室内声学设计:4 教室声设计和房间简正模式理论的应用

本次专题分享中我们将从相对比较简单的教室声学设计开始,引导大家从掌握设计要求,到将我们在以前各次分享中所介绍的声学基本原理,应用到具体声学环境的声学设计中去。从学校教室开始,逐步深入到会议室、演讲厅、电源院、剧院、音乐厅,你就会掌握到越来越复杂声学环境的设计。

(即使你从来不关心教室的声环境设计,或者你关心的是车内NVH和声场,抑或电器电机设备的降噪~本期所介绍的应用声学基础知识的思路,可以教会你如何灵活运用声学基础知识解决不同问题,或者从来没有碰到的问题。)

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作为教室声环境设计案例,在进行声学设计前,我们需要掌握教室声环境设计的要求。

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教室声环境设计的相关要求
教室声环境设计的重要性在于她会影响到学生和老师的身心健康,以及听课和学习的效果。例如,教室的混响时间会影响学生的短期记忆能力、语言理解能力、对课堂和老师的注意力[1],而背景噪声和混响时间会影响学生的听讲集中度、清晰度,以及成绩[2-3]。良好、舒适的声环境能使学生能清晰识别和理解教师讲课内容,发展学生的学习潜能和创造力;给学生提供健康的听觉环境,为学生健康成长打下良好的素质基础。下图中为经过声学处理的教室(A班)和未经过声学处理的教室(B班)在听讲集中度和清晰度上的差异[1],由此可以看出声学设计对教室的重要性。

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1.1教室声环境设计标准
世界卫生组织(WHO)以及美国、英国、日本等都制定了教室声环境设计的标准。教室声环境设计的参数主要有本底噪声、混响时间、墙体和楼板隔声这3个参数。在我国,主要有两项标准对教室声环境设计作出了规定,分别是:

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这两项标准中的相关内容具体条款如下:

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1.2国际教室声环境标准对比

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教室声环境设计的关注要点
2.1教室的形体设计
在声学演义系列 “室内声场设计:2 房间简正模式” 中曾经跟大家分享了房间简正频率的概念,以及房间体形对房间内声学模态分布的影响。由此,我们知道了房间长宽高尺寸比例是一个很重要的参数,并向大家展示了房间黄金比例图。

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在教室声环境设计中的第一步就是要选择合适的房间长宽高比例,避免由于房间尺寸成简单的比例关系而造成先天的不足。糟糕的案例如某甲级设计院设计的国内某大学的新校区,造成该校区的所有教室不经过后期声学处理无法正常使用的状况。
2.2教室的混响时间控制
在常规的设计中,通过在教室加装吸声吊顶,可以很好地控制混响时间以满足相关设计规范的要求。
根据声学演义系列 “室内声场设计:2 房间简正模式” 中的相关知识,我们知道房间的顶角是房间模态极值点出现几率最高的地方,其次是房间的棱边,也就是说将吸声材料或结构安装在房间的顶角和棱边的地方将获得最好的吸声效率。我们引用文献中的一些研究结果来介绍这个独特的墙角吸声体的设计理念。

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图1   同样材料布置在房间不同位置的吸声系数
首先我们来看将同样厚度的材料,平铺在房间的地面中间(c)和400*500的吸声体布置在墙角分别在400侧(a)和500侧(b)采用穿孔板护面,根据实际吸声面积采用赛宾公式计算得出的吸声系数。可以发现,吸声体布置在墙角的吸声系数显著增加,由于墙角的能量集中特点,计算出的吸声系数远高于1,尤其在低频部分。

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图2   采用墙角吸声体的教室案例
图2中给出一个利用墙角吸声体的教室的案例,图3中给出安装了墙角吸声体前后教室的混响时间的变化,我们不仅看到采用较少的吸声材料可以有效改善教室的混响时间,而且在低频可以更加容易地将混响时间控制得较低。


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图3   采用墙角吸声体后的混响时间
研究表明[4],低频混响时间和噪声的低频成分的降低,可以有效地提升教室内的语言可懂度。图3中给出的是不同混响时间的频谱特性,图4中是对应混响时间下的语音可懂度。这个结果说明了,在教室声环境设计中,不仅需要控制混响时间,而且教室的混响时间应满足一定的频谱特性要求,并且将低频混响时间尽量降低。
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图4   教室混响时间的不同频率特性

1 (17).jpg图5 教室不同混响时间下的语音可懂度比较

在教室声环境设计中,满足相关规范中的(中频)混响时间要求,只能确保教室满足使用功能,而低频混响时间的控制将是决定教室声环境品质的重要参数。降低低频混响时间可以提升教室语音可懂度,而语音可懂度的提高,必将带来教学效果和学生学习成绩提升。因此,教室低频混响时间将是影响学习成绩的因素。
(虽然明白了这个道理,但这也不是你成绩不好的理由)

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参考文献

[1] H.V. Fuchs, J.Lamprecht. Covered broadbandabsorbers improving functional acoustics in communication rooms [J]. Appl.Acoust., 2013, 74(1):18-27.

[2] J.X. Peng, D.Wang, S.K. Lau etal. Aninvestigation of acoustic treatment for children in a classroom of anelementary school [J]. Appl. Acoust., 2015, 89(3):42-45.

[3] D. Russo, A.Ruggiero. A Choice of theoptimal acoustic design of a school classroom and experimental verification [J].Appl. Acoust., 2019, 146:280-287.

[4] S.J. WU, J.X. Peng, Z. K. Bi. ChineseSpeech Intelligibility in Low Frequency Reverberation and Noise in a SimulatedClassroom [J]. Acta Acustica united with Acustica., 2014, 100:1067-1072.


文章分类: 声学
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