教学扩声的理论与实践探索

CUI Ya-qiang;GAN Qi-hong

【摘要】教学扩声是课堂教学的重要组成部分,但传统的手持有线麦克风和佩戴无线麦克风等扩声方式已不能满足当前的教学需求.基于此,文章首先从教学扩声系统的发展历程入手,对教学扩声中的声音响度和声像一致性进行分析研究,指出了手持有线麦克风和佩戴无线麦克风等传统扩声方式存在的问题.接着,文章结合应用实践详细阐述了吊麦扩声的优势,从反馈抑制算法和回声消除算法两个方面对吊麦扩声的关键技术难点进行分析,从教学实际应用的角度对吊麦扩声做了趋势展望,以期为学校后续教学扩声的研究、建设与应用提供参考.%Teaching sound reinforcement is an import component of classroom teaching, while traditional handheld wired microphone and wearable wireless microphone no longer satisfied teaching requirements. From the development history of teaching sound reinforcement system, this paper firstly analyzed the sound loudness and audio-visual consistency in teaching sound reinforcement and pointed out the problems existing in traditional sound reinforcement technologies of handheld wired microphone and wearable wireless microphone. Secondly, the advantages of hanging microphone were expounded with the application practice, and the key technical difficulties of hanging microphone were analyzed from the aspect of feedback suppression algorithm. Finally, the development trend of hanging microphone was prospected from the view of practical application in teaching. This paper aimed at providing reference for schools’ further research, construction and application of teaching sound reinforcement.

【期刊名称】《现代教育技术》

【年(卷),期】2019(000)004

【总页数】6页(P79-84)

【作者】CUI Ya-qiang;GAN Qi-hong

【作者单位】Modern Educational Technology Center, Sichuan University, Chengdu, Sichuan, China 610065;Modern Educational Technology Center, Sichuan University, Chengdu, Sichuan, China 610065

【正文语种】中文

【中图分类】G40-057

教学是学校工作的中心，教室是学校教学的主要场所，教室环境及设备设施对教学过程的顺利开展作用重大，尤其是教室内声音的处理效果对于师生之间的语言交流有非常重要的影响。现代教学绝不仅仅是教师单向传输，还需要师生之间、生生之间的互动交流。因此，教室内声音的处理与大型会场和厅堂的声音处理要求有着明显差异：教室内声音的处理不仅要求让教师“讲好”、学生“听好”，还要求让学生“讲好”、教师“听好”。

手持麦克风和佩戴麦克风等传统扩声方式在听音效果、管理维护、便捷使用等方面存在一定的局限性,不能完全满足现代教学的需要。为了给课堂教学提供一个良好的扩声环境，也为了更有效地减轻教师的授课负担，本研究认为把麦克风吊起来进行大面积拾音扩声（下文简称“吊麦扩声”）是现代教学扩声系统的发展趋势，能有效满足现代教学对教室声音处理的需求。基于此，本研究围绕吊麦扩声系统在现代教学中的应用，从声音响度、声像一致性和反馈抑制算法等方面对教学扩声进行

了研究。

学界普遍认为，教学扩声系统的发展主要经历了四个阶段[1]：

（1）手持动圈话筒和V段无线话筒

传统的手持动圈话筒是使用较多的教学扩声方式，但由于音频线长度的制约，不便于教师随意走动、使用肢体语言、进行板书等。而使用V段无线话筒虽然可以随

意走动，但其存在使用手续繁琐、电池消耗大、频点少等弊端，制约了V段无线

话筒的推广使用。

（2）界面式话筒和U段无线话筒

教学扩声系统发展的第二个阶段，是出现了界面式话筒和U段无线话筒，可适当

缓解话筒线长度的限制，扩大了老师的活动范围，但啸叫问题未能得到有效解决。（3）移频功放

为缓解啸叫问题，移频功放应运而生。移频功放是通过改变输入音频信号的频率来不断回避啸叫点，从而回避产生啸叫的条件，但其音质效果不好，会出现声音失真的问题。

（4）红外无线话筒、2.4G无线扩声和蓝牙技术在扩声系统中的应用

随着教学扩声技术的发展，红外无线话筒、2.4G无线扩声和蓝牙技术逐渐在扩声

系统中得到应用，主要为手持式和佩戴式，需更换电池或充电，管理和使用有一定负担，并且不能充分满足互动教学的扩音需求。

提供最大可懂度时的最佳语言声压级为65～75dB（即相距1米时两人正常谈话的声压值）。教学扩声最科学合理的声音声压级也应在65～75dB，最大不应超过

80dB——长期处在超过80dB的环境中，会对师生造成生理、心理上的影响，如心情烦躁、焦虑不安、无精打采、注意力难以集中等，严重影响教学质量[2][3]。

人说话可以近似为点声源，点声源声强与距离的关系应遵循物理学的平方反比定律，用声压级表示，即距离增加1倍，声压级减少6dB。

手持麦克风和佩戴麦克风等传统的扩声方式，为了不引起啸叫，麦克风的灵敏度会很低，因此，需要麦克风距离讲话者的嘴巴很近才能有效扩声。根据距离平方反比定律，离麦克风很近讲话，距离变化对声音响度的变化影响更大，如距离麦克风4cm与1cm，声压级相差大约12dB。因此，教师讲课如果把握不好麦克风与嘴巴的距离，声音会忽大忽小，而教师上课会写板书或做一些手势等肢体语言，很难保证麦克风与嘴巴的距离一直处在一个合理的范围；在实际应用中，为了适应不同老师讲话时嘴巴离麦克风距离的习惯不同，扩声音量的设置也普遍偏大，导致大多数情况下声压级已经超过了80dB，部分教师上课时声压级甚至超过100dB。台湾阳明大学认知神经心理学教授洪兰指出，听觉神经细胞持续接受89分贝，2小时就会坏死；并且每增加3分贝，坏死速度就增加1倍[3]。由于长期使用，很多人甚至部分业内人士都认可大声压级出现在教学扩声中，这也导致一部分教师习惯了在大声压级的情况下讲课，在无意识中已经影响到教学质量和师生的听力健康。教学扩声的声像一致性是指在听教师讲课的过程中，如果学生能感觉声音是从教师方向发出来的，那么就说明教室扩声的声像是一致的；如果学生感觉声音不是从教师方向发出来，而是从音箱发出来的，那么就表明教室扩声的声像不一致。

当两个声源的发声时间点之差＞3ms，声像一致性由“哈斯效应”决定。哈斯曲线[4]如图1所示，其横坐标表示超前一个声源与延迟声源之间的时间延迟，纵坐标则表示迟声源声压级高于超前一个声源声压级之差。在满足哈斯曲线的声压级差的前提下，就会出现“哈斯效应”，具体描述如下：

①延时3～30ms，感觉声音从超前一个声源发出，感觉不到另一个声源的存在；

②延时30～50ms，能感觉两个声源的存在，声音方向仍由超前一个声源决定；

③延时50ms以上，感觉两个声源同时存在，方向由各自的声源决定，滞后声为回声。

当两声源延时<3ms，声像由“德·波埃效应”决定。德·波埃效应也是双声源的一

种效应，其内容是：当中轴左右对称的两个声源之间的音量差和时间差为零时，声像位于中轴线；当时间差为零、音量差逐渐增大时，感觉声像在朝音量大的方向移动；当音量差大于15dB时，声像与较响的声源完全重合；当音量差为零、时间差改变时，则感觉声像在朝先到达的声源方向移动；当时间差大于3ms时，声像与先到达的声源完全重合。

为了保证教学扩声的声像一致性，需要利用“哈斯效应”来设计教学扩声系统，系统设计的主要指标需满足以下两点：

①在教室任何位置，保证教师讲话原声的直达声要先于音箱的直达声3～50ms到达。声音在空气中的传播速度约340m/s，声音在线路中的传输速度为光速，为了保证教师讲话原声的直达声要先于音箱的直达声到达距音箱最近的位置，声音被麦克风采集后需做适当的延迟处理。

②在教室任何位置，要保证教师讲话原声直达声的声压级和音箱直达声的声压级满足哈斯曲线。教师讲话原声直达声的声压低，需要扩音，距离后面的听众远，教师讲话原声的直达声与音箱的直达声有时延，要满足哈斯曲线，需根据教室的实际尺寸，对音箱的数量、安装位置和安装高度做出合理规划。

目前，大多数教室扩声系统的设计都没有考虑声像一致性，手持麦克风和佩戴麦克风等传统的扩声方式不仅扩声声压级大多超过了最佳语言声压级，而且也很难满足哈斯曲线，故造成了教室扩声的声像严重不一致。由于长期处在声像不一致的教室扩声环境，很多人甚至部分业内人士认为好的扩声系统需要一走进教室就明显感觉声音是从音箱发出来的，但实际上应该感觉声音是从教师方向发出来的。在声像不一致的教室，学生很难集中注意力听课；并且，在长时间声像不一致的教室授课、听课，会极大地影响教学质量。

教师不用手持或佩戴任何设备，授课空间不受局限，可任意板书，授课轻松自由。教师还能够随意与学生进行互动，学生回答问题也可轻松地被师生听清楚。

吊麦扩声系统采用有线连接方式，只需一键开启电源即可使用，无需频繁充电或更换电池；使用时无需对频连接，故障率大大降低，极大地简化了管理部门的管理、维护等工作。

（1）声音响度控制

吊麦扩声属于远距离拾音和扩声，能有效解决传统扩声中拾音距离突变导致扩声响度突变的问题。根据距离平方反比定律，如教师离麦克风3m和6m讲话，声压

级变化大约6dB，而教师讲课随意走动3m到6m的距离是一个缓慢变化的过程，在这个过程中声压级变化不会很明显，至少不会出现明显的声音突变，并且声压级更容易控制在最佳语言声压级为65～75dB的范围内。但传统的手持麦克风和佩

戴无线麦克风讲课，教师嘴巴距离麦克风从1cm变化到2cm会在瞬间完成，并

可能随时出现，因此传统扩声设备更容易使声音出现忽高忽低的现象。

（2）声像一致性

国家标准GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中对声场不均匀度的要求1000Hz声场不均匀度≤6dB，4000Hz声场不均匀度≤8dB。为了有效保证教学扩声的声场均匀度和声像一致性，结合“哈斯效应”和吊麦扩声在实际教学环境中的实践应用，本研究对吊麦扩声系统的设计做如下总结：①为了有效保证音箱的直达声晚于教师讲话的直达声到达听课学生，扩声系统音频处理器的延迟需控制在8～10ms的范围内；②音箱离地高度尽量控制在2.5m以上；③要根据教室实际形态，经过详细计算确定音箱数量和安装位置，同时对扩声音量进行合理设置，以保证离教师最近、离音箱最远的第一排学生听到的教师讲话直达声和音箱直达声时差＜

50ms，基本实现声像一致，保证后排学生感觉到声音来自于前方教师，并避免教师讲课声与音箱声的两重叠加产生回声。

吊装麦克风运用于课堂扩声最大的技术难点在于：高灵敏度吊装麦克风既会拾取老师讲课的声音，也会拾取音箱发出的声音，而麦克风拾取音箱发出的声音后会因自

激而产生啸叫。抑制啸叫的专用术语是反馈抑制，而最常用的反馈抑制算法包括陷波抑制法和移频抑制法。

（1）陷波抑制法

陷波抑制法是指在系统检测到啸叫发生时，采用陷波器组对局部频带或频率点进行增益控制，从而达到啸叫抑制的效果。陷波抑制法因其兼顾运算效率和处理效果的特点，而在当前商用扩声系统中的普及率非常高[5][6][7]。陷波抑制法使用的陷波抑制滤波器如图2所示。

（2）移频抑制法

移频抑制法是指将声音信号的频率整体增加一定数量（单位Hz），破坏产生声反馈的条件，从而抑制声反馈。移频3Hz以内，人耳感觉不到失真，但传声增益很少；移频超过3Hz，人耳能感觉到失真，且移频越多，传声增益越大，但失真也越大[8][9][10]。图3为移频抑制法示意图。

上述两种反馈抑制算法的优点在于算法简单、易于实现，缺点是失真大、传声增益不高。如果将这两种反馈抑制算法应用到吊麦扩声系统，其致命的缺点是音箱的反馈声音会被高灵敏度麦克风拾取，即使能抑制住啸叫，但反馈的声音会再从本地音箱放出来，从而引起回声、尾音、多重声音和混响。

由上述分析可知，传统的陷波抑制法和移频抑制法已经不能满足吊麦扩声的需要，吊麦扩声的技术瓶颈主要在于音箱的回授声音，即音箱回授到麦克风的声音再从本地音箱放出来而引起的回声、尾音、多重声音和混响。因此，必须采用新的算法，把麦克风拾取到的音箱回授声音去掉——这种新的算法，就是回声消除法。

由于音箱回授声和现场人说话的声音本身就是同样的声音，要想去掉这个回授声，传统的自适应信号处理已不适用。尽管现在已有优化和改进的反馈抑制算法，能够在一定程度上缓解这一问题，但还不能彻底解决这一问题。因此，回声消除法被视为是一个世界性难题，是国内外音频研究者要攻克的技术难点。

基于上述分析，本研究认为检验是否去掉了音箱回授到麦克风的声音可采用如下方法：

①电脑的耳机输出口连接音频处理器输入，电脑播放测试音乐信号用以模仿回授信号源；

②在吊麦为中心的直径6～8m范围内，按照授课时的音量说话；

③通过电脑播放音乐，保证教室各测试点的声音强度约为75dB，此时，可以听到从扩音音箱发出的是语音和音乐的混合声音；

④用录音软件在电脑中录下音频处理器经过回声和噪声消除处理后的声音；

⑤播放电脑录下来的声音，录音中只包含本地说话的声音而不包含音乐声音，当语音清淅，无噪声、无卡音、丢字、声音漂移和失真现象时，就说明明使用回声消除算法的音频处理器去掉了音箱回授到麦克风的声音。

由于课堂教学扩声的特殊性，吊麦扩声在声音响度、声像一致性、管理维护、便捷使用等方面具有传统手持有线麦克风或佩戴无线麦克风扩声方式所不可比拟的优势。而经过近几年来吊麦扩声系统在学校教学中的推广应用，任课教师也纷纷给予了充分肯定。随着课堂互动教学的普及、回声消除算法的日臻完善，吊麦扩声必将成为教学扩声技术的主流发展趋势之一。

1 致谢：本文得以成稿，与我校的工作实践密不可分，也与各位同行专家的经验分享和同事的工作配合密不可

分，尤其是苏州科技大学钱震老师提供了吊麦扩声系统检测方法给予了我们很大帮助，在此一并致谢。

【相关文献】

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