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近年来,许多中学、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,如何改善室内声场环境?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)吸声体与体育体。

(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)体育体(反射板)。通过体育体(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体育体。

(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)和后墙则铺满玻纤网站吸声板。

(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

 


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