反射板设置位置对教室声学特性影响模拟分析

籍仙荣 陆凤华

对于容积较大的教室,为获得良好语言清晰度,需对教室作必要的声学处理,比如设置吸声材料和声学反射板等(必要时还需设置电声装置)。对于声学反射板,在材料选择以后,还需考虑其设置位置。教室的声学反射板可设置在讲台顶部或黑板两侧,使反射声的来源方向与声源方向一致,给人亲切感,即虽然离声源较远,但就像在近处一样;设在侧墙的反射声给听者环绕感,一般音乐厅、影剧院等观演类建筑用的较多,教室一般不用;教室后部一般不设反射材料,以免形成回声。本文将以 150人阶梯教室为例,用声学软件EASE分析反射板设置于讲台顶部和黑板两侧时的不同声学效果。

1 150人用阶梯教室的相关说明及假定

本文以山西某大学教学主楼中的 150人用阶梯教室为例进行分析,但反射板具体设置与实际略有不同,该教室如图 1所示,开间和进深分别为 14.4m和10.8m,层高 4.5m。该教室相关说明及假定如下:1)教室地面和讲台均为水磨石,墙面为普通白灰抹面,窗户总面积 54.4m2,安装普通玻璃,设两个普通硬木拼板门,上有亮子,门洞面积为 7.2m2;2)教室设 8级台阶,每层台阶高 120mm,宽 900mm;3)声学软件采用德国 ADA声学设计公司开发的 EASE软件,在讲台正中距地面 1.78m(距讲台 1.58m)处以略提高的讲话声为声源,其 500 Hz和 1000Hz时前方 1m处的声压级(A)分别为 60dB和 58dB;在听众区选取 50个测点,如图 1所示;4)考虑教室处于学校之内,周围环境噪声较低,且采用普通砖墙砌筑即可满足教室一、二级隔声标准[1],教室内无产生较高噪声的特殊设备,所以 1000Hz时背景噪声采用 40dB;5)声学处理采用矿棉装饰吸音板吊顶(井字梁下留约 150mm大空腔),反射板设置方案一在讲台上部离黑板 600mm处设12m2的反射板,倾角 10°,最低边离地面 3.1m;方案二在黑板两侧分设 6m2的反射板,尺寸 3m×2m,最低边离地面 1.7m,顶部离地面 3.7m,与吊顶相接,如图 1所示,所选材料均为铝合金微穿孔板,且反射板里加 50厚玻璃棉毡。其中矿棉装饰吸音板采用某建材制品厂生产的 13厚FH 9717型吸音板,铝合金微穿孔板面层 1mm厚,孔径0.8mm,穿孔率 1%;6)在空场时测量,即无座椅和无学生时测量;7)本文将以总声压级、500 Hz和 1000 Hz时的混响时间及其频率为 1000 Hz的辅音清晰度损失率(Alcons)为评价指标。

2 模拟结果及其分析

1)混响时间的频率特性。我国《民用建筑隔声设计规范》规定,对于体积在 500m3～1000m3范围的合班教室,500 Hz频率时的混响时间为 1 s,其中混响时间可有 0.1 s的变动幅度,教室体积可有 10%的变动幅度[1]。从图 2可见,两种情况下混响时间均满足要求,且低频、中频和高频混响时间基本接近。反射板悬挂在讲台顶部时的混响时间要比反射板布置在黑板两侧时的混响时间略长。500 Hz时的混响时间分别为 0.91 s和 0.88 s。

2)声压级及其信噪比。美国 ANSIS12.60-2002标准规定教室信噪比(S/N)最小应为 15dB[2],“教室声学”研究表明教室信噪比(S/N)小于 10dB时,听力正常的学生语言清晰度会严重降低,要使听力上有缺陷的儿童听清楚,需要至少 15dB的信噪比[3]。教室 1000 Hz时背景噪声采用 40dB[1];从表 1可看出,声源位于讲台左、右两侧时对教室声压级的分布情况有影响;悬挂在讲台顶部反射板的反射效果要比黑板两侧反射板的反射效果略好,其相应的信噪比也较高。

3)辅音清晰度损失率(Alcons)。语言可懂度是混响时间、声压级和信噪比等的综合评价标准,语言可懂度有许多评价指标,现以辅音清晰度损失率(Alcons)为指标说明,损失越小,可懂度越好,根据软件规定损失率为 0%～7%时,优秀;7%～11%时良好;11%～15%为一般;15%～18%时较差;18%以上很差,不可接受。分析表1可知,反射板设于两种不同位置时,均有比较满意的结果;其中在黑板两侧布置反射板的教室声学效果较好;声源位于讲台中央比位于讲台两侧时,整个声场有较好的语言可懂度。

表1 反射板位置不同时,对应的声学特性模拟值

3 结语

从以上分析可知反射板布置在讲台顶部和黑板两侧时各有其优点。如想得到较短混响时间,应把反射板设在黑板两侧;如想使教室后部得到较高声压级,可考虑将反射板置于讲台顶部;而在教室黑板两侧布置反射板要比在讲台顶部悬挂反射板时的声学效果好。但最后方案确定除要考虑实际需要,还得注意装饰效果,避免明显声学痕迹。

该教室在实际中考虑到声学及其装饰效果,以及为避免人为损坏,将反射板设置于讲台顶部并将其剖面形式进行改良,采用了倾角不同的折线形,可以更好地将声音反射到教室听众区的前、中和后部,取得了良好效果。

[1] GBJ 118-88,民用建筑隔声设计规范[S].

[2] ANSIS12.60-2002.Acoustical Performance Criteria,Design Requirements,and Guidelines for schools[S].American National Standards Institute,2002.

[3] Classroom Acoustics— — a resource for creating learning environments with desirable listening conditions,2000.

[4] 项端祈,王 峥,陈金京,等.演艺建筑声学装修设计[M].北京:机械工业出版社,2004.