解决方案声学专栏

教室聲學環境

  • 簡介

美國現在正處於歷史上規模最大的校園建築和翻新階段,在對教育越來越重視的前提下,我們必須抓住機遇結束一個長久以來美國的慣例:教室建築的聲學環境低下。這個隱形問題雖然對學習有着深遠的影響,但其實很容易解決。過度的噪聲和混響影響了語言清晰度,結果降低了理解程度,致使學習效果的下降。在美國的許多教室里,語言清晰度為75%甚至更低。這意味着在語言清晰度測試中擁有正常聽力的聽者們只能夠聽懂被朗讀的詞彙表中75%的詞彙。試想一下這樣一本教材:每四個詞中就有一個詞無法聽清,試想一本四分之一的詞彙都無法聽懂的課本不但要理解,還要對其進行考試,聽起來是不是很荒謬?是的,這就是目前全國各地的在校學生們每天正在面對的切實狀況。

許多教育者們意識到在有聽力障礙的兒童們使用的教室里改進聲環境是十分重要的,但是他們認為並沒有必要在聽力正常的兒童們使用的教室中進行這樣的改進。然而許多“聽力正常”的學生也得益於較好的教室聲學環境,其中包括因聽覺處理問題造成學習障礙的學生以及英語是其第二語種的學生們。通常,這些學生並不會被安排在單獨的聲學條件較好的教室里,而是將其納入其他學生中間。另外一個學習特別依賴於有效聲學環境的人群就是無法根據上下文判斷語義的年幼的孩子們。由於他們詞彙量和經驗有限,在老師的講課中如果聽錯了一些詞句,他們將高年級學生更難以自行填補思路上的缺失。基於這些考慮,很明顯,經過改善的教室聲學環境將使廣大的學生受益良多。

儘管改善教室聲學環境並不昂貴,這個問題卻成為痼疾,這是為什麼呢?主要的原因並非資金短缺,而是對這些問題及其解決方案缺乏認識。1998年,全國用於學校建築的經費高達79億美元。只要從中拿出一點零頭,所有的這些空間都可以設計或改建為具備良好聽環境的場所。然而這需要建築師以及校園規劃者們在最初開始設計工作的時候就把教室聲學設計納入考慮。最好的解決建築聲學問題的辦法是防患於未然,而非亡羊補牢。在設計過程中,聲學問題通常可以通過事前的考慮以及對相同建築材料的不同布置來避免。而通過修繕改進在設計上有先天缺陷的建築聲學狀況將會昂貴得多。儘管如此,用於改進所付出的代價比起糟糕的教室聲環境給千百萬兒童在學習上造成的損害相比,還是要小的多。

數十年來,人們早已熟知教室聲學環境的重要性以及創造這種環境的方法。但建築師、規劃者、理人員、教師和家長們並未很好地利用這些知識。這本小冊子正是為新建或翻新的教室建築中有關聲環境的問題及其解決方法提供了總體概述。在這裡提供了簡單實際的說明及例子,在附錄中提供了定量定義和計算公式,以及更為詳細的信息和資料。關於有特殊聲學要求的空間如劇場或音樂室以及任何複雜噪音問題的空間,最好是由專業的聲學專家來解決。

  • 基本概念:

我們經常談論想要建造擁有“良好的聲環境”的房間,但是這成為了一個含糊甚至幾乎毫無意義的術語。並不存在一套單獨而通行的標準能夠為所有的房間使用提供“良好的聲學環境”。小教室,大教室,音樂教室,禮堂以及體育館都有不同的聲學需求。要理解這些不同的空間應該如何去設計,我們必須首先讓自己去熟悉一些聲音的基本屬性。在公元前一世紀,羅馬建築師Vitruvius在《De architectural》——他著名的《建築十書》中說道:聲音“沿無窮循環的環傳播,就像當一顆石子被扔進平靜的水面時所產生的數不勝數的不斷增加的環形波。不同的是,在水中圓是沿水平方向在一個平面上運動,而聲波不但沿水平方向傳播,同時在垂直方向上也有規律的階段性的上升。” Vitruvius並未完全理解聲音,但在這一點上它是正確的。一般說來,聲音自一點以波狀沿各個方向散射,直到它遇到牆或天花板一類的障礙物。在建築聲學中,聲波的兩個特徵值得我們注意:強度和頻率。聲強是表徵聲波聽起來有多響的物理量。頻率同樣可被測量,它是表徵音調的主要物理量。例如,一架鋼琴右側的琴鍵比左側的琴鍵音調偏高。如果一個聲音只有一個頻率,我們稱它為純音,但是日常生活中的大部分聲音如話語、音樂以及噪音都是由一組不同頻率的聲音組成的複合聲。當聲波運行過程中遇到一個表面時,頻率的重要性就體現出來了:不同頻率的聲波會有不同的反應。人耳的靈敏度也根據頻率不同而變化,一般說來我們更容易被中高頻的噪音干擾,特別是純音。把聲音想像成柱狀,像一束光一般穿行於空間中遇到一個物體。當它撞擊到一個表面,有幾種情況可能會發生,包括:

透射:聲音穿過表面進入到表面后的空間中,像光穿過一扇窗一般。

吸收:聲波像水被海綿吸收一般被吸收了。

反射:聲波入射到表面后像皮球撞到牆面后彈開般改變方向。

散射:聲波入射到表面后象被保齡球擊中的瓶子般向各個方向發散。

要記住,這些現象可能會同時發生。例如,當聲波入射到一堵牆時,它在被反射的同時會有部分被吸收,因此,反射聲不會像初始時那樣響。聲波頻率的不同對此也會產生影響。許多物體的表面吸收高頻聲而反射低頻聲。吸聲係數(α)和降噪係數(NRC)被用來表徵材料吸聲的能力。反射聲帶來了一個特殊的問題:不連續的回聲。大家都很熟悉這樣一個現象:在大峽谷中大聲呼喊,幾秒鐘後會聽到回聲。回聲在室內同樣會發生,儘管可能發生的較快。如果老師的聲音連續不斷地從教室的后牆反射回來,每一個回聲都會影響下一個詞,增加了理解的難度。回聲也是體育館中常見的一個問題。另一種影響聽力的回聲是顫動回聲。當兩個平坦堅硬的表面處於平行狀態,聲波將在兩者之間快速的來回撞擊而產生響亮的效果。這種現象在兩面牆或底板和天花板之間都可能發生。聲強級與聲壓級以分貝(dB)來衡量。通常,較響的聲音比相對柔和的聲音分貝數更高。由於分貝的增長是對數級而非線性的,因此分貝不能以通常的方法相疊加。一個被稱作混響時間的重要聲學量(RT或RT60)被用來判定聲音在室內衰減的速度。混想時間取決於房間的體積以及各表面的材料。大空間:如大教堂和體育館通常混響時間較長,並且聽覺感受明亮,有時給人以飽滿的感覺。而小房間如卧室,錄音室通常混響時間較短,給人的聽覺感受是乾癟或呆板。兩個房間之間的隔牆的降噪量通過測量一間房間內產生的聲音通過該牆後傳入臨室的百分比獲得。(見圖2)降噪量由聲源所在房間的噪聲級與接收房間內的噪聲級以分貝數的形式相減計算獲得。信噪比是衡量室內語言可懂度的一個簡單的比率。教師發音聲級的分貝數減去室內背景噪音級的分貝數就等於信噪比的分貝數。信噪比越高,語言清晰度約高。當信噪比是負值時(即背景噪聲強於教師的聲音時),教師的話將很難聽清。同樣應該值得注意的是,在房間的不同角落,隨着信號聲級和噪聲級的變化,信噪比也在變化着。典型情況通常有兩種:

(1)在教室的最後,教師聲音的聲級降到了最低值。

(2)在噪聲源附近,噪聲級最高,例如在一台壁掛式空調旁邊。

研究表明:當教室中的信噪比小於10個分貝時,對於具有平均聽力水平的兒童來說語言清晰度嚴重降低。在聽力上有缺陷的兒童需要至少15分貝的信噪比。語言清晰度可通過在室內使用詞彙表朗讀測驗來評估。測試者從一個標準詞彙列表中朗讀單詞,聽者們寫下她們所聽到的詞。聽者們正確聽到的單詞數就是該房間語言清晰度的一個度量。如果對以上話題更感興趣的,附錄中提供了更多的資料。

  • 教室聲環境指南:

現在我們已經對聲學的一些基本原理有了一定的了解,我們現在來學習如何將它們應用於創建教室中的理想聽環境。以下的指導方針是為典型的大約容納30名學生,講課位置位於教室前端,或以小組形式學習的教室所制定的。關於體育館,餐廳和禮堂的建議將在下一部分提供。

混響時間

儘管混響時間過長是教室聲環境差的常見病,有一個辦法可以解決。教室的混響時間在0.4與0.6之間較為理想,但現有的許多教室的混響時間長達一秒甚至更長。圖3給出了典型的教育建築理想的混響時間。已建和未建的教室的混響時間都可以通過賽賓公式準確而方便的得出。變量有房間體積,不同表面材料的面積,以及這些材料的各頻率吸聲係數。吸聲係數是表徵聲波的能量將有多少被一種材料吸收的物理量。有兩種減少房間混響時間的方法:或者減少房間的體積或者增加聲音的吸收。雖然減少體積並不總是可取,但對於天花板較高的舊教室而言比較適合。在這樣的空間中,增加吸聲吊頂板將會從減小體積和增加吸聲兩方面有效地改善其聲環境 。然而,增加吊頂常常需要安置新的照明裝置並與較高的窗子相衝突。後面的研究將會告訴我們針對高天花板的教室還有其它的解決方法。增加房間的吸聲可以通過增加更多的“軟質”材料來達到,如織物面的玻璃纖維牆板,地毯或聲學吊頂板。目前,已有許多同類產品進入市場,而且如果做好提前設計,使用普通的建築材料也可以獲得適當的教室混響時間。吸聲材料最好布置在整個房間而不是集中在一面牆或天花板上。在許多教室中,只使用聲學天花吊頂板就可以將混響時間降至理想的水平,然而,這並不能處理來自牆體的回聲問題。而且各種聲學天花板也不盡相同。應查閱規格說明書,從中找出降噪係數大於等於0.75的天花板。為了同時吸收高頻聲和低頻聲,在結構頂棚下懸挂吊頂是十分必要的。僅在教室地板上鋪一層地毯不會明顯地降低教室的混響時間,尤其是低頻混響時間。但地毯能夠很有效地減少學生們在地面上拖動桌椅時所發出的噪音。

無用的反射聲

如上面所提到的,回聲影響了講話的清晰度。可以利用吸收或散射來控制回聲。當布置吸聲材料減少混響時間時,同樣應考慮如何布置才能減少回聲。在教室的后牆上布置吸聲材料可以防止教師的聲音由后牆反射回教室的前部。同吸收一樣,散射也可將反射回教室的能降至最少。將一個散射體放置在教室的後面,將聲音分散到許多方向,這樣在任一特定方向上的聲級都將大大減小。發生在教室前部教師講課處的牆體之間的顫動回聲是一個十分嚴重的問題。有一個簡單的方法可以測試是否存在顫動回聲的問題:站在教室中央各平行表面的中間,用力地拍一下手。如果顫動回聲存在,將能聽見拍手後由於聲音迅速在兩面牆之間來回撞擊所產生的尖銳或響亮的聲音。試着向不同方向轉動身體並拍手來判定是哪兩面牆導致了顫動回聲。為減小兩面平行的硬質牆之間的顫動回聲,可以將其中一面或兩面都覆以織物表面玻璃纖維板或類似的吸聲材料。將這些板交錯地排列在相對的兩面牆上能達到很好的效果:每面牆上的材料正對着對面牆上沒有覆以材料的牆體。將兩面牆之間的角度張開至少8度同樣能夠消除它們之間的顫動回聲。

有益的反射聲

以上我們討論了在教室中減少回聲的方法,但在有些情況下我們希望對某些特定的回聲進行加強。這在混響時間短的大教室中尤為突出。教師聲音的能量在到達教室後面的學生前就可能被軟質的天花板吸收了。可以在室內的前部安裝一個聲反射石膏板天花或在天花的中央設置一個硬質反射表面,使教師的聲音傳遍整個教室。這些表面可以將聲音向教室的後面反射。為了使有反射體的教室保持較短的混響時間,在兩側或后牆上增加一些吸聲材料是十分必要的。對反射體的需求與教師採用的教學方式有關。例如,反射體在授課教室中較為有效,而在小組式教學的教室或實驗室中就不需要。

機械裝置噪聲

機械裝置帶來的強環境噪音例如嘈雜的取暖、通風及空氣調節(HVAC)系統在現有的學校中是十分常見的。這對於教師和學生都是十分嚴重的問題。教師為了獲得較好的語言清晰度,必須保持10dB的信噪比,因而不得不提高音量。這導致許多教師每年中都會有幾天因為嗓子過度緊張而病倒,花費了本應用於購置靜音機械設備的納稅人的錢。同時,學生們不得不費勁地聽課或者變得心煩意亂無法集中精神。機械噪聲主要源於糟糕的規劃設計,並且對於已有教室來說改進難度大且代價昂貴。儘管如此,過度的機械噪聲可以通過前期合理的設計來避免,只需很小甚至是不必付出額外的代價。設備工程師們對此問題常常無意識或者對此並不敏感,因此應該提醒他們噪聲控制是一個嚴重的問題,且必須在設計和購買階段就加以解決。

表1  機械噪聲問題及解決方法

問題:管道中的空氣流動速度過快,當其通過節氣閘,導向葉片或導流器時發出嘯聲,急流聲或嘶嘶聲。

辨別:傾聽並觀察在不同風扇轉速下噪聲是否隨氣流速度減小,打開關閉節氣閘,除去導流器觀察噪聲的改變。

解決:降低風扇轉速。增大管道截面積。重新安裝阻尼和/或使用消聲器。

問題:風扇噪聲或其它風控制系統噪聲沿着管道傳入教室。

辨別:比較教室內的噪聲和風控制系統噪聲。傾聽並觀察嗚嗚聲或隆隆聲的特性。

解決:把光裸鐵皮風道更換成具有吸聲功能的超風管(需要注意的是,內截面面積可能會變小,風速會提高,可能需要大一些的風管尺寸)。重新設計風管線路,使風控制系統到教室的路程更長一些。在風控制系統附近安裝消聲器或更換性能更優良的消聲器。

問題:風機盤管或變風量裝置附近產生的噪聲通過吊頂或管道傳入教室。

辨別:打開或關閉出風用以辨別噪聲的改變,有必要時,需要將噪聲源附近的吊頂拆除進行測聽。

解決:將風機盤管或變風量裝置從教室挪到其他附近房間,或更換成靜音設備。沿噪聲傳播路徑加裝消聲器或消聲風管。或在產生噪聲的設備外使用石膏板等材料做隔聲盒子,盒子內做吸聲襯裡,防止噪聲從管道或吊頂傳到教室內。

測量機械噪聲有多種方法。其中一種較好的測量標準是教室里的噪聲強度不應該超過NC25或NC30。NC,即噪音標準,是根據噪聲在某些頻率上的聲壓級確定的:具體方法是將噪聲值繪製在一張圖表上,通過比較結果來建立NC曲線。另一種行之有效的測量標準是教室噪聲不應該超過35dBA。 這種方法易於測量,用數字顯示所有頻段噪聲聲壓級,並模擬人朵的聽覺特性,人耳對低頻聲音不敏感。一般情況下,房間的噪聲用A聲級測量要比用NC測量高5至7 dB。

尋找房間內的噪聲源如大海撈針一般困難。噪聲源有很多,應付複雜的情況必須有專業的聲學專家及定位、 噪聲測量儀器。鑒於此, 表1 列舉了一些常見問題,這些問題你會在現有的一些中央空調的房間內發現。

就機械噪音這個問題,古語說得好:防患於未然。為防止這些噪音,請在設計教室時牢記以下準則:

將風機盤管或變風量裝置等房頂上的機械遠離教室等的噪聲敏感區域。在走廊內設置這些裝置,在教室外設置管道。盡量避免將任何主要的機械設備放置在教室內部、上部、或附近。

選擇低噪音的空氣處理設備。

選擇較大管道,盡量降低空氣循環率。選擇噪聲低於NC20 至 NC25空調設備。.

在管道運轉方面增加投入。這將減少機械噪聲及房間內部通過管道系統傳遞的噪音。管道設置的優劣詳見圖。

避免在教室內使用組合式空調、風機盤管、或無管道的分體通風系統。這類設施通常含有鼓風機,有時還有壓縮機,聲音巨大且難以改變位置。

內部噪音源

附近房間傳來的噪聲往往會幹擾學習,尤其是在安靜的自修時間或考試期間。五十年前,學校的牆壁大都是由沉重的磚塊或混凝土建造的,噪聲問題並不明顯。然而近幾十年來,由於降低建築成本的需要,牆壁都採用了薄而輕的材料,隔聲效果很差。更糟糕的是,六七十年代許多開放式設計的教室之間根本沒有任何隔斷。雖然現在有些學校已經將這些教室隔開,但隔聲效果卻不盡人意。

如果你想確定現有的兩間教室之間的牆壁是否合格,可以做個簡單的試驗:在一間教室內放置一台電視機或顯示器,將音量調至後排可以聽清的程度。然後,在另一間教室收聽效果。若聲音微弱或根本聽不到,證明牆壁的隔聲作用良好;若聲音較大,甚至清晰可辨,證明牆壁需要改造。

下圖6列舉了石膏板牆建築的優劣。一般說來,牆壁的質量越大,減噪效果越強。但是,厚而結實的牆壁造價過高,而且佔用了寶貴的房屋面積。一種行之有效的折衷辦法是:牆壁由兩層沉重的材料內部夾有一層空間構成。由兩層 5/8 英寸厚的石膏板製成的鈕扣式牆壁即為一個典型的例子。建造這類牆壁時,要注意重疊擺放石膏板,以避免兩層的接合處排列整齊,形成可供聲音穿行的通道。除此之外,在牆壁內層加入玻璃纖維或絕緣的礦物纖維也可抑制噪音的傳輸。在降噪方面,牆壁就如木桶,降噪效果是由其最薄弱的一環來決定的。

門、窗、小的縫隙、裂紋、格子窗、天窗都會完全抵消牆壁的降噪功效。牆壁、地板及天花板上的縫隙必須用聲學密封劑密封。其它方面良好的牆壁,若嵌有過薄、中空或門下有較大縫隙的門也會造成聲音的泄露。密封而堅固的門是最佳選擇。例如,最好不要將兩個鄰近房間的門設在一處,這樣噪聲傳播途徑較短 (上圖7列舉了設計的優劣)。而且,教室的門不應該直接相對設在走廊的兩側。兩側室門位置的不規則會增加並彎曲聲音傳播的路徑。

為增強效果,隔斷牆壁必須從建築地面延伸至建築頂棚,否則,聲音極易穿過內部的吊頂,經過隔斷牆壁,傳至另一間房間的頂棚。(見下圖8)這一點往往在加高牆壁時被忽視,比如隔斷開放式設計的教室時就容易發生這種情況。

預防性設計可以排除使用造價高且厚重的牆壁。設計期間應考慮哪些房間噪音較大(機械工作房間、健身房、餐廳、音樂教室、工業設計車間等),並使用隔離地區(走廊、貯藏室、休息間等)分隔重點收聽地區(教室、圖書館、特殊教育地帶及辦公室)。

外部噪音源

外部牆壁的降噪也很重要,因為學校外面很多吵鬧的活動,具有擾亂學習的可能性。鑒於此,許多學校採用了磚塊及混凝土結構的外部牆壁,降噪效果較好,但不適當的窗戶卻導致大量噪聲傳入。 為減少噪聲,窗戶必須密閉良好。雙層玻璃減噪性能優於單層玻璃(而且絕熱能力強,能量損耗小)。其它常見的噪聲源是壁掛式空調,這類機器的管道直接伸向外部,不但外部噪音會從管道傳入,而且本身也會產生巨大聲響,所以應盡量避免使用。

在選擇校址時,應考慮到可能影響學習的外部噪聲源,並設法使教室遠離這些區域。常見的噪聲源包括:飛機低空飛行區域,擁擠的街道,空閑的學校校車,操場,遊戲場所,外用機械設備,常有垃圾車清理的垃圾轉運間,割草機經常出沒的草坪,有大型機械的附近的樓宇。

擴聲系統

擴聲系統通常是指FM廣播系統。在一些信噪比較低的教室里,也不失為一種造價相對較低的降噪方法。

一個典型的擴聲系統包括:一隻無線麥克風,由教師配戴,以及一個或幾個擴音器,分別安裝在教室的前端、頂端、或牆壁上,向學生們傳遞聲音。通過增強教師聲音,信噪比也相應提高,使收聽的清晰度大大改善,並降低了對教師音量的要求。對於存在大量機械噪聲、降噪比較困難或昂貴的房間而言,這種方法是比較適用。但這種系統也有一定的局限性。例如,一個混響過長的教室會造成擴音器不能發出的大的聲音,致使收聽的清晰度降低。無論教室是否使用擴聲系統,採用聲學手段減少混響時間都至關重要。

該系統的另一個缺點是—只能保證教師的聲音。學生在向教師提問或在小組之間組織討論時,聲效無法提高。有些系統提供了另一隻學生之間可傳遞的手持話筒。但是,這種麻煩的解決方式又會阻礙自發的討論。而且如果話筒不能緊貼着說話人,還會傳出周圍的聲音,並不能有效改善信噪比。另一個問題是,擴聲對其它教室而言,又成為一種噪音。儘管如此,擴聲系統對於噪音較大的教室講,成本低廉,行之有效,通常比不做任何改動要好。

教室設計優劣舉例

如何使這些複雜的因素協調起來呢?本章將提供具體事例顯示如何用建築手段控制混響與回聲。

從聲學角度講,開放式設計的教室可能是最糟糕的。雖然這對某些教學方法或師生間的交互作用有益,但卻存在嚴重的聲學弊端。學生們極易被鄰班的聲象信號所干擾。而且聽力不好或精神不集中的學生在有機械噪聲的情況下聽課尚有困難,那麼當噪聲為清楚的信號時,他們的情況又會怎樣呢?為克服這些問題,許多開放式設計的教室都採用了半高的隔斷或象窗帘一樣可移動的隔板。這些隔斷消除了視覺障礙,但對於降低噪聲卻鮮有幫助。(下圖10列舉了一個開放式設計的例子)。

另一個不適當的設計是具有高大的石膏板天花、堅硬的牆壁及地板的教室。這類教室的混響與回聲會大大降低收聽的清晰度,尤其是對於年幼的孩子們。混響不同於機械噪音,無法通過提高教師音量來克服。必須採用吸聲裝修吸收有害的反射聲。(見下圖10a) 對於吸收材料的建議,請參看附錄提供的混響時間表。以下是非傳統的解決方式。

在教室安裝吸聲的內置天花板,並在地板上鋪上地毯,就會起到很好的聲學效果,使混響時間減少許多。這種方法對新教室的建設和現有教室的改造都比較經濟。對於中小型教室,如果使用超過NRC0.75的內置天花板,其混響時間即可以接受。地毯對於高頻噪音有一定的吸收作用,但主要是用來降低學生們自己製造的噪音(見圖10b)。不幸的是,這種方法對於控制牆壁的混響毫無作用。不過,如果刻意安排櫥櫃、書櫃等傢具,隔斷大而平的牆壁也可以減少回聲。

演講式教室的最佳設計是將天花板的部分吸音材料移至牆壁上,保持頂棚中央堅硬,以確保將教師的話反射至教室後部。這種半吸收、半反射的天花板看似複雜,卻可以用標準的分格方式建造。只需將聲學吊頂板沿天花板四周放置,頂棚幾格安放石膏板。如需向教室後部反射更多聲音,可根據教師在前部所處位置設置天花板的反射面。這部分反射面必須由夾板或石膏板一類的堅固的材料構成,並且能夠噴漆以便與整間房屋協調一致。在牆壁中放入吸聲材料同時還可以減少反射,消除回聲。2英寸厚的有織物面的薄玻璃纖維板性能良好,因為這種材料外型美觀,表面粗糙,並可吸收部分低頻噪聲。再在地面加上地毯,將會是一間聲學效果極佳的教室,混響時間短,沒有迴音,反射均勻,內部噪音小。而這一切均是由普通的建築材料完成的(見圖10c)。

個案分析—陳舊教室

這類教室通常存在於陳舊的教學樓內,由於聲學條件差、收聽清晰度弱,而成為教師抱怨的焦點。這只是大學的教室,還有很多小學和中學的教室也是如此設計,而且更加陳舊。下圖11所示的房間裝有高大的石膏頂棚及許多高大的窗戶。由於初建時沒有安裝中央空調,所以又加入了幾組噪音很大的窗式空調。為改善房間的聲學環境,需要測量幾組數據–因窗式空調引起的噪聲以和混響時間。在不影響房間整體美感的情況下,改善聲學環境,非常重要。

由於頂棚較高且缺少吸聲材料,中頻音的混響時間長達1.5秒。加入一層吸聲吊頂板將大大改善屋內聲學環境,而且視覺方面不會有太大影響。為避免妨礙窗戶的高度,吊頂板必須斜置在側面,一個全新的內置頂棚未必能與教室原有的建築相協調。反之,2英寸厚織物面的玻璃纖維可以與屋內色彩相配。纖維與其它照明設施等高。這樣既可以保持美觀,又不必象通常加吊頂板那樣更換照明設施。這種玻璃纖維板還可加在窗戶之間的牆壁上,以防止回聲並進一步減少混響時間。經過改造,中頻音的混響時間降為0.5秒。在許多吸聲吊頂板不適用的教室內,可以使用類似的解決方法。

室內空調系統也用聲學方法加以調整。原有的窗式空調噪音強度高達NC57。學校決定將原有的窗式空調更換為壓縮機外置的壁掛式兩速風扇系統。這樣,雖然改善了室內的製冷系統,但並未完全解決噪音問題。當風扇高速運轉時,附近的噪音強度降為NC47。雖然比原來降低了10dB,但仍然不盡人意。在屋子的另一端,噪音強度為 NC43。當風扇低速運轉時,噪音強度為 NC36到 NC33。雖然風扇低速運轉時,產生的噪音比較符合標準,但是,其高速運轉時的噪音遠遠高於標準。由於經濟或施工方面的原因,必須採用室內風扇系統時,應安裝多速風扇系統,而且,此系統必須能夠在風扇低速運轉時即可完成製冷任務。

特殊房間的聲學指導原則

本文旨在提供教室聲學的指導原則,本章將就普通教室的聲環境問題加以討論。這些指導原則並不象前文關於教室的論述那樣容易理解,如消除機械噪音及有效降噪等問題。但這些原則也適用於餐廳、體育館及禮堂。作者不願涉及到音樂教室,因為這類空間對聲學要求較高。具有特殊用途的房間過於複雜,應由專業聲學專家進行處理。

困擾餐廳和體育館的常見問題是混響時間(RT)過長。因為其空間過大,而且多為硬質頂棚。在餐廳內,混響時間過長導致噪音累積,學生們為了互相交流,不得不提高音量,最終產生了巨大的噪音。體育館內,經常舉行體育活動和集會,設計欠佳的廣播系統播音的清晰度及音質、音效都很差。

改善這些較大空間的吸音效果有幾種方法。在新建築中,如果天花板是由金屬框架構成的透明頂棚,應考慮使用底端附有穿孔及玻璃纖維的金屬框架用以吸聲。這樣可以在不過度增加建築成本的基礎上,大大減少混響時間。另一種適於新建或改造的方法是從頂棚懸挂障礙物或橫幅。這類物品通常由幾英寸厚薄塑料或布面的玻璃纖維構成。它們易於安裝,顏色各異,不會影響房間外觀。在牆壁上放置玻璃纖維或木質纖維板也能起到減少混響時間和降低回聲的作用。

體育館和餐廳本身就很嘈雜,而且還會影響到附近的教室。因此,應將這類場所與教室分開,不要將教室安排在體育館下面。籃球一類的觸地聲是個嚴重的問題,在新建築中糾正起來費用昂貴,在改造過程中,更是價格不菲。

學校禮堂舉行的演講、影劇、舞蹈、音樂等活動都要求有良好的聲學條件,但每項活動的具體要求又各有不同。為滿足這些要求,禮堂的聲學條件必須折衷以具備各項功能,同時,又不能有技術上稱之為特殊聲效的功能。特殊聲效包括使用隔板、幃帳及其它可通過移動來改變反射及混響時間的材料,以及各種聲學道具。要想使這些複雜的房間獲得滿意的聲學效果,最好諮詢專業的聲學專家。以下的幾個段落僅提供了一些設計原則及常見的缺點以供參考。

將禮堂與餐廳或體育館結合起來,既節約費用又節省面積,看上去似乎是個好辦法。然而,鮮有人這樣做,因為即使這樣設計,結果也不會出現一個聲效良好的禮堂。禮堂要求的是加強單一位置的聲效,而餐廳及體育館需要的是抑制許多聲源發出的噪音。這一衝突無法有效解決,因此這種結合應儘可能避免。禮堂房間的形狀對於聲音反射至觀眾的效果非常重要。應儘可能避免以舞台為圓心的寬型扇面設計。凹形后牆將使回聲聚集到舞台上的演員處,同時如果側牆張得太寬,就不能有效地把聲音反射給觀眾。為了使後排的觀眾聽到反射回來的聲音,底層包廂的高度應少於其與地面距離的兩倍。扁平的天花板將把回聲反射到禮堂的後面,因此天花板的某些部分應有一定的角度,使回聲能傳給觀眾。像金字塔、汽缸或其它特殊形狀擴散體的Convex漫射鑲嵌板有助於把聲音分散在整個禮堂里,並能減少離散的回聲。牆壁可以用水平滑動或垂直拉動的厚布料覆蓋,需要時可增強吸音效果,不用時可移開。

發行這份出版物的目的是為建築師、教育者和校園規劃者在新建或翻新教室時提供一份聲學參考材料。發行這份出版物的目的並非取代專業的聲學顧問服務,而是用來幫助人們理解創造理想的教室聽環境的要求。堪薩斯大學建築工程系的Bob Coffee,FASA為發行資料提供了監督。本出版物發行於2000年8月。

這份出版物是由堪薩斯大學建築工程專業的高年級學生Benjamin Seep, Robin Glosemeyer, Emily Hulce, Matt Linn, 和 Pamela Aytar為美國聲學學會建築聲學技術委員會準備的。堪薩斯大學建築工程系的Bob Coffeen,FASA為此課題提供了督導。本出版物於2000年8月正式發行。

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