教室声学环境(译)

Top您现在的位置:首页教室声学环境(译)发行这份出版物的目的是为建筑师、教育者和校园规划者在新建或翻新教室时提供一份声学参考材料。发行这份出版物的目的并非取代专业的声学顾问服务,而是用来帮助人们理解创造理想的教室听环境的要求。堪萨斯大学建筑工程系的BobCoffee,FASA为发行资料提供了监督。本出版物发行于2000年8月。这份出版物是由堪萨斯大学建筑工程专业的高年级学生BenjaminSeep,RobinGlosemeyer,EmilyHulce,MattLinn,和PamelaAytar为美国声学学会建筑声学技术委员会准备的。堪萨斯大学建筑工程系的BobCoffeen,FASA为此课题提供了督导。本出版物于2000年8月正式发行。简介美国现在正处于历史上规模最大的校园建筑和翻新阶段，在对教育越来越重视的前提下，我们必须抓住机遇结束一个长久以来美国的惯例：教室建筑的声学环境低下。这个隐形问题虽然对学习有着深远的影响，但其实很容易解决。过度的噪声和混响影响了语言清晰度，结果降低了理解程度，致使学习效果的下降。在美国的许多教室里，语言清晰度为７５％甚至更低。这意味着在语言清晰度测试中拥有正常听力的听者们只能够听懂被朗读的词汇表中７５％的词汇。试想一下这样一本教材：每四个词中就有一个词无法听清，试想一本四分之一的词汇都无法听懂的课本不但要理解，还要对其进行考试，听起来是不是很荒谬？是的，这就是目前全国各地的在校学生们每天正在面对的切实状况。许多教育者们意识到在有听力障碍的儿童们使用的教室里改进声环境是十分重要的，但是他们认为并没有必要在听力正常的儿童们使用的教室中进行这样的改进。然而许多“听力正常”的学生也得益于较好的教室声学环境，其中包括因听觉处理问题造成学习障碍的学生以及英语是其第二语种的学生们。通常，这些学生并不会被安排在单独的声学条件较好的教室里，而是将其纳入其他学生中间。另外一个学习特别依赖于有效声学环境的人群就是无法根据上下文判断语义的年幼的孩子们。由于他们词汇量和经验有限，在老师的讲课中如果听错了一些词句，他们将高年级学生更难以自行填补思路上的缺失。基于这些考虑，很明显，经过改善的教室声学环境将使广大的学生受益良多。尽管改善教室声学环境并不昂贵，这个问题却成为痼疾，这是为什么呢？主要的原因并非资金短缺，而是对这些问题及其解决方案缺乏认识。1998年，全国用于学校建筑的经费高达79亿美元。只要从中拿出一点零头，所有的这些空间都可以设计或改建为具备良好听环境的场所。然而这需要建筑师以及校园规划者们在最初开始设计工作的时候就把教室声学设计纳入考虑。最好的解决建筑声学问题的办法是防患于未然，而非亡羊补牢。在设计过程中，声学问题通常可以通过事前的考虑以及对相同建筑材料的不同布置来避免。而通过修缮改进在设计上有先天缺陷的建筑声学状况将会昂贵得多。尽管如此，用于改进所付出的代价比起糟糕的教室声环境给千百万儿童在学习上造成的损害相比，还是要小的多。数十年来，人们早已熟知教室声学环境的重要性以及创造这种环境的方法。但建筑师、规划者、理人员、教师和家长们并未很好地利用这些知识。这本小册子正是为新建或翻新的教室建筑中有关声环境的问题及其解决方法提供了总体概述。在这里提供了简单实际的说明及例子，在附录中提供了定量定义和计算公式，以及更为详细的信息和资料。关于有特殊声学要求的空间如剧场或音乐室以及任何复杂噪音问题的空间，最好是由专业的声学专家来解决。基本概念：我们经常谈论想要建造拥有“良好的声环境”的房间，但是这成为了一个含糊甚至几乎毫无意义的术语。并不存在一套单独而通行的标准能够为所有的房间使用提供“良好的声学环境”。小教室，大教室，音乐教室，礼堂以及体育馆都有不同的声学需求。要理解这些不同的空间应该如何去设计，我们必须首先让自己去熟悉一些声音的基本属性。在公元前一世纪，罗马建筑师Vitruvius在《Dearchitectural》——他著名的《建筑十书》中说道：声音“沿无穷循环的环传播，就像当一颗石子被扔进平静的水面时所产生的数不胜数的不断增加的环形波。不同的是，在水中圆是沿水平方向在一个平面上运动，而声波不但沿水平方向传播，同时在垂直方向上也有规律的阶段性的上升。”Vitruvius并未完全理解声音，但在这一点上它是正确的。一般说来，声音自一点以波状沿各个方向散射,直到它遇到墙或天花板一类的障碍物。在建筑声学中，声波的两个特征值得我们注意：强度和频率。声强是表征声波听起来有多响的物理量。频率同样可被测量，它是表征音调的主要物理量。例如，一架钢琴右侧的琴键比左侧的琴键音调偏高。如果一个声音只有一个频率，我们称它为纯音，但是日常生活中的大部分声音如话语、音乐以及噪音都是由一组不同频率的声音组成的复合声。当声波运行过程中遇到一个表面时，频率的重要性就体现出来了：不同频率的声波会有不同的反应。人耳的灵敏度也根据频率不同而变化，一般说来我们更容易被中高频的噪音干扰，特别是纯音。把声音想像成柱状，像一束光一般穿行于空间中遇到一个物体。当它撞击到一个表面，有几种情况可能会发生，包括：透射：声音穿过表面进入到表面后的空间中，像光穿过一扇窗一般。吸收：声波像水被海绵吸收一般被吸收了。反射：声波入射到表面后像皮球撞到墙面后弹开般改变方向。散射：声波入射到表面后象被保龄球击中的瓶子般向各个方向发散。要记住，这些现象可能会同时发生。例如，当声波入射到一堵墙时，它在被反射的同时会有部分被吸收，因此，反射声不会像初始时那样响。声波频率的不同对此也会产生影响。许多物体的表面吸收高频声而反射低频声。吸声系数（α）和降噪系数(NRC)被用来表征材料吸声的能力。反射声带来了一个特殊的问题：不连续的回声。大家都很熟悉这样一个现象：在大峡谷中大声呼喊，几秒钟后会听到回声。回声在室内同样会发生，尽管可能发生的较快。如果老师的声音连续不断地从教室的后墙反射回来，每一个回声都会影响下一个词，增加了理解的难度。回声也是体育馆中常见的一个问题。另一种影响听力的回声是颤动回声。当两个平坦坚硬的表面处于平行状态，声波将在两者之间快速的来回撞击而产生响亮的效果。这种现象在两面墙或底板和天花板之间都可能发生。声强级与声压级以分贝(dB)来衡量。通常，较响的声音比相对柔和的声音分贝数更高。由于分贝的增长是对数级而非线性的，因此分贝不能以通常的方法相叠加。一个被称作混响时间的重要声学量（RT或RT60）被用来判定声音在室内衰减的速度。混想时间取决于房间的体积以及各表面的材料。大空间：如大教堂和体育馆通常混响时间较长，并且听觉感受明亮，有时给人以饱满的感觉。而小房间如卧室，录音室通常混响时间较短，给人的听觉感受是干瘪或呆板。两个房间之间的隔墙的降噪量通过测量一间房间内产生的声音通过该墙后传入临室的百分比获得。（见图2）降噪量由声源所在房间的噪声级与接收房间内的噪声级以分贝数的形式相减计算获得。信噪比是衡量室内语言可懂度的一个简单的比率。教师发音声级的分贝数减去室内背景噪音级的分贝数就等于信噪比的分贝数。信噪比越高，语言清晰度约高。当信噪比是负值时（即背景噪声强于教师的声音时），教师的话将很难听清。同样应该值得注意的是，在房间的不同角落，随着信号声级和噪声级的变化，信噪比也在变化着。典型情况通常有两种：（1）在教室的最后，教师声音的声级降到了最低值。（2）在噪声源附近，噪声级最高，例如在一台壁挂式空调旁边。研究表明：当教室中的信噪比小于10个分贝时，对于具有平均听力水平的儿童来说语言清晰度严重降低。在听力上有缺陷的儿童需要至少15分贝的信噪比。语言清晰度可通过在室内使用词汇表朗读测验来评估。测试者从一个标准词汇列表中朗读单词，听者们写下她们所听到的词。听者们正确听到的单词数就是该房间语言清晰度的一个度量。如果对以上话题更感兴趣的，附录中提供了更多的资料。教室声环境指南：现在我们已经对声学的一些基本原理有了一定的了解，我们现在来学习如何将它们应用于创建教室中的理想听环境。以下的指导方针是为典型的大约容纳30名学生，讲课位置位于教室前端，或以小组形式学习的教室所制定的。关于体育馆，餐厅和礼堂的建议将在下一部分提供。混响时间尽管混响时间过长是教室声环境差的常见病，有一个办法可以解决。教室的混响时间在0.4与0.6之间较为理想，但现有的许多教室的混响时间长达一秒甚至更长。图3给出了典型的教育建筑理想的混响时间。已建和未建的教室的混响时间都可以通过赛宾公式准确而方便的得出。变量有房间体积，不同表面材料的面积，以及这些材料的各频率吸声系数。吸声系数是表征声波的能量将有多少被一种材料吸收的物理量。有两种减少房间混响时间的方法：或者减少房间的体积或者增加声音的吸收。虽然减少体积并不总是可取，但对于天花板较高的旧教室而言比较适合。在这样的空间中，增加吸声吊顶板将会从减小体积和增加吸声两方面有效地改善其声环境。然而，增加吊顶常常需要安置新的照明装置并与较高的窗子相冲突。后面的研究将会告诉我们针对高天花板的教室还有其它的解决方法。增加房间的吸声可以通过增加更多的“软质”材料来达到，如织物面的玻璃纤维墙板，地毯或声学吊顶板。目前，已有许多同类产品进入市场，而且如果做好提前设计，使用普通的建筑材料也可以获得适当的教室混响时间。吸声材料最好布置在整个房间而不是集中在一面墙或天花板上。在许多教室中，只使用声学天花吊顶板就可以将混响时间降至理想的水平，然而，这并不能处理来自墙体的回声问题。而且各种声学天花板也不尽相同。应查阅规格说明书，从中找出降噪系数大于等于0.75的天花板。为了同时吸收高频声和低频声，在结构顶棚下悬挂吊顶是十分必要的。仅在教室地板上铺一层地毯不会明显地降低教室的混响时间，尤其是低频混响时间。但地毯能够很有效地减少学生们在地面上拖动桌椅时所发出的噪音。无用的反射声如上面所提到的，回声影响了讲话的清晰度。可以利用吸收或散射来控制回声。当布置吸声材料减少混响时间时，同样应考虑如何布置才能减少回声。在教室的后墙上布置吸声材料可以防止教师的声音由后墙反射回教室的前部。同吸收一样，散射也可将反射回教室的能降至最少。将一个散射体放置在教室的后面，将声音分散到许多方向，这样在任一特定方向上的声级都将大大减小。发生在教室前部教师讲课处的墙体之间的颤动回声是一个十分严重的问题。有一个简单的方法可以测试是否存在颤动回声的问题：站在教室中央各平行表面的中间，用力地拍一下手。如果颤动回声存在，将能听见拍手后由于声音迅速在两面墙之间来回撞击所产生的尖锐或响亮的声音。试着向不同方向转动身体并拍手来判定是哪两面墙导致了颤动回声。为减小两面平行的硬质墙之间的颤动回声，可以将其中一面或两面都覆以织物表面玻璃纤维板或类似的吸声材料。将这些板交错地排列在相对的两面墙上能达到很好的效果：每面墙上的材料正对着对面墙上没有覆以材料的墙体。将两面墙之间的角度张开至少8度同样能够消除它们之间的颤动回声。有益的反射声以上我们讨论了在教室中减少回声的方法，但在有些情况下我们希望对某些特定的回声进行加强。这在混响时间短的大教室中尤为突出。教师声音的能量在到达教室后面的学生前就可能被软质的天花板吸收了。可以在室内的前部安装一个声反射石膏板天花或在天花的中央设置一个硬质反射表面，使教师的声音传遍整个教室。这些表面可以将声音向教室的后面反射。为了使有反射体的教室保持较短的混响时间，在两侧或后墙上增加一些吸声材料是十分必要的。对反射体的需求与教师采用的教学方式有关。例如，反射体在授课教室中较为有效，而在小组式教学的教室或实验室中就不需要。机械装置噪声机械装置带来的强环境噪音例如嘈杂的取暖、通风及空气调节（HVAC）系统在现有的学校中是十分常见的。这对于教师和学生都是十分严重的问题。教师为了获得较好的语言清晰度，必须保持10dB的信噪比，因而不得不提高音量。这导致许多教师每年中都会有几天因为嗓子过度紧张而病倒，花费了本应用于购置静音机械设备的纳税人的钱。同时，学生们不得不费劲地听课或者变得心烦意乱无法集中精神。机械噪声主要源于糟糕的规划设计，并且对于已有