教学环境扩声系统的现状与发展趋势——从武汉大学数字红外“一师一麦”项目谈起

朱昱霏

ZHU Yu-fei

（深圳市台电实业有限公司）

(Taiden Industrial Co., Ltd.)

1 引言

2018新春伊始，坐落于湖北省珞珈山下、东湖之畔的武汉大学传来喜报，学校将为老师们配备总计3000余支的TAIDEN TES-5600系列数字红外无线麦克风，在近500间教室内安装数字红外无线教学扩声系统，为广大老师打造一个“保真无辐射，卫生零管理”的“一师一麦”顶级教学环境，用最前沿的科技造福广大师生。该项目首期的1500支数字红外无线麦克风和近500间教室的固定设备已经全数安装完毕并验收。与武大不约而同采取这一做法的，还有同样位于江城武汉的另一所高等学府——武汉科技大学，也配备了1500支TAIDEN TES-5600系列数字红外无线麦克风及350多间教室的固定设备，实现了“一师一麦”。在教学扩声方案和产品如此繁多的当下，为什么这两所高校同时选用了数字红外无线麦克风？为什么会用如此大规模的“一师一麦”？究竟什么是“一师一麦”，它的魅力又在哪里？与其他扩声产品相比，它具有什么样的优势？这要从教学环境扩声系统的现状和发展历史说起。

2 教学扩声系统的兴起

在教育信息化发展迅猛的今天，大量的小学、中学、高校纷纷引入教学一体机、录播教室、创客空间、AR实验室等形式丰富、手段多样的教学辅助工具，却容易忽视教师授课最基本的一项需求——扩声的质量。在传统课堂上，没有扩声设备，教师经常大声授课，容易声嘶力竭，而长时间大声授课也使咽喉病成为教师的职业病。同时，仅凭教师自身讲话的声音，后排学生很容易听不清楚而导致上课开小差，影响学习效果，教师也要经常维护课堂秩序，影响教学效果。因此，教学扩声系统便应运而生，期望通过扩声设备，将教师授课的声音放大增强，给学生带去更好的听课体验同时保护教师的“金嗓子”。

3 几种教学扩声系统的对比

3.1 有线扩声系统

传统的有线扩声系统实现简单，成本较低，可以实现基本的教学扩声功能，其缺点是，台面式麦克风位置固定，而手持式麦克风则受连接线长度限制，教师授课只能局限于讲台边缘狭小空间，板书时就无法扩声，教师授课姿势呆板，容易疲倦，也难以与学生互动，或进行肢体演示。

3.2 无线射频扩声系统

鉴于有线扩声系统存在的问题，音频设备厂商推出无线教学扩声产品，采用无线传输技术进行教学扩声，其中最早出现的就是射频传输技术（见图1）。射频传输主要包括UHF、VHF，以及2.4G、WiFi、蓝牙等。射频可以穿墙传输，一般可以传输50-100m，没有方向性。

图1 无线射频扩声系统

然而，对于教学应用，教室密度高，通常是多个相邻的教室，甚至几十、上百间教室同时使用多套系统，若使用无线射频系统，各系统间很容易引起互相干扰、串音，从而影响正常的教学秩序。在教学环境，麦克风有时需要在不同教室之间流动使用，此时就必须重新调整频率（对频），因此常常给老师带来出错的可能。另外，随着电子信息化设备在校园的应用越来越普及，无线电干扰无处不在，且难以预知；射频频点资源也濒临无可用的情况，各种无线系统（包括WiFi设备、蓝牙设备、无线对讲机、无线投影机、无线鼠标/键盘、中控无线触摸屏等）互相抢资源，互相干扰。因此基于无线射频传输技术的无线射频麦克风在大规模应用于教学环境中是一直存在缺陷和隐患的。此外，一些需要特殊关怀的老师群体，例如怀有身孕的准妈妈老师，不适合长时间佩带使用会产生电磁辐射的无线射频发射设备。

3.3 吊麦扩声系统

为了解决使用传统有线麦克风老师授课空间局限和无线麦克风的管理问题，近年来，有厂商推出了吊麦扩声系统（见图2），远距离拾音。

图2 吊麦扩声系统麦克风

吊麦扩声系统麦克风安装距离较远（一般在2～3m），声音还原效果差，环境噪声也会进入到扩声系统中。根据声音传输的物理特性，点声源距离每增加一倍，声压级就减少6dB（功率减少为原来的1/4），系统要提高扩声增益，环境噪声也会随之增加，为此必须进行噪声消除（ANC）和啸叫抑制等数字音频处理。但是，受到教室环境限制，这些数字音频处理技术的处理效果都不理想，使得扩声后的声音严重失真，声音处于啸叫的临界状态。长期在此环境下听课，学生可能产生烦躁的现象，影响学习效果。同时，声音的严重失真也会影响学生对声音美感的培养。

3.4 红外无线扩声系统

为了解决射频技术在音频传输应用的缺陷，人们开始致力于红外线传输技术的研究。红外线传输技术相比射频技术而言，有一些显著的特点，那就是：不能穿墙，不受无线电干扰，亦不产生无线电波，不受无线电频率使用限制。这使得红外无线扩声系统具有良好的私密性及抗干扰能力，非常适合于会议室、教室等需要良好的信号隔离的场所使用，即便是上百套红外无线扩声系统在相邻的教室同时使用也不会互相干扰，也不受频率资源限制。此外，红外线传输技术不产生电磁辐射，长时间使用也不必担心辐射问题。

一开始，市面上用于教学扩声的红外无线系统皆为模拟红外传输技术。模拟红外无线系统的音频信号通过频率调制（FM）方式调制，再通过红外线进行传输。模拟红外传输技术较为成熟，成本低，但音频传输质量不高，频响带宽较窄（一般为 200Hz～5kHz），信噪比（S/N）最好时能做到55dB～60dB，能确保良好音质的传输距离较短（一般只有6～8m），随着无线传输距离增加，信号减弱，信噪比会显著降低。

基于上述现状，深圳市台电实业有限公司发明了数字红外无线麦克风，并自主研发了数字红外处理芯片（发明专利号：200710076589.3，欧盟实用新型专利号：Nr.212008000014.8，见图3），进而研发了世界上首套数字红外无线会议系统和数字红外无线教学扩声系统（见图4）。使用数字红外传输技术的无线麦克风将音频信号通过数字红外处理芯片进行数字编码，并以DQPSK 数字调制技术进行调制，然后通过红外线进行传输，系统的音频传输质量达到了完美的专业级别：频率响应可达到50Hz-20kHz；信噪比达到80dB以上；失真度小于0.06%；最远传输可视距离可超过25m，实际应用范围大于12m半径；只要在信号可接收的情况下，系统均输出CD级音质，让音质不随着距离而打折,教学不因声音而烦恼。

图3 深圳台电自主研发的数字红外芯片

图4 TAIDEN数字红外无线扩声系统

4 数字红外“一师一麦”

有了数字红外技术的保障，教学扩声在一定程度上已经得到了一个理想的解决方案，没有了错综复杂的连线、没有了干扰串音的窘困、没有了嘈杂失真的尴尬。在当前教学环境中，很多都是走班、串班教学，以及越来越多的公开课、展示课等，教师使用时需要走麦克风借用程序，共用麦克风也会产生交叉污染，这对麦克风的使用和管理都带来了不便和挑战。基于这样的需求，“一师一麦”的概念应运而生。所谓“一师一麦”，就是每一个教师拥有一个专属麦克风，除了更加卫生之外，麦克风轻便、易携带，可在各个教室之间流动使用，免去了麦克风借用管理的麻烦（见图 5）。

图5 各式方便佩戴的麦克风

不同于无线射频麦克风在不同教室使用时需要繁琐地调频、对频，使用数字红外无线麦克风的教师在走班时，换到下一间教室，一开口声音就出来，且音质永远保持完美状态，为教学工作省下了宝贵的分分秒秒。可以说，数字红外无线麦克风的出现，将“一师一麦”的概念发挥到淋漓尽致！同时，红外技术的引入进一步保证了扩声过程的绿色安全、杜绝电磁辐射等优点，使不同老师群体都能放心使用。可以说，数字红外无线教学扩声系统，是一款真正让人省心又安心的产品。

前文提及的武汉大学和武汉科技大学这两所高校正是采用了数字红外无线教学扩声系统，实现了完美的“一师一麦”方案。数字红外处理芯片和拥有国际发明专利的数字红外无线麦克风已得到业内的广泛认可和国内外众多工程项目的验证。将这一已经成熟应用的国际先进音频技术引入到教学领域，可以说是对教学扩声市场一次重大的革新。

5 结束语

在教室分布相对集中，又存在诸多未知干扰源的教学环境中，要兼顾音质、抗干扰性能及管理是否方便等要素，数字红外无线扩声系统的“一师一麦”应用方案称得上是最理想的解决方案。武汉大学和武汉科技大学大规模应用数字红外“一师一麦”的方案，标志着教学环境扩声方案的最新发展趋势，也是对传统教学扩声产品更新换代的呼吁，相信也势必会在不久以后的教育装备领域中得到更广泛的应用。