彩色图象效果比较明显，可以看到方案三比方案二后部的声压级明显提高，声场也更均匀些。

6结论对于100座左右的教室，混响时间指标非常重要，较为理想的满场设计值是中频0.4-0.5s。超过0.6s，清晰度会受到影响。倾斜的前部天花顶棚对改善声场均匀度，提高教室后部声能有一定帮助，但根据师生调查反映，使用中没有感到后排音质的明显差异，这可能是由于教室较小，天花倾斜反射的效果有限，另外，作为声源的老师在讲台上有一定活动范围，天花反射角度也不可能保证对任何位置都十分有效。
本设计案例中使用了多种声学辅助设计方法，最终获得了较好的效果，这是难能可贵的。如果没有可听化模拟的帮助，很可能凭借经验(一般认为中等教室的最佳混响时间为0.6s)选定了方案一，而与更好的方案三擦肩而过，险些成为遗憾。对主观听闻与客观物理指标之间关系问题，在建筑声学设计研究中非常重要，可听化模拟是帮助解决这一问题的方法之一

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这种教室模式很典型，有借鉴价值。