智慧教室建声环境探索与实践

李远亮，沈宏兴

（上海交通大学 教育技术中心，上海）

一 引言

教室作为目前在校学生学习和教师教学的主要场所，教室内视音频系统是获得良好教学效果的重要保障。近年来高校智慧教室建设非常热门，但普遍缺少对音频的关注，尤其是建声环境。事实上，视觉效果通常只需配备高性能的显示设备就可以实现，但要获得良好的听觉效果，不但取决于音响设备的良好性能，还与扩音系统的调教以及建声环境相关。为此，上海交通大学提出了教室的视听环境要从一般教室的“看得见、听得见”提升到多媒体教室的“看得清楚、听得清楚”，再提升到智慧教室的“看得舒适、听得舒适”的建设目标。

教室音响系统两大功能是话筒扩音和音乐播放。一般来说，配置高性能的音响设备，即可保证音乐播放的效果，但话筒扩音效果还需进行声音处理和调校，这与教室固有的声场环境是密切相关的。声场环境越好，越能获得更好的扩音效果；反之，声场环境越差，为了避免啸叫，必然会对声音过度处理，造成声音的不清晰和失真。因此如何改善智慧教室的建声环境，是教室获得良好听觉效果的关键。本文通过分析影响教室声场的各种主要因素，提出了改善智慧教室声场环境的一些措施和建议，并通过对近年来上海交通大学智慧教室改造的一些实例，进行验证和分析研究，总结出一套可行的教室建声改造方案。

二 影响智慧教室建声环境的主要因素

在实际评价衡量室内建声环境最主要的因素还是背景噪声和混响时间。由于教室一般都是位于相对幽静的校园中，背景噪声通常比较小，不会超标。然而混响时间是与教室的内在建筑和装饰有关，不同的教室混响时间差别很大。教室一般是两两平行的六面体，容易产生面与面之间的多次反射现象[1]，且墙壁和内部材料的普遍吸声系数较小，混响时间大多数情况都是超标的。因此我们通常把混响时间作为衡量一间教室建声环境好坏的主要指标。

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[2]。直达声影响声音的亲切感，反射声影响声音的清晰度，而混响声可以使声音具有环境感，有利于提升声音的丰满度，但过强的混响声会破坏声音的清晰度。专业的音乐厅一般既要考虑吸声吸收，还要考虑声扩散。但教室和音乐厅堂的不同，教室日常用于老师话筒扩音为主，学生听课主要接收的是直达声，听到的声音则更清晰和亲切，因此教室的混响时间要尽量减小，即教室的建声工作主要是进行吸音处理。

那如何减少教室的混响呢？通过赛宾公式：T60≈KV/αS，其中，T60是声压级减少60dB所需要时间，即混响时间。K为常量，常温下K≈0.161（s/m），V为教室的容积，α为平均吸声系数，S为室内表面积。

我们可以看出声场的混响时间，混响时间取决于房间的体积和室内表面层的材料。空间越大，混响时间越长，室内表层材料吸音效果越好，混响时间越短。

显然，在教室容积不变的情况下，进行有效的吸音处理，提高室内的吸音系数、增大室内吸音面积，可以有效减少教室的混响。

三 改善智慧教室建声环境的有效措施

目前对教室进行改造，一般要进行装修，包括安装护墙板和吊顶，由于要兼顾美观，吊顶一般不做进一步的吸音处理，但吊顶内巨大空腔本身就具有吸音效果。因此我们主要考虑对墙面进行处理，现在大多采用安装多孔吸音板和吸音棉的方式。

（一）合适孔径的穿孔板（吸音板）

穿孔板的作用是让声波传输通过，然后让板后的吸音棉把声能量吸收，从而达到吸音的目的。根据声学原理，声波通过带有孔径的声屏障时会表现出明显的声衍射现象，声衍射的强与弱是同障碍的大小与声波波长的比值密切相关，可用ka=2πa/λ的值来衡量，ka越小声衍射现象越强，ka越大声衍射现象越弱，可以简单理解为孔越大越有利于吸音，但考虑吸音板的物理造型与强度，可以选择圆孔加长型孔的方式[3]。

目前市场吸音板的种类有很多，有木质板、陶铝板、聚酯纤维吸音板等等。多孔吸音板主要是利用散射衰减的原理，声音穿孔过程中不断摩擦和共振逐渐消耗掉能量，从而起到了吸音的作用。多孔吸音板有一定的吸声作用，但实际上获得更好的吸声效果，主要靠配合安装的吸音棉。所以，吸音板的选择，并不需限定某种材质，只要是各种频率的声波能够穿透的多孔板即可。

（二）良好效果的吸音棉

目前市场上的吸音棉主要有：岩棉、玻璃纤维棉、聚酯纤维棉几种。岩棉是早期使用的吸音材料，纤维直径约20微米，易扎人，质地脆，长时间使用后易变成粉状，导致吸音效果降低，目前主要作为保温材料应用[4]。而聚酯纤维棉目前也作为吸音材料应用，中高频吸音效果好，但缺点是低频的吸音效果差。而教室通常都存在低频共振的现象，低频回声重，如果使用聚酯纤维棉，还需要在教室内另外做低频处理，如安装低频陷阱吸声体等，因此不是最好的选择。而玻璃纤维棉直径约为几微米，柔韧性好，不易扎人，各个频段都具有较好的吸音效果，是目前市场上普遍使用的吸音材料。因此在教室吸音材料的选择上，我们建议应选择玻璃纤维棉。

另外，我们还需注意玻璃纤维棉的规格选择，研究发现，随着厚度增加，中低频吸声系数显著地增加，但高频变化不大；厚度不变，容重增加，中低频吸声系数亦增加；但当容重增加到一定程度时，吸声系数反而下降。因此我们进行教室改造时，选择合适的厚度和容重的玻璃棉，也是一个重要的关注点。

（三）正确的安装方式

图1 1KHZ声波在不同厚度空腔的吸收率关系图

安装吸音板和吸音棉时，需要和墙面间保留一定厚度的空腔。我们知道，声波在穿越吸音材料时，纤维材料因发生变形产生内摩擦，动能转化为热能，因此声波的能量得以消耗[5]。当声波撞击墙面的一瞬间，传播介质空气分子并没有速率，所以如果我们把吸音材料设置在靠近或者贴住墙面，吸收的效果便非常微弱。由于声波行进1/4奇数倍波长时达到最大振幅，当达到最大振幅时穿过吸音材料，幅值被降低，声能转化为热能，以此达到最佳吸音效果。如图（1），我们可以看出，1KHZ的声波，当空腔厚度=λ/4(约为8.5cm)时，吸音系数最高。因此我们安装吸音材料时，和墙面要保留一定厚度的空腔，才能获得更好的吸音效果。

四 智慧教室建声改造实例和分析

（一）实例一：中院部分教室改造

这是我校开始进行校智慧教室改造的尝试。以106教室（面积约80m2）为例，教室进行了简易装修，墙面仅安装了多孔吸音木板，石膏板吊顶。改造前后教室的混响指标如图2。

图2 中院106教室改造前后混响对比图

（二）实例二：东中院教学楼整体升级改造

这是我校开始对智慧教室进行整体的改造，以4-103教室（面积约100m2）为例，对教室进行精装修，墙面安装多孔吸音木板，并加装3cm厚度，容重为25kg/ m3玻璃棉，但当时没有考虑保留墙体空腔，吸音棉紧贴墙面安装。吊顶为岩棉板。改造前后教室的混响指标如图3。

图3 东中4-103教室改造前后混响对比图

（三）实例三： 东下院教学楼整体提升改造

这是我校在总结东中院经验基础上，对智慧教室改造的再提升。以405教室（面积约150m2）为例，教室进行的精装修，墙面安装多孔陶铝板(孔径较大)，加装厚度5~10cm，容重30kg/ m3的玻璃棉，并和墙体间保留了一定的空腔。改造前后教室的混响指标如图4。

图4 东下院405教室改造前后混响对比图

五 分析

根据民用建筑隔声设计规范《GB 50118-2010》和工信部《GB/T 36447-2018 多媒体教学环境设计要求》 ，容积大于 200m3的教室混响时间≤1.0，按这个标准，这三间教室经改造后，基本符合标准。但有研究表明，在高信噪比条件下容积不超过 200m3的教室室内最佳混响时间为 0.6s[6]，从这个角度看，实例一、实例二的低频混响是不合格的。而且，经过比较我们可以发现，实例三的教室改造后在各个频段混响时间都较小，说明教室的吸音效果最好。实例一、实例二经改造后，各频段混响时间都有减小，但减小幅度并不如实例一明显。实例二教室相对来说，吸音效果要稍好于实例一教室。数据结果表明，安装多孔吸音板对教室的建声环境有所改善，加装吸音棉后也有助于改善建声环境，如果安装的吸音棉达到一定厚度，而且与墙面保持一定的空腔，则建声环境显著改善。

总之，这3个实例教室经过改造，建设环境均有不同程度的改善，教室里配置同型号的音响系统，上课扩音效果比原来均有提升。特别是第三个实例，通过调研，上课师生对改造的扩音效果的反馈良好，无论对是音量的大小，声音的饱满度和还原度等主观感受方面都感到满意，这也证明了良好的建声环境，有助于提升教室整体的扩音效果。

六 结语

智慧教室要获得良好的扩音效果，首先要有好的建声环境。通过上海交通大学三个实例教室的改造实例说明，我们要有效降低教室的混响时间，改善教室建声环境，目前比较好的解决方案就是，在兼顾装修美观的情况下，尽可能增加教室的吸音面积，比如在墙面安装多孔吸音板，并铺设合适厚度和容重的玻璃纤维棉，并和墙体保留一定的空腔，同时教室吊顶也尽可能采用吸音材料，扩大室内吸音面积[7]。经过实践，选择厚度约10cm，容重30kg/m3以上的玻璃纤维棉，并和墙面保留约10cm的空腔的情况下，吸音效果较佳，建声环境改善显著[8]。做了这些吸音处理后，教室里的窗帘和人也是吸音体，当上课学生坐满时，教室混响还会降低，整个教室的声场环境还会更好。加装上良好扩音设备后，实现智慧教室的“听得舒适”的建设目标，为人才培养营造优质教学环境。