教室声学音质设计一例

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。”——《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（3~3.5）m3。”——《建筑声环境》。

“小型教室混响时间最好应在：0.4~0.6s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

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：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0.4~0.6s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

表1

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）

125Hz 500Hz 2kHz 125Hz 500Hz 2kHz

北114教室 2.31 1.71 1.19 1.75 0.88 0.69 4.2 7.7

3407教室0.75 0.41 0.39 0.98 0.56 0.43 7.5 9.2

3 音质设计方案的提出

由调研和实测分析看出，解决114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。

两种音质设计方案表2 方案一方案二

剖面

效果图

方案说明教室前半部采用纸面石膏板反射吊顶且教师头顶

上部天花有倾斜角度，目的在于将教师的声音更多

地反射到教室后部。后半部天花为折板状矿棉吸声

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。

混响设计中频混响时间为0.6s，主要吸声材料为矿棉

板（吸声系数=0.4）

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）

待研究问题

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”？

3、前部倾斜的反射天花作用是否明显？

4、声场均匀度如何？

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？

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