论文部分内容阅读
摘 要电教用房的室内声音包括直达声、前期反射声和混响声。本文运用室内声学、建筑声学和电声学的理论知识，从室内混响声和最佳混响时间入手，探讨了电教用房的几何尺寸、吸声材料、吸声结构、隔声降噪等声音处理方法，并对室内音质改善提出了两种解决方法。
关键词 电教用房；吸声处理；隔声降噪；音质改善
中图分类号：G484 文件标识码：A文章编号：1671-489X（2007）01-0044-03
Exploration and Research on Dealing with the Sound in Audio-Visual Room//Yan Kai
Abstract The indoor sound in audio-visual room consists ofthrough sound, early reflex sound and the reverberations. The article using the theory of room acoustics, architecture acoustics and electrical acoustics, starting with indoor reverberations and the best reverberation time, discusses many methods in dealing with the sound in the geometrical size, the smallest volume, sound-absorbing materials and sound-absorbing structure, sound insulation and noise reducing, also advances some ways in making further improvements about tone quality.
Key Word rooms with electrical audio-visual aids; management of sound-absorbing;sound insulation and noise reducing; tone quality improvement
Author’s address Laiwu Vocational and Technical College，Laiwu, Shandong 271100
学校电教用房包括语音室、录音室、演播室、多媒体教室等，是开展电化教育的基础场所。一方面要保证室内具有良好的听音条件，使学习者在各个位置上都能获得基本相同的声音效果；另一方面要使教师所播出的声音信息具有较高的保真度，特别是在外语或汉语的语言教学中尤为重要。由于电教用房是教学用房的一部分，在内部环境方面必然受到学校活动及噪声的影响，在外部环境方面也会受到周围工厂、交通及社会噪声的干扰，导致电教用房的使用效果不够理想。因此，有必要对电教用房的声音进行处理和改善。
1 室内声音的组成
在日常教学活动中，声音的辐射、传输与接受是在室内进行的。在室内，声源发出的声波向四周辐射出去，声波的能量被墙壁、地面、天花板等障碍物多次吸收与反射，声波在室内的传播过程就是声能量逐渐衰减的过程。在室内任何位置听到的声音包括两部分：一部分是直达声，即声源直接传播到听者处的声音；另一部分是反射声，即反射声波经过一系列反射和吸收而逐渐衰减的延迟声，延迟声分为前期反射声和混响声。根据人的听觉延迟效应，那些紧跟在直达声后面的前期反射声，人们是不会在听觉上将它们与直达声分开的；但那些经过墙壁或室内物品的多次反射，彼此之间的时间间隔又非常小，好像是在同一时刻从各个方向上以相同的频率反射而来的，这些反射声被称为混响声，混响声能与直达声区别开来，因此室内声主要包括直达声、前期反射声和混响声三部分。
2 闭室的混响声与几何尺寸
室内存在混响是有界空间的一个重要的声学特性，混响声是声波在室内的多次反射声，在室内不可避免地引起复杂的驻波现象。这样，闭室就可以被看作是一个多元线性谐振系统，当声源在闭室内发声时，它将激发出封闭容积内一系列简正频率的简正振动。当声源停止发声后，一系列简正振动将按照其固有频率的衰减速度逐渐减弱下去，于是形成了混响声。
如果闭室的尺寸与声源所发声波最低频率分量的波长相比不是太小时，则该闭室在这个声音的频带内就会有非常密的简正频率，这样声音的所有频率都能激发出混响声。如果闭室的尺寸比较小，则只有个别的频率分量能激发出简正波，将会导致室内声音在个别频率分量上突出地加强或减弱，听起来特别不舒服，这在听觉上叫“声染色现象”。由此我们可以得出一个结论，要想闭室的声音有良好的效果，则闭室的容积必须足够大，以提高声场的均匀性。
3室内混响时间与吸声处理
3.1 最佳混响时间
在闭室容积足够大的条件下，闭室混响过程的特点就是衰减速度的问题。在声学中，常用“混响时间”来描述衰减的速度，它是指声能衰减下跌到原有强度的百万分之一(即60dB)所需的时间。混响时间是评价闭室声学特性的一项重要指标，对人们的听觉效果具有重要影响。混响时间适度，可使乐音丰满、语音饱满；混响时间太长，声音含混不清，语音清晰度下降，乐音缺乏力度和节奏感；混响时间太短，则声音较干硬且缺少生气，常有“呆板”、“沉寂”的感觉，听起来很不自然。混响时间除用公式计算外，也可以用仪器测定，对于不同的声音，人们对混响时间的要求不一样，作为录音的录音室一般容积为30~120m3，混响时间可取0.2~0.4s就能保证语言声有足够的清晰度，作为演播室需要容积250~4000m3，混响时间可取0.8~1.3s，录制的音乐有力度且丰满。
3.2 吸声处理
对于一个已确定容积的闭室，混响时间与室内表面材料的吸声系数有关，可以通过控制室内表面材料来达到所需的混响时间和规定的频率特性，防止回声和声能集中等现象。当一个闭室的混响时间不合要求时，可以用更换墙面材料的办法加以解决，即改变墙面的吸声系数。吸声系数决定了单位时间内单位面积的材料表面吸收的声音能量大小，根据吸声机理的不同，吸声体可分为多孔吸声材料和共振吸声结构。
3.2.1 多孔吸声材料
多孔吸声材料的吸声机理主要是指孔洞中的空气质点在声波作用下振动产生黏滞性摩擦和纤维材料在声波作用下发生形变产生的内摩擦等来消耗声波的能量。常用的多孔吸声材料有超细玻璃棉、矿渣棉、化纤棉、木丝板、甘蔗板、聚氨酯吸声泡沫塑料、泡沫橡胶、膨胀珍珠岩、多孔陶土砖、钦艺弹性吸声板和钦艺穿孔吸声板等，这些多孔吸声材料主要吸收声波中的中高频成分。根据试验测得，影响吸声性能的主要因素有4个：一是材料厚度；二是材料容量，以超细玻璃棉为例，一般每立方米用15~25Kg为宜；三是空气层，在材料层和墙壁面间留出一定厚度的空腔，相当于增加材料层的有效厚度，空气层以5~10cm较为合适；四是护面层，多孔材料一般较疏松，直接用于室内既无法固定又不美观，因而需在其表面覆盖护面层，通常在护面板上要钻圆孔、开槽缝或做花纹，使面板的穿孔率要尽可能大，一般不小于20%，穿孔率越高，对低频吸声性能越好。
3.2.2 共振吸声结构
共振吸声结构是由一个薄板和空气组成的振动系统，相当于弹簧振子，薄板相当于质量块，空气层相当于弹簧。当声波传来时，迫使薄板振动，就将振动的机械能转化为热能而消耗，从而达到吸声的目的。当入射声波的频率接近于振动系统的固有频率时，将发生共振，吸收的声能达到最大值。常见的共振吸声结构有2种：一种是薄板共振吸声结构，这种结构是将薄板的周边固结于框架上，并将框架牢牢地与刚性墙壁固定，构成薄板共振吸声结构，当在空气层中填充多孔吸声材料，又在板与龙骨交接处垫衬一些柔韧性阻尼材料，可使吸声频带变宽，吸声量增加；另一种是穿孔薄板共振吸声结构，相当于许多单个共振器并联而成的共振吸声结构，是一种宽频带吸声结构，这种穿孔薄板结构常用来做天花板，在噪声控制中也是一种应用较为广泛的吸声装置。
4 隔声降噪处理
学校电教用房的建筑环境应该是相对“安静”的，但由于条件限制，常常受到外界环境噪声的影响，特别是在作为声音信号产生第一关的演播室、录音室、语音室等电教用房，应把噪声降低到噪声容许标准内，使噪声对有用信号不会产生明显的掩蔽效应，必须采取措施隔绝外界噪声的传入即隔声降噪。噪声按传播途径可分为2种：一种是由空气传播的噪声，即空气声；另一种是由建筑结构传播的机械震动所辐射的噪声，即固体声。
对于空气声，常用的隔声结构有2种：一是单层密实均匀结构，当声波入射到这些构件上时，引起它们的振动，振动构件作为新的声源向另一面辐射声波，要增大构件的隔声性能就必须抑制构件的振动，因此构件越重就越不容易振动，隔声效果就越好；二是双层密实均匀结构，在两层密实结构中间留出一定距离就构成了双层密实均匀结构，由于层中空气与双层结构的特性阻抗相差很大，声波在它们的分界面处将产生明显的衰减，空气层的厚度一般取8~10cm为宜，为了防止共振可在空气层中填入少量玻璃棉、矿渣棉等松软的多孔吸声材料。
对于固体声，隔声相对要困难些。通常采用弹性衬垫的方式，在楼板面层上或地面板与承重楼板之间设置弹性层，使2个固体间不是直接接触，弹性衬垫起着减振作用而衰减固体声，在建筑中常用的弹性衬垫有钢弹簧、隔振软木、玻璃棉毡、矿渣棉毡以及橡胶制品等；其次是在机械设备下面设置隔振器，以减弱震动，这是建筑设备隔振的主要措施。
5改善室内音质的方法
音质是室内声音追求的最重要的目标之一，为了使室内声音保持自然声的优良品质，在电教用房的设计或改建中，要对声音信号进行必要的加工和美化。
5.1 从基础建设入手获取良好的音质
室内音质的好坏，很大程度上取决于环境噪声的高低，在进行电教用房的选址时，要选择在没有强干扰声源处，或者将干扰声源搬迁，否则就要通过隔声方法将其控制在噪声容许标准内，或者对电教用房进行自身处理，如安装消声窗、修建窗外声障等方法来控制环境噪声。对于对静态环境要求较高的电教用房如演播室、录音室等，应尽可能不与其他振动的房间直接毗连，为防止从地下传来的振动，可在房间与声源间挖较深的防振沟或将房间整体性悬浮。
5.2 通过电声手段改善音质
由于建筑设计不当造成的室内音质缺陷，可以通过电声途径来弥补，以增强自然声和提高直达声的均匀程度，合理的电声设计可使室内音质得以美化。一是增加扩音量抑制环境噪声和振动干扰，提高信噪比；二是采用强指向性声源，增加直达声半径，提高语言声清晰度，弥补因混响时间过长造成的声缺陷；三是采用效果器，人为增加混响时间及延时效果，提高语言特别是音乐声的丰满和力度；四是恰当进行扩音布置，弥补原声场的不均匀；五是通过声源组的恰当布置，造成声像效应；六是提高扩声系统的最大功率增益，改进扩声质量和系统的稳定性，抑制声反馈所引起的声音畸变。
总之，改善电教用房的声环境，既要研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好的听闻条件；又要研究控制电教用房外部一定空间内的噪声干扰和危害，将噪声控制在噪声容许范围内；再加上室内电声设备的合理布置和运用，弥补室内音质缺陷，才能获得最佳的声音效果。
关键词 电教用房；吸声处理；隔声降噪；音质改善
中图分类号：G484 文件标识码：A文章编号：1671-489X（2007）01-0044-03
Exploration and Research on Dealing with the Sound in Audio-Visual Room//Yan Kai
Abstract The indoor sound in audio-visual room consists ofthrough sound, early reflex sound and the reverberations. The article using the theory of room acoustics, architecture acoustics and electrical acoustics, starting with indoor reverberations and the best reverberation time, discusses many methods in dealing with the sound in the geometrical size, the smallest volume, sound-absorbing materials and sound-absorbing structure, sound insulation and noise reducing, also advances some ways in making further improvements about tone quality.
Key Word rooms with electrical audio-visual aids; management of sound-absorbing;sound insulation and noise reducing; tone quality improvement
Author’s address Laiwu Vocational and Technical College，Laiwu, Shandong 271100
学校电教用房包括语音室、录音室、演播室、多媒体教室等，是开展电化教育的基础场所。一方面要保证室内具有良好的听音条件，使学习者在各个位置上都能获得基本相同的声音效果；另一方面要使教师所播出的声音信息具有较高的保真度，特别是在外语或汉语的语言教学中尤为重要。由于电教用房是教学用房的一部分，在内部环境方面必然受到学校活动及噪声的影响，在外部环境方面也会受到周围工厂、交通及社会噪声的干扰，导致电教用房的使用效果不够理想。因此，有必要对电教用房的声音进行处理和改善。
1 室内声音的组成
在日常教学活动中，声音的辐射、传输与接受是在室内进行的。在室内，声源发出的声波向四周辐射出去，声波的能量被墙壁、地面、天花板等障碍物多次吸收与反射，声波在室内的传播过程就是声能量逐渐衰减的过程。在室内任何位置听到的声音包括两部分：一部分是直达声，即声源直接传播到听者处的声音；另一部分是反射声，即反射声波经过一系列反射和吸收而逐渐衰减的延迟声，延迟声分为前期反射声和混响声。根据人的听觉延迟效应，那些紧跟在直达声后面的前期反射声，人们是不会在听觉上将它们与直达声分开的；但那些经过墙壁或室内物品的多次反射，彼此之间的时间间隔又非常小，好像是在同一时刻从各个方向上以相同的频率反射而来的，这些反射声被称为混响声，混响声能与直达声区别开来，因此室内声主要包括直达声、前期反射声和混响声三部分。
2 闭室的混响声与几何尺寸
室内存在混响是有界空间的一个重要的声学特性，混响声是声波在室内的多次反射声，在室内不可避免地引起复杂的驻波现象。这样，闭室就可以被看作是一个多元线性谐振系统，当声源在闭室内发声时，它将激发出封闭容积内一系列简正频率的简正振动。当声源停止发声后，一系列简正振动将按照其固有频率的衰减速度逐渐减弱下去，于是形成了混响声。
如果闭室的尺寸与声源所发声波最低频率分量的波长相比不是太小时，则该闭室在这个声音的频带内就会有非常密的简正频率，这样声音的所有频率都能激发出混响声。如果闭室的尺寸比较小，则只有个别的频率分量能激发出简正波，将会导致室内声音在个别频率分量上突出地加强或减弱，听起来特别不舒服，这在听觉上叫“声染色现象”。由此我们可以得出一个结论，要想闭室的声音有良好的效果，则闭室的容积必须足够大，以提高声场的均匀性。
3室内混响时间与吸声处理
3.1 最佳混响时间
在闭室容积足够大的条件下，闭室混响过程的特点就是衰减速度的问题。在声学中，常用“混响时间”来描述衰减的速度，它是指声能衰减下跌到原有强度的百万分之一(即60dB)所需的时间。混响时间是评价闭室声学特性的一项重要指标，对人们的听觉效果具有重要影响。混响时间适度，可使乐音丰满、语音饱满；混响时间太长，声音含混不清，语音清晰度下降，乐音缺乏力度和节奏感；混响时间太短，则声音较干硬且缺少生气，常有“呆板”、“沉寂”的感觉，听起来很不自然。混响时间除用公式计算外，也可以用仪器测定，对于不同的声音，人们对混响时间的要求不一样，作为录音的录音室一般容积为30~120m3，混响时间可取0.2~0.4s就能保证语言声有足够的清晰度，作为演播室需要容积250~4000m3，混响时间可取0.8~1.3s，录制的音乐有力度且丰满。
3.2 吸声处理
对于一个已确定容积的闭室，混响时间与室内表面材料的吸声系数有关，可以通过控制室内表面材料来达到所需的混响时间和规定的频率特性，防止回声和声能集中等现象。当一个闭室的混响时间不合要求时，可以用更换墙面材料的办法加以解决，即改变墙面的吸声系数。吸声系数决定了单位时间内单位面积的材料表面吸收的声音能量大小，根据吸声机理的不同，吸声体可分为多孔吸声材料和共振吸声结构。
3.2.1 多孔吸声材料
多孔吸声材料的吸声机理主要是指孔洞中的空气质点在声波作用下振动产生黏滞性摩擦和纤维材料在声波作用下发生形变产生的内摩擦等来消耗声波的能量。常用的多孔吸声材料有超细玻璃棉、矿渣棉、化纤棉、木丝板、甘蔗板、聚氨酯吸声泡沫塑料、泡沫橡胶、膨胀珍珠岩、多孔陶土砖、钦艺弹性吸声板和钦艺穿孔吸声板等，这些多孔吸声材料主要吸收声波中的中高频成分。根据试验测得，影响吸声性能的主要因素有4个：一是材料厚度；二是材料容量，以超细玻璃棉为例，一般每立方米用15~25Kg为宜；三是空气层，在材料层和墙壁面间留出一定厚度的空腔，相当于增加材料层的有效厚度，空气层以5~10cm较为合适；四是护面层，多孔材料一般较疏松，直接用于室内既无法固定又不美观，因而需在其表面覆盖护面层，通常在护面板上要钻圆孔、开槽缝或做花纹，使面板的穿孔率要尽可能大，一般不小于20%，穿孔率越高，对低频吸声性能越好。
3.2.2 共振吸声结构
共振吸声结构是由一个薄板和空气组成的振动系统，相当于弹簧振子，薄板相当于质量块，空气层相当于弹簧。当声波传来时，迫使薄板振动，就将振动的机械能转化为热能而消耗，从而达到吸声的目的。当入射声波的频率接近于振动系统的固有频率时，将发生共振，吸收的声能达到最大值。常见的共振吸声结构有2种：一种是薄板共振吸声结构，这种结构是将薄板的周边固结于框架上，并将框架牢牢地与刚性墙壁固定，构成薄板共振吸声结构，当在空气层中填充多孔吸声材料，又在板与龙骨交接处垫衬一些柔韧性阻尼材料，可使吸声频带变宽，吸声量增加；另一种是穿孔薄板共振吸声结构，相当于许多单个共振器并联而成的共振吸声结构，是一种宽频带吸声结构，这种穿孔薄板结构常用来做天花板，在噪声控制中也是一种应用较为广泛的吸声装置。
4 隔声降噪处理
学校电教用房的建筑环境应该是相对“安静”的，但由于条件限制，常常受到外界环境噪声的影响，特别是在作为声音信号产生第一关的演播室、录音室、语音室等电教用房，应把噪声降低到噪声容许标准内，使噪声对有用信号不会产生明显的掩蔽效应，必须采取措施隔绝外界噪声的传入即隔声降噪。噪声按传播途径可分为2种：一种是由空气传播的噪声，即空气声；另一种是由建筑结构传播的机械震动所辐射的噪声，即固体声。
对于空气声，常用的隔声结构有2种：一是单层密实均匀结构，当声波入射到这些构件上时，引起它们的振动，振动构件作为新的声源向另一面辐射声波，要增大构件的隔声性能就必须抑制构件的振动，因此构件越重就越不容易振动，隔声效果就越好；二是双层密实均匀结构，在两层密实结构中间留出一定距离就构成了双层密实均匀结构，由于层中空气与双层结构的特性阻抗相差很大，声波在它们的分界面处将产生明显的衰减，空气层的厚度一般取8~10cm为宜，为了防止共振可在空气层中填入少量玻璃棉、矿渣棉等松软的多孔吸声材料。
对于固体声，隔声相对要困难些。通常采用弹性衬垫的方式，在楼板面层上或地面板与承重楼板之间设置弹性层，使2个固体间不是直接接触，弹性衬垫起着减振作用而衰减固体声，在建筑中常用的弹性衬垫有钢弹簧、隔振软木、玻璃棉毡、矿渣棉毡以及橡胶制品等；其次是在机械设备下面设置隔振器，以减弱震动，这是建筑设备隔振的主要措施。
5改善室内音质的方法
音质是室内声音追求的最重要的目标之一，为了使室内声音保持自然声的优良品质，在电教用房的设计或改建中，要对声音信号进行必要的加工和美化。
5.1 从基础建设入手获取良好的音质
室内音质的好坏，很大程度上取决于环境噪声的高低，在进行电教用房的选址时，要选择在没有强干扰声源处，或者将干扰声源搬迁，否则就要通过隔声方法将其控制在噪声容许标准内，或者对电教用房进行自身处理，如安装消声窗、修建窗外声障等方法来控制环境噪声。对于对静态环境要求较高的电教用房如演播室、录音室等，应尽可能不与其他振动的房间直接毗连，为防止从地下传来的振动，可在房间与声源间挖较深的防振沟或将房间整体性悬浮。
5.2 通过电声手段改善音质
由于建筑设计不当造成的室内音质缺陷，可以通过电声途径来弥补，以增强自然声和提高直达声的均匀程度，合理的电声设计可使室内音质得以美化。一是增加扩音量抑制环境噪声和振动干扰，提高信噪比；二是采用强指向性声源，增加直达声半径，提高语言声清晰度，弥补因混响时间过长造成的声缺陷；三是采用效果器，人为增加混响时间及延时效果，提高语言特别是音乐声的丰满和力度；四是恰当进行扩音布置，弥补原声场的不均匀；五是通过声源组的恰当布置，造成声像效应；六是提高扩声系统的最大功率增益，改进扩声质量和系统的稳定性，抑制声反馈所引起的声音畸变。
总之，改善电教用房的声环境，既要研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好的听闻条件；又要研究控制电教用房外部一定空间内的噪声干扰和危害，将噪声控制在噪声容许范围内；再加上室内电声设备的合理布置和运用，弥补室内音质缺陷，才能获得最佳的声音效果。