教室声学环境的分析及改善

查雪琴，吕 豪

(1. 室内声学公益基金会，德国柏林14129；2. 深圳可朗声科技有限公司，广东深圳518000)

0 引 言

目前，我国有关教室混响时间的建议或规范，都只对中频段(500 Hz、或 500～1 000 Hz)有要求[1]，而对于整个频段的混响时间并未涉及。这种观点形成的主要原因如下：

(1) 人耳的听觉灵敏度特性。如等响度曲线ISO226[2]所示，人耳对低频声的灵敏度低于中频和高频。如要取得与1 000 Hz、声压级为60 dB的响度相同，则频率63 Hz的声压级须达到约80 dB。这组熟知的等响度曲线是在不考虑“干扰噪声”的条件下得出的。

(2) 根据语言分析的结论，决定语言清晰度的是辅音，而它们的能量主要分布在中、高频。若要听清楚语言声，室内的声场特性只需控制好中、高频即可。

以上两点分析和结论固然不错，但是绝对不能全面解决教室的室内声学问题。不能忽视有关人耳的听觉和语言的能量以及其他的重要特性，从而失去建立教室优秀声学环境的重要控制因素。现实中常因为忽视除以上两因素外的其他特性，而在对教室声学处理的原则上产生以下误区：

误解 1：听觉的低频灵敏度低，因此可以忽略抑制低频噪声。

人声在低频段仍有较多的能量[3]。尽管受听觉灵敏度的影响，这些低频声在听音时听觉感受不明显，但是这些语音中的低频能量成分，却会激发起室内某些频率的低频共振，成为嗡嗡的干扰噪声源，因此它对于语言清晰度有极大的负面影响。汉语语音的功率谱如图 1所示，不同大小的房间的轴向简正波频率分布图2所示。

误解 2：决定清晰度的辅音能量在中、高频段，因此只要控制中、高频的混响就可以了。

图1 汉语语音功率谱分布[4]Fig.1 The average spectrum of Chinese speech[4]

图2 不同房间尺寸的轴向简正频率分布Fig.2 Frequency distribution of axial modes in rooms with(a) 8.8×7.8×3.5 m3 (b) 9.3×9.3×3.2 m3

这是忽略了人耳听觉系统中的重要的“掩蔽效应”[4]。在存在低频干扰噪声的环境中，低频噪声不仅影响(掩蔽)了与其同频的信号声，还会严重掩蔽比它自身频率高得多的中、高频声。这使得人耳因掩蔽而提高了中、高频声的闻阈，即此时必须提高中、高频声的声压级，才能降低低频掩蔽效应的影响。

ISO226等响度曲线，是不受干扰时测得的结果。在噪声干扰条件下，闻阈的提高量称为掩蔽级，如图 3所示。掩蔽级的大小，因干扰噪声频率和干扰声级以及被干扰频率的不同而不同[4]。

掩蔽效应的“不对称性”十分重要。低频干扰噪声的掩蔽效果向着中、高频扩展，干扰声级越高，向高端扩展越宽。频率为 200 Hz、声压级为 80 dB的干扰声会对大于 200 Hz、直至4 000 Hz以上的频段都有掩蔽作用。而相反，高频干扰噪声却不会掩蔽低频声，掩蔽效应的不对称性如图4所示，图中曲线上的数字为干扰级。

图3 掩蔽声使测试信号的闻阈提升16 dB的示意Fig.3 Hypothetical example in which a masker shifts the threshold of a test signal by 16 dB

图4 掩蔽效应的不对称性图形Fig.4 Masking patterns produced by various pure tone maskers

基于以上两点分析，为了清晰地听到语音，使声音中对清晰度起重要作用的中、高频声不受或少受掩蔽的干扰，必须加强低频的吸声，降低低频的混响时间及室内的低频噪声，使中、高频声正常发挥，才能达到清晰听音的要求。室内混响应该至少控制在 80 ～4 000 Hz频段，如仅控制规范中所建议的中频段，则不能满足上述要求。图 5是 3个国外推荐的教室混响时间标准[5-7]，供参考。英国聋人协会的研究报告推荐的标准是倍频程中心频率 125～4 000 Hz频段的混响时间为0.4 s的平直的特性，其他两个标准都是要求频率低至63 Hz、以中频段的最佳平均值为基准中值的全频段的频率特性。

图5 国外推荐的教室混响时间特性Fig.5 Tolerances for reverberation times and recommended spectral variations

在教室应用电化教育设备日益增多的情况下，低频段平直的混响时间特性，有利于减少电声系统可能激发的房间低频共振。室内要进行的分组课堂讨论，也有利于降低因多声源造成的“朗巴德效应”[8]。

1 我国的研究结果

我国的声学工作者对于学校教室的声学环境要求也做了很多研究[9-10]。他们以不同频谱的干扰噪声，在混响时间和不同频率特性的条件下，对不同年龄的学生进行音节识别率的对比测量。图 6给出了教室内在干扰噪声相同时，两组中频混响时间成倍数改变的不同的频率特性曲线。图 7则是在图 6给出的不同混响时间条件和不同的干扰噪声级时，对比测得的语音清晰度。结果表明：声能量集中在低频段(500 Hz以下)的干扰噪声，对儿童的音节识别率的影响比宽频带的白噪声(注：两种噪声，如图 7中的噪声谱示意图)更大；相同的环境声学条件下，儿童的音节识别率比成年人的低；年龄越小，音节识别率越低。

图 6中不同曲线的图形符号和颜色给出了两组中频段混响时间平均值分别为 0.6 s和 1.2 s时的不同频率特性。中频混响时间为 0.6 s的黑(+)、红(×)、蓝(❋)，分别表示了混响时间自500Hz以下下降、平直和上升的不同频率特性。与之相应的，中频段混响时间平均值1.2 s的也用草绿(◇)、粉红(△)、军绿(○)表示。在图 7 中，用相应的彩色棒给出了它们在不同情况下测得的语言清晰度。

图7上方标注的序号A、B、C表示3种干扰情况的测量结果。图7中，A的信噪比为10 dB，即语言声比干扰噪声高 10 dB。在此条件下，相应的各种混响时间，清晰度都在80%以上，其中中频混响时间短(0.6 s)、而低频混响时间更短的(黑色)最佳，几乎达到 100%。B、C两组的信噪比为0 dB，即干扰噪声级与语言声级相同，但能量成分不一样，B组干扰为白噪声，而 C组干扰则是低频部分高的干扰噪声。同样的混响时间，B组比C组好，说明低频噪声干扰较严重；最差的情况在C组，混响时间长而且低频段混响时间上升到1.6 s(军绿色)，语言清晰度只有略大于 50%。在这种条件下讲课和听课都是极其困难的。

图6 用于模拟测量中的6种不同混响时间特性[6]Fig.6 Six different reverberation characteristics for simulated measurement

图7 两种干扰噪声、信噪比以及不同混响时间平均值和频率特性条件下语言清晰度比较Fig.7 Speech intelligibility as determined in simulated classrooms according to Fig. 6 under different noise spectra[10]

2 室内声学材料布置的优选位置

对教室进行声学处理时，要降低低频干扰，同时注意控制整个频段的混响时间特性。

图8给出的是脉冲声的房间响应。图8中，ti表示直达声与早期反射声的时间间隔，也称初始时间，ms；tgr表示早期反射声至混响声的过渡时间；V为房间体积，m3。图 8中，WD表示直达声；Wi表示早期反射声；WR表示混响。在直达声之后是早期反射声，约经过渡时间后，开始由室内的衰变率决定的混响过程。一间体积为250 m3的教室，过渡时间大约为 30 ms。根据听觉生理的“哈斯效应(Haas Effect)”(见图 9)[11](又称“先入为主”效应)，哈斯效应反映了听音中反射声不与原始声分裂的声级差和延迟时间的关系。对于30 ms之内的早期反射声(图8 中的Wi)，若它的强度和延迟时间满足图 9的关系，则会加强直达声，且不改变直达声的声像位置，即感觉只有一个与原声源一致的声音。此时，早期反射声会加强直达声(原声源)的响度，对提高清晰度有积极作用。如果反射声延迟时间大于 50 ms，发生在混响过程中，或反射声响度突出，就会使人感觉是分离的一个个的回声。如图8中在WR范围内所示的突出回声，是应该抑制并消除的。具体的延迟时间与反射声的相对强度、频率及声源本身的时间特性有关。

图8 脉冲声的房间响应Fig.8 Impulse response characteristics of a room

图9 哈斯效应曲线Fig.9 Haas effect curve

教室的声学设计，既要降低低频混响，使其至少在约 80～2 000 Hz频段内有基本平直的频率响应(更高的频段因空气温湿度的影响而变化)，又不降低有利的中、高频反射声。因此，吸收中、高频的吸声构件不要布置在可能对听音区产生30 ms之内反射声的界面上。因为这些界面所产生的早期反射声，对于提高语言直达声的响度和清晰度都有积极作用。

教室内影响反射声的吸声材料分布如图 10所示，用简单的声线图得到的由侧墙和顶至教室中、后部的早期反射声如图 11所示，不能把吸收中、高频的吸声构件布置在吊顶中部和两侧墙面。在吊顶中部，大部分面积不要布置吸声构件的建议，也已列入一些声学专业书籍和规范中[5-6]。

图10 教室内影响反射声的吸声材料分布Fig.10 Conventional absorptive claddings at the ceiling of a classroom

图11 由侧墙和顶至教室中、后部的早期反射声：(a) 由两侧墙；(b) 由顶部反射Fig.11 Valuable early reflections from (a) side walls and(b) ceiling to the center-line of a classroom

利用侧墙和顶的早期反射声，可以提高中、后排座位处的响度和清晰度。以一间长、宽为在8～10 m、高度约为 3.5 m 的教室为例，如果教师在距前端墙 1 m左右，前端墙上一般是书写板一类的反射面，它对于教师的声音是有支持作用的。图 11中的侧墙和顶面，这些面上的一次反射声与直达声之间的行程差，大约在 3～10 m之间，对应约10～30 ms的时延。如果在这些面上不布置中、高频的吸声构件，而是普通的硬墙面或玻璃窗，由此产生的一次反射声是有利的，对提高响度和清晰度起积极的作用。因此，用于降低噪声、控制混响时间的吸声构件就不应该安装在这些表面。常见的以中、高频吸声为主的吸声吊顶，布满整个的顶面，是不合理的。同样，两侧墙上一般也不应做中、高频吸声处理。

3 一种有效的教室声学处理

3.1 加强低频吸声，抑制低频混响，合理安排吸声构件

在一间教室里，有些吸声体是不可避免的。除了门、窗(包括窗帘)、家具等零星物件有少量吸声外，主要的吸声体是学生。单人坐在木椅上的等效吸声量(单位：m2)表 1 所示。这些室内固有的、不可避免的吸声体对于室内声学处理所需要的中、高频的吸声量已经足够，主要欠缺的是低频的吸声量。

表1 单人坐在木椅上的等效吸声量[5]Table 1 Equivalent absorption area in m2 of a person on a wooden chair[5]

图12 混响室内墙角吸声体与地面吸声构件(厚度40 cm)的吸声系数的比较[12]Fig.12 Absorption coefficients in comparison to the same thickness (40 cm) materials as indicated (a) laid on the ground， (b) and (c) incorners[12]

图12是安装在地面和墙角处的吸声体[12]。它利用声波在硬墙面附近约1/4波长范围内，因声波同相反射而能量叠加、得到更强的吸声的原理，来提高低频段的吸声效果。因为低频声波长在米级范围，低频段的吸声效率的提高，对于整个房间的作用是明显的。例如频率为 100 Hz时的声波的 1/4波长是 85 cm，也就是在距界面约85 cm范围内，100 Hz的声音在此范围内的吸声效果都会提高，大大增加了室内在该频率的总吸声量。若频率更低起作用的范围更大。而频率为1 000 Hz的声波的 1/4波长只有 8.5 cm，在这个小体量范围内虽然吸声效率也会提高，但对于整个房间吸声量的贡献较小。图 12中给出了同体量的材料、布置在地面中间以及墙角和墙棱的不同透声面积的吸声体的有效吸声系数，体现了它们之间不同的吸声特性。图12(a)中试件为40 cm厚的多孔材料，均匀铺设在混响室地面中部，试件边缘用石膏板处理，吸声体面积为3×4=12 m2。图 12(b)中为设置在墙角、短面用石膏板封住、宽面为穿孔石膏板的试件，吸声体面积为 0.5×6.5=3.25 m2。图 12(c)为设置在墙角处，两面均开放的吸声体，参数同图 12(b)中。图 12中墙角吸声体的低频上升的吸声特性，与室内的固有吸声体的特性互补，正好可以构成所需要的中、高频平直和低频下降的混响时间特性。同时由于它只占用墙角，让出了产生有利反射声的部位，从而在教室中既能获得平直的混响时间特性，又可获得中、高频的有利反射声。从声学处理及建筑效果等方面，具有以下优点：

(1) 根据教室的具体情况，在教室顶部与墙连接的周圈部位，室内四角的立柱部位，尽可能地安装这种墙角吸声体，就控制了这个三维空间的低频共振效应。目前常用教室内，大约安装 50 m这种墙角吸声体，就可以满足室内声学处理中关于降低低频混响的要求；

(2) 吸声体所具有的中、高频吸声量，也可满足对该频段的吸声量要求，一般不再需要增加其他吸声体；

(3) 不占用房间内的使用面积，不影响房间的使用，原室内的建筑外观没有大的改变；

(4) 节省投资；

(5) 对已有的旧教室也可以做补充处理。

3.2 实 例

用上文叙述的原理和想法，四年前，在柏林的媒体专科学校改善了一间约 275 m3的教室，该校的教学及实习用房是利用原东德的一个工厂厂房，结构坚固而未做任何室内声学处理。该教室的隔声、隔振没有问题，但是每间教室内，教师的授课都非常吃力，学生听课也感到很困难。按照在室内声学处理中“处理低频”的原则，得到了满意的结果，如图13所示。图13(a)中，红色箭头处即为改善声环境的吸声体。在此之后，借鉴此室的改造经验，在柏林各类学校进行了推广，用同样方法解决了 100间以上各类学校教室的降噪和音质问题。

图13 柏林某教室改善前后实测结果Fig.13 Reverberation times before and after the acoustic treatment in Seminar room at a media school in Berlin

2018年上半年，深圳可朗声科技公司开始致力于国内学校中的声学问题，并设法试验推广。在深圳市某小学，改造了一间约 680 m3的会议室，过去几乎不能在此举行会议的情况，得到了根本改善，测量结果如图14所示。

近来又对深圳市另一学校的教室，采取了同样的声学改善措施，其混响时间特性也取得较好的结果，如图15所示。

实测结果显示，教室的空室混响时间，经改正后，在 80～8 000 Hz频率范围内都在(0.6±0.1) s范围内，频率响应较平直。在室内有学生的情况下，参照表 1给出的吸声量，混响时间的估算的结果约为 0.4 s。计算中的此吸声系数采用的是德国的数值，因为当地气候条件与深圳有差别，学生的穿着比深圳学生更厚一些，因此，加上学生的室内吸声量后，总吸声量会略低，混响时间约为 0.5 s。这样微小的差别对音质的影响也不重要了。此结果与英国 BATOD的推荐值(125～4 000 Hz，0.4 s的频率响应特性的建议)相比较，是基本一致的。

图14 深圳市某小学会议室改善前后实测结果Fig.14 Acoustical treatment in a meetingroom of a primary school in Shenzhen

图15 某学校教室声学的改善前后的实测结果Fig.15 Measured reverberation times in a classroom before and after the acoustic treatment

4 结 论

通过在深圳某小学的会议室(面积约 680 m3)和深圳市某学校教室(面积约 250 m3)的实践，说明在处理室内声场环境中，无论对新建的或改建的环境，用上述建议能够降低噪声、改善混响时间特性直至 80 Hz低频的平直特性，是既节省投资，又简单可行的措施。以上两项改善室内声场的项目，得到了两校领导的大力支持，在此表示感谢。