智慧教室建聲環境探索與實踐

李遠亮，沈宏興

（上海交通大學 教育技術中心，上海）

一 引言

教室作為目前在校學生學習和教師教學的主要場所，教室內視音頻系統是獲得良好教學效果的重要保障。近年來高校智慧教室建設非常熱門，但普遍缺少對音頻的關注，尤其是建聲環境。事實上，視覺效果通常只需配備高性能的顯示設備就可以實現，但要獲得良好的聽覺效果，不但取決于音響設備的良好性能，還與擴音系統的調教以及建聲環境相關。為此，上海交通大學提出了教室的視聽環境要從一般教室的“看得見、聽得見”提升到多媒體教室的“看得清楚、聽得清楚”，再提升到智慧教室的“看得舒適、聽得舒適”的建設目標。

教室音響系統兩大功能是話筒擴音和音樂播放。一般來說，配置高性能的音響設備，即可保證音樂播放的效果，但話筒擴音效果還需進行聲音處理和調校，這與教室固有的聲場環境是密切相關的。聲場環境越好，越能獲得更好的擴音效果；反之，聲場環境越差，為了避免嘯叫，必然會對聲音過度處理，造成聲音的不清晰和失真。因此如何改善智慧教室的建聲環境，是教室獲得良好聽覺效果的關鍵。本文通過分析影響教室聲場的各種主要因素，提出了改善智慧教室聲場環境的一些措施和建議，并通過對近年來上海交通大學智慧教室改造的一些實例，進行驗證和分析研究，總結出一套可行的教室建聲改造方案。

二 影響智慧教室建聲環境的主要因素

在實際評價衡量室內建聲環境最主要的因素還是背景噪聲和混響時間。由于教室一般都是位于相對幽靜的校園中，背景噪聲通常比較小，不會超標。然而混響時間是與教室的內在建筑和裝飾有關，不同的教室混響時間差別很大。教室一般是兩兩平行的六面體，容易產生面與面之間的多次反射現象[1]，且墻壁和內部材料的普遍吸聲系數較小，混響時間大多數情況都是超標的。因此我們通常把混響時間作為衡量一間教室建聲環境好壞的主要指標。

室內聲場包括直達聲、早期反射聲和混響聲。直達聲和早期反射聲（也稱近次反射聲）通常被認為是有益的。如果反射聲與直達聲的時間差較小(0.3s~0.5s)，人的耳朵就無法區分，只能疊加在一起感受。比直達聲晚到50ms以上的多次反射聲都稱為混響聲[2]。直達聲影響聲音的親切感，反射聲影響聲音的清晰度，而混響聲可以使聲音具有環境感，有利于提升聲音的豐滿度，但過強的混響聲會破壞聲音的清晰度。專業的音樂廳一般既要考慮吸聲吸收，還要考慮聲擴散。但教室和音樂廳堂的不同，教室日常用于老師話筒擴音為主，學生聽課主要接收的是直達聲，聽到的聲音則更清晰和親切，因此教室的混響時間要盡量減小，即教室的建聲工作主要是進行吸音處理。

那如何減少教室的混響呢？通過賽賓公式：T60≈KV/αS，其中，T60是聲壓級減少60dB所需要時間，即混響時間。K為常量，常溫下K≈0.161（s/m），V為教室的容積，α為平均吸聲系數，S為室內表面積。

我們可以看出聲場的混響時間，混響時間取決于房間的體積和室內表面層的材料。空間越大，混響時間越長，室內表層材料吸音效果越好，混響時間越短。

顯然，在教室容積不變的情況下，進行有效的吸音處理，提高室內的吸音系數、增大室內吸音面積，可以有效減少教室的混響。

三 改善智慧教室建聲環境的有效措施

目前對教室進行改造，一般要進行裝修，包括安裝護墻板和吊頂，由于要兼顧美觀，吊頂一般不做進一步的吸音處理，但吊頂內巨大空腔本身就具有吸音效果。因此我們主要考慮對墻面進行處理，現在大多采用安裝多孔吸音板和吸音棉的方式。

（一）合適孔徑的穿孔板（吸音板）

穿孔板的作用是讓聲波傳輸通過，然后讓板后的吸音棉把聲能量吸收，從而達到吸音的目的。根據聲學原理，聲波通過帶有孔徑的聲屏障時會表現出明顯的聲衍射現象，聲衍射的強與弱是同障礙的大小與聲波波長的比值密切相關，可用ka=2πa/λ的值來衡量，ka越小聲衍射現象越強，ka越大聲衍射現象越弱，可以簡單理解為孔越大越有利于吸音，但考慮吸音板的物理造型與強度，可以選擇圓孔加長型孔的方式[3]。

目前市場吸音板的種類有很多，有木質板、陶鋁板、聚酯纖維吸音板等等。多孔吸音板主要是利用散射衰減的原理，聲音穿孔過程中不斷摩擦和共振逐漸消耗掉能量，從而起到了吸音的作用。多孔吸音板有一定的吸聲作用，但實際上獲得更好的吸聲效果，主要靠配合安裝的吸音棉。所以，吸音板的選擇，并不需限定某種材質，只要是各種頻率的聲波能夠穿透的多孔板即可。

（二）良好效果的吸音棉

目前市場上的吸音棉主要有：巖棉、玻璃纖維棉、聚酯纖維棉幾種。巖棉是早期使用的吸音材料，纖維直徑約20微米，易扎人，質地脆，長時間使用后易變成粉狀，導致吸音效果降低，目前主要作為保溫材料應用[4]。而聚酯纖維棉目前也作為吸音材料應用，中高頻吸音效果好，但缺點是低頻的吸音效果差。而教室通常都存在低頻共振的現象，低頻回聲重，如果使用聚酯纖維棉，還需要在教室內另外做低頻處理，如安裝低頻陷阱吸聲體等，因此不是最好的選擇。而玻璃纖維棉直徑約為幾微米，柔韌性好，不易扎人，各個頻段都具有較好的吸音效果，是目前市場上普遍使用的吸音材料。因此在教室吸音材料的選擇上，我們建議應選擇玻璃纖維棉。

另外，我們還需注意玻璃纖維棉的規格選擇，研究發現，隨著厚度增加，中低頻吸聲系數顯著地增加，但高頻變化不大；厚度不變，容重增加，中低頻吸聲系數亦增加；但當容重增加到一定程度時，吸聲系數反而下降。因此我們進行教室改造時，選擇合適的厚度和容重的玻璃棉，也是一個重要的關注點。

（三）正確的安裝方式

圖1 1KHZ聲波在不同厚度空腔的吸收率關系圖

安裝吸音板和吸音棉時，需要和墻面間保留一定厚度的空腔。我們知道，聲波在穿越吸音材料時，纖維材料因發生變形產生內摩擦，動能轉化為熱能，因此聲波的能量得以消耗[5]。當聲波撞擊墻面的一瞬間，傳播介質空氣分子并沒有速率，所以如果我們把吸音材料設置在靠近或者貼住墻面，吸收的效果便非常微弱。由于聲波行進1/4奇數倍波長時達到最大振幅，當達到最大振幅時穿過吸音材料，幅值被降低，聲能轉化為熱能，以此達到最佳吸音效果。如圖（1），我們可以看出，1KHZ的聲波，當空腔厚度=λ/4(約為8.5cm)時，吸音系數最高。因此我們安裝吸音材料時，和墻面要保留一定厚度的空腔，才能獲得更好的吸音效果。

四 智慧教室建聲改造實例和分析

（一）實例一：中院部分教室改造

這是我校開始進行校智慧教室改造的嘗試。以106教室（面積約80m2）為例，教室進行了簡易裝修，墻面僅安裝了多孔吸音木板，石膏板吊頂。改造前后教室的混響指標如圖2。

圖2 中院106教室改造前后混響對比圖

（二）實例二：東中院教學樓整體升級改造

這是我校開始對智慧教室進行整體的改造，以4-103教室（面積約100m2）為例，對教室進行精裝修，墻面安裝多孔吸音木板，并加裝3cm厚度，容重為25kg/ m3玻璃棉，但當時沒有考慮保留墻體空腔，吸音棉緊貼墻面安裝。吊頂為巖棉板。改造前后教室的混響指標如圖3。

圖3 東中4-103教室改造前后混響對比圖

（三）實例三： 東下院教學樓整體提升改造

這是我校在總結東中院經驗基礎上，對智慧教室改造的再提升。以405教室（面積約150m2）為例，教室進行的精裝修，墻面安裝多孔陶鋁板(孔徑較大)，加裝厚度5~10cm，容重30kg/ m3的玻璃棉，并和墻體間保留了一定的空腔。改造前后教室的混響指標如圖4。

圖4 東下院405教室改造前后混響對比圖

五 分析

根據民用建筑隔聲設計規范《GB 50118-2010》和工信部《GB/T 36447-2018 多媒體教學環境設計要求》 ，容積大于 200m3的教室混響時間≤1.0，按這個標準，這三間教室經改造后，基本符合標準。但有研究表明，在高信噪比條件下容積不超過 200m3的教室室內最佳混響時間為 0.6s[6]，從這個角度看，實例一、實例二的低頻混響是不合格的。而且，經過比較我們可以發現，實例三的教室改造后在各個頻段混響時間都較小，說明教室的吸音效果最好。實例一、實例二經改造后，各頻段混響時間都有減小，但減小幅度并不如實例一明顯。實例二教室相對來說，吸音效果要稍好于實例一教室。數據結果表明，安裝多孔吸音板對教室的建聲環境有所改善，加裝吸音棉后也有助于改善建聲環境，如果安裝的吸音棉達到一定厚度，而且與墻面保持一定的空腔，則建聲環境顯著改善。

總之，這3個實例教室經過改造，建設環境均有不同程度的改善，教室里配置同型號的音響系統，上課擴音效果比原來均有提升。特別是第三個實例，通過調研，上課師生對改造的擴音效果的反饋良好，無論對是音量的大小，聲音的飽滿度和還原度等主觀感受方面都感到滿意，這也證明了良好的建聲環境，有助于提升教室整體的擴音效果。

六 結語

智慧教室要獲得良好的擴音效果，首先要有好的建聲環境。通過上海交通大學三個實例教室的改造實例說明，我們要有效降低教室的混響時間，改善教室建聲環境，目前比較好的解決方案就是，在兼顧裝修美觀的情況下，盡可能增加教室的吸音面積，比如在墻面安裝多孔吸音板，并鋪設合適厚度和容重的玻璃纖維棉，并和墻體保留一定的空腔，同時教室吊頂也盡可能采用吸音材料，擴大室內吸音面積[7]。經過實踐，選擇厚度約10cm，容重30kg/m3以上的玻璃纖維棉，并和墻面保留約10cm的空腔的情況下，吸音效果較佳，建聲環境改善顯著[8]。做了這些吸音處理后，教室里的窗簾和人也是吸音體，當上課學生坐滿時，教室混響還會降低，整個教室的聲場環境還會更好。加裝上良好擴音設備后，實現智慧教室的“聽得舒適”的建設目標，為人才培養營造優質教學環境。