教室声学音质设计一例

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1、教室声学音质设计一例燕翔 徐学军 侯冰洋 汤静波（ 清华大学建筑学院建筑物理实验室，北京， 100084 ）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

2、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

3、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。”一一实用建筑声 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（33.5） m3 ” 建筑声环境。“小型教室混响时间最好应在：0.40.6s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

4、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

5、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 音质对比及实测表1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：

6、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0.40.6s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。北 114 教室和 3407 教室音质实测对比空场混响时间（S）满场混响时间（s）空场前后排最-大声压级差dB （A）满场前后排最 大声压级差 dB（A）125Hz500Hz2kHz125Hz500Hz2kHz北114教室2.311.711.191.750.880.694.27.73407

7、教室0.750.410.390.980.560.437.59.23 音质设计方案的提出由调研和实测分析看出，解决1 1 4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。方案二方案一方 教室前半部采用纸面石膏板反射吊顶且教师头顶 案 上部天花有倾斜角度，目的在于将教师的声音更多 说 地反射到教室后部。后半部天花为折板状矿棉吸声 明板,用于控制混响，并对后部天花反射声形成扩散。天花由四块大平板构成，平板上有弧型扩散面， 吊顶吸声部

8、分为穿孔矿棉板,扩散部分为纸面石 膏板。方案更注重装修的美观,避免“声学痕迹” 音质控制主要依靠吊顶吸声和声扩散。混 设计中频混响时间为0.6s，主要吸声材料为矿棉 响板（吸声系数=0.4）待1、混响时间0.6s是否合适？2、天花设计是否有较重的“声学痕迹”？研3、前部倾斜的反射天花作用是否明显？究设计中频混响时间为0.5s，主要吸声材料为穿孔 矿棉板（吸声系数=0.7）1、混响时间0.5s是否合适？2、声场均匀度如何？尤其是后排声场。3、天花的扩散作用是否明显？4、声场均匀度如何？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

9、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。閣2 CARA材质库图2 CARAI拟的声场另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，通过将频率提应等音质参数测量

10、。如图 4、图 5 是比例模型测试的情形。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20

11、kHz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 3：两方案模型实测结果对比 表 3满场混响时间(s)清晰度指数 C-50dB) 满场前后排最大125Hz500Hz2kHz125Hz500Hz2kHz

12、声压级差dB (A)方案一1.470.60.574.432.322.263.7方案二1.130.530.472.041.551.156.4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

13、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。團6方案二计算机模拟声场分布團7方案三计算机模拟声场分布4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 更均匀些被确定的设计方案模型实测数据 表 4模拟实测数据满场混响时间（S）清晰度指数C（dB）满场前后

14、排最大 声压级差dB （A）125Hz500Hz2KHz125Hz500Hz2KHz方案三1.120.470.453.011.221.334.8根据选定的声学方案，教室改造于 2002 年 7 月进行，历时一个月。表 5是建成后 的实测数据。可以看到模型测量数据与完工后实测比较接近，说明方案的研究是完全 正确的。根据使用中师生的反映，音质效果非常理想。改造完成后实测数据 表 5实测数据满场混响时间（S）清晰度指数c“（dB）满场前后排最大 声压级差dB（A）125Hz500Hz2kHz125Hz500Hz2kHz改造完成0.800.450.352.311.151.274.46 结论对于 100

15、 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。