教學演播室聲音環境的改造及混響時間控制*——以上海交通大學教學演播室為例

呂軍黃健劉秀蓋文靜

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教學演播室聲音環境的改造及混響時間控制*——以上海交通大學教學演播室為例

呂 軍 黃 健 劉 秀蓋文靜

（上海交通大學 教育技術中心，上海 200240）

教學演播室聲學環境的改造直接關系到最終教學視頻的聲音質量。文章以上海交通大學教育技術中心教學演播室為實際案例，根據學校建設的具體情況及建聲設計的一般原理，介紹了教學演播室在與外界環境隔離、內部噪聲控制、聲染色的避免和混響時間改善等方面的實際經驗。同時，文章根據教學演播室使用的不同方式，采用穩態噪聲切斷法，對添加玻纖板前后的混響時間進行測量，并對改造前后的混響時間進行對比。通過改造，使教學演播室的聲學環境及混響得到改善，為錄制良好的視頻課程提供了基礎條件。

教學演播室；混響時間；教室建聲設計

引言

慕課和微課的興起，給學校視頻課程的建設提出了新的要求[1]，制作慕課和微課的方式層出不窮，教學演播室成為視頻課程攝制的重要載體。上海交通大學的教學演播室集成了兩種課程錄制方式：一種與傳統課堂的授課方式接近，教師通過與交互式大屏的交互完成教學內容的講解與傳遞，如圖1所示；另一種與電視臺節目制作的方式接近，教師通過虛擬演播系統完成課程的真實講解和內容的虛擬呈現，如圖2所示。良好的視覺效果和知識呈現是教學演播室的重要優勢，是吸引學生持續觀看的重要原因，但無論是傳統課堂還是教學演播室的課程錄制，聽覺感受在能夠被容忍的范圍內，往往被課程錄制人員所忽視。聽覺不僅是重要的信息傳遞渠道，也能引發感覺的愉悅或疲勞，因此在視頻課程的錄制上也應該注意對聲音的處理。

圖1 實景課堂演播室

圖2 虛擬課堂演播室

教學演播室錄制視頻課程的聲音受諸多因素的影響：①與聲源處教師的發音有關；②與聲音傳播過程中教學演播室的環境有關；③與聲音采集的設備與設置有關；④也與教師使用的教學資源中的視音頻有關。在上面四個重要因素中，第一個因素不容易改變，第三個因素可以通過選擇合適的設備并對其進行合理的設置得以解決，第四個因素則可以將教學資源的音頻信號直接導入或后期插入到合成視頻中。聲音在傳播的過程中受到的影響因素最多，如教學演播室的結構、教室墻面地面及天花板的材料、教室內的設備和教室門窗的縫隙等。因此，第二個因素是教學演播室改造的重要環節，通過對上述環境因素的改造，對創造出良好音質的聲音及混響效果具有很大的幫助。

一影響教學演播室聲音環境的因素及其改造

傳統教學樓在建設初期，一般不會將教學演播室納入規劃之中，學校必須在后期對原有教室進行選擇和改造，使其滿足教學演播室的實際需要[2]。在改造過程中，影響教學演播室聲音環境的因素主要包括以下幾個方面：①選擇合適的位置，并對墻壁進行加厚，隔離外界環境的不利因素，防止其對教學演播室產生的影響；②選擇低噪音設備，采取合理的人與設備的管理辦法，控制教學演播室內部的噪音；③要注意教學演播室的形狀結構特點，防止發生“聲染色”等現象；④選擇合適的吸音材料改造教室的壁面，制造理想的混響效果。

1 與外界環境的隔離

教學演播室的選址要結合校園區域功能規劃及樓層使用特點來進行選擇。首先，要避免教學演播室建在校園的主干道附近，因為校園主干道是噪聲比較密集的區域。其次，不要在實驗室密集的地方建教學演播室，很多實驗室有重型機械設備，設備在使用過程中會產生噪音和振動。最后，教學演播室最好選在教學樓高層的兩側，可以最大限度地排除外界環境干擾。上海交通大學的教學演播室選在教學區域樓層頂層的西側，避開了外界的污染、噪聲和振動等對教學演播室可能產生的不利影響。

在將傳統教室改造成教學演播室的過程中，除了要考慮選址，還應該針對室內外不同噪聲的特點，采取有針對性的控制方法[3]。如上海交通大學的教學演播室，在距離原有的水泥外墻面10cm處增加了10cm左右的薄膠合板夾層墻壁，形成雙層墻，隔絕外部噪音；在演播室與控制室之間采用雙層有間隔的厚玻璃進行隔離，使控制室內人員及設備產生的噪聲無法傳播到演播室中，同時做好玻璃和門窗等縫隙處的密封。通過上述途徑，基本可以阻斷外界噪音。

2 內部噪聲的控制

教學演播室內的噪音主要由設備和人員活動產生。上海交通大學的教學演播室集成了虛擬演播室的功能，其光源采用的是三基色燈管，幾乎不會產生噪音。室內的交互式大屏和用于反看的電視機與顯示器都是低噪音設備，對教師的聲音基本不產生干擾。室內的空調是具有送回風功能的中央空調，有送風的聲音但沒有空調機身做機械運動產生的噪音，在視頻拍攝前，可以將空調暫時關閉，避免送風產生噪音。為了避免教師在教學演播室里走動產生噪音，在虛擬演播室的綠箱地面上增加了一條綠色的地毯，一方面可以降噪，另一方面可以滿足虛擬系統摳像要求。同時，在視頻拍攝過程中，還要禁止其他人員進入和內部工作人員的非必要走動。

3 聲染色的避免

由教室改造而成的教學演播室主要為規則的長方體，其面積一般在幾十平米到幾百平米的范圍內，甚至有些小的演播教室只有幾平米。在這種類型的教學演播室里，當所激發的諧振頻率分布不均時，會使一些諧振頻率發生重疊或非常靠近，從而產生諧振頻率的簡并現象，使某些聲音的頻率得到明顯加強，造成聲染色。避免聲染色現象需要防止簡正頻率并化的發生——簡正頻率并化與教學演播室的長、寬、高比例有關系，切忌教學演播室長、寬、高的比例為整數，最好使教學演播室長、寬、高的比例為無理數，即可大大減少簡正頻率并化的發生[4]。

上海交通大學的教學演播室在用作實景演播室時，其長、寬和高分別為9.47m、6.20m和3.72m，比例關系為：2.5457:1.6667:1；將其用作虛擬演播室時，其長、寬和高分別為13.01m、6.20m和3.72m，比例關系為3.4973:1.6667:1——上述比例關系有效避免了聲染色現象的發生。

4 室內混響時間的改善

混響時間是指聲源停止發聲后，聲能密度降為原來的百萬分之一（相當于聲壓級衰變60dB）所需要的時間[5]。混響時間過短產生的直接聽覺感受是聲音干澀，過長則感覺聲音含糊不清。

由艾潤公式可以發現，在已建好的教學演播室內，降低混響時間的關鍵是選擇合適的室內表面吸音材料，一方面可以增加室內的總表面積，另一方面使平均吸聲系數增大。上海交通大學的教學演播室在改造建設過程中，對演播室的壁面特別是天花板部分做了重點處理。

二教學演播室的混響時間控制

在教室的實際改造過程中，室內的容積一般是固定的，室內的總表面積和平均吸聲系數則可以通過采用一定的附加吸聲材料和吸聲結構進行改變。本研究對上海交通大學教學演播室的地面、四周的墻壁和天花板等部位進行了一定的改造。降噪系數是衡量材料吸聲性能的指標，是在頻率為250Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz條件下的吸聲系數的算術平均值。教學演播室的混響效果的改善還要結合其它實際需要進行綜合性的改造，在考慮降低混響時間的前提下，也要注意使用的便捷性、高效性和環保性等。

1 地面

改造后的教學演播室地面由地膠板、木地板講臺和涂有ROSCO漆的綠箱地板三部分組成。上述三種材料比原有的瓷磚地面具有更好的吸聲效果。使用地膠板是因為其相對光滑，方便攝像機三腳架的移動，且具有一定的彈性，人走在上面不會產生太大的噪音，同時也容易清潔。木地板的講臺和綠箱地板的使用，主要是從美觀和實際使用的需要來考慮的。

2 墻壁

教學演播室的墻壁主體采用薄膠合板，改變原來水泥粉刷的墻面，薄膠合板的墻面具有很多不規則的條紋結構，具有一定的吸聲功能。在控制室與教學演播室之間有一塊很大的雙層玻璃窗口，用于監看教學演播室的視頻錄制情況；靠近教學演播室一側的玻璃與地面形成一定的傾角，使教師在綠箱中發出的聲音不經過玻璃直接反射回去，而是反射到地面。

3 天花板

天花板是最容易進行聲音改造的地方，也是教學演播室聲音改造的主體。教學演播室天花板是光滑的油漆面，其對聲音的吸收功能有限。在油漆面的下方及綠箱的上方是輕質的固定鋼結構骨架，上面懸掛有供摳像使用的三基色燈具，還放置了降噪系數達0.85的玻纖板[6]。玻纖板的尺寸為800×500×25mm3，共計72片。玻纖板共增加的表面積超過28.8m2。玻纖板之間有一定空隙，穿過空隙的聲音經過頂部油漆面仍然會被反射到玻纖板上被吸收。

三教學演播室的實際混響效果

教學演播室在安裝玻纖板前后，采用穩態噪聲切斷法分別進行了兩次測量。由于教學演播室集成了兩種課程錄制模式，因此每次測量都會根據不同課程錄制時教室的空間結構特點，分別進行兩種狀態下的混響時間的測量，并對其進行比較，為教學演播室聲學環境的繼續改進提供數據支持。

1 教學演播室混響時間測量

（1）測量方法

穩態噪聲切斷法是先在室內通過聲源建立一個穩定的聲場，然后讓聲源突然停止發聲，用傳聲器監測室內聲壓級的衰變過程，并記錄其衰變曲線，最后通過聲壓級衰變曲線斜率計算聲壓級下降60dB的時間從而計算出混響時間[7]。

（2）測量過程

混響時間測量過程中使用的儀器主要有聲級計、功放和十二面體無指向性聲源。測量過程如下：首先，將無指向性聲源放置在教師說話的位置，聲級計放置在學生聽課位置（攝像機接收聲音的位置）；其次，連接好設備間的線路并接上電源；再次，設置聲級計發送粉紅噪聲信號（頻率范圍是100~10kHz，中頻達到100dB）給功放，并由無指向性聲源發出聲音，在聲級計上設置發出聲音的時間長短和次數；最后，通過聲級計接收噪聲切斷后聲壓級衰變信號，計算混響時間。在每一位置上要進行三次測量，然后改變聲級計的位置再次進行測量，一共需要在三個位置上進行測量。在測量時，應關閉房間的門窗，控制人員活動和設備噪聲[8]。

2 測量結果及其對比

（1）將教學演播室作為虛擬課堂演播室

將教學演播室作為虛擬課堂演播室時，室內測量平面圖如圖3所示。其中，S1所在位置為綠箱，S2所在位置為教室講臺；在S1處放置聲源，并在室內R1、R2和R3處分別進行測量，然后將聲源移至S2處再次進行測量。在改造前后分別進行測量，測得中頻各頻率對應的混響時間如圖4所示。

圖3 虛擬課堂演播室測量平面圖

圖4 虛擬課堂演播室改造前后混響時間

計算改造前后中頻混響時間的算術平均值，得到如表1所示的數據。從表1可知，在體積大約為300m3的虛擬課堂演播室中，通過添加玻纖板改造，可使平均混響時間從1.43s降低到0.81s，降低了43%。

表1 虛擬課堂演播室改造前后中頻混響時間平均值

（2）將演播教室作為實景課堂演播室

將演播教室作為實景課堂演播室時，需要將虛擬課堂演播室的綠箱用懸掛式推拉門關閉，此時室內測量的平面圖如圖5所示。此時，圖中左側綠箱被關閉，S1所在位置為教室講臺，在S1處放置聲源，同時在室內的R1、R2和R3處分別進行測量。對改造前后分別進行測量，測得中頻各頻率對應的混響時間如圖6所示。在圖6中，低頻部分呈現明顯的山谷狀，主要原因是綠箱被關閉后懸掛式推拉門與綠箱形成薄板共振結構，對低頻吸聲起到了一定的作用。

圖5 實景課堂演播室測量平面圖

圖6 實景課堂演播室改造前后混響時間

計算實景課堂演播室改造前后中頻混響時間的平均值，得到如表2所示的數據。從表2可知，在體積大約為220m3的實景課堂演播教室中，通過添加玻纖板改造，可使平均混響時間從1.36s降低到0.85s，降低了38%。

表2 實景課堂演播室改造前后中頻混響時間的平均值

四結語

改造教室的聲學環境，特別是教學演播室的聲學環境，對于創造良好的音頻聽覺效果具有重要的意義，是給學習者營造良好學習環境的基礎[9]。學校在改造傳統教室為教學演播室時，要選擇比較安靜且振動少的區域。同時，要考慮教室的長、寬、高比例，防止聲染色的發生。室內除了要采用噪聲低、振動小的設備，還要注意房間的縫隙可能帶來的噪聲。在進行視頻拍攝時，要選擇性地關閉部分產生噪聲的設備，控制人員的非必要走動。教學演播室改造的另一個關鍵是要創造合適的混響，上海交通大學的教學演播室在降低混響時間方面，一是改造地面和墻壁面，二是在天花板上采用具有高吸音功能的玻纖板。通過改造，教學演播室的混響時間有了一定幅度的降低，聲音的清晰度得到提高，但仍然沒有達到理想狀態，還可以做進一步改進。如教學演播室的聲學環境改造要與其功能及光學、美學要求結合起來，達到一個平衡。

[1]李青,劉娜.MOOC中教學視頻的設計及制作方法——基于Coursera及edX平臺課程的實證研究[J].現代教育技術,2016,(7):64-70.

[2]袁兵.教室電聲環境評估與改進研究[D].上海:華東師范大學,2016:51-56.

[3]史宙亮.高校電教演播室的設計與建設[J].實驗室研究與探索,2009,(7):161-164.

[4]高玉龍.小房間聲學設計(1)[J].音響技術,2013,(5):51-56.

[5]中國教育技術協會技術標準委員會.JYJS201101多媒體教學環境工程建設規范(第一冊)[S].北京:清華大學出版社,2011:9.

[6]鐘祥璋.玻纖裝飾板的吸聲特性[J].電聲技術,2005,(12):8-11.

[7]李敏毅,孫海濤,吳杰歆,等.混響時間及測量方法簡介[J].中國測試技術,2005,(1):18-20.

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.BG/T50076-2013室內混響時間測量規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2013:25-32.

[9]徐歡,歐達毅.教室聲環境研究進展綜述[J].建筑科學,2015,(8):35-40.

編輯：小西

Acoustic Environment Modification and Reverberation Time Control of Teaching Studio——Taking Teaching Studio in Shanghai Jiao Tong University for Example

LV Jun HUANG Jian LIU XiuGAI Wen-jing

In teaching studios, the design of acoustic environment can have a fatal effect on the sound quality of the final teaching videos. The present research was based on the teaching studio case in Shanghai Jiao Tong University, with consideration of the university’s actual situation and the general principle of architectural acoustic design. Firstly, some practical experience in terms of outside environment isolation, inside noise control, acoustic coloration avoidance, reverberation time improvement and others were introduced. Secondly, based on the different ways of teaching studio use, the interrupting noise method was adopted to measure reverberation time before and after the glass fiber board was installed. Finally, this paper made the comparison of the reverberation time before and after the modification. The results indicated that through modification, the teaching studio acoustic environment and reverberation is improved, which provides the basic conditions to record better video courses.

teaching studio; reverberation time; classroom acoustics design

G40-057

A

1009—8097（2018）02—0087—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.02.013

本文為上海交通大學實驗室技術研究課題“服務于教學資源開發的虛擬演播室的建設”（項目編號：16SJ-018）的階段性研究成果。

呂軍，助理工程師，碩士，研究方向為教學資源開發，郵箱為ksxylj@sjtu.edu.cn。

2017年5月17日