呂軍黃健劉秀蓋文靜

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教學(xué)演播室聲音環(huán)境的改造及混響時(shí)間控制*——以上海交通大學(xué)教學(xué)演播室為例

呂 軍 黃 健 劉 秀蓋文靜

（上海交通大學(xué) 教育技術(shù)中心，上海 200240）

教學(xué)演播室聲學(xué)環(huán)境的改造直接關(guān)系到最終教學(xué)視頻的聲音質(zhì)量。文章以上海交通大學(xué)教育技術(shù)中心教學(xué)演播室為實(shí)際案例，根據(jù)學(xué)校建設(shè)的具體情況及建聲設(shè)計(jì)的一般原理，介紹了教學(xué)演播室在與外界環(huán)境隔離、內(nèi)部噪聲控制、聲染色的避免和混響時(shí)間改善等方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，文章根據(jù)教學(xué)演播室使用的不同方式，采用穩(wěn)態(tài)噪聲切斷法，對(duì)添加玻纖板前后的混響時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)改造前后的混響時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)改造，使教學(xué)演播室的聲學(xué)環(huán)境及混響得到改善，為錄制良好的視頻課程提供了基礎(chǔ)條件。

教學(xué)演播室；混響時(shí)間；教室建聲設(shè)計(jì)

引言

慕課和微課的興起，給學(xué)校視頻課程的建設(shè)提出了新的要求[1]，制作慕課和微課的方式層出不窮，教學(xué)演播室成為視頻課程攝制的重要載體。上海交通大學(xué)的教學(xué)演播室集成了兩種課程錄制方式：一種與傳統(tǒng)課堂的授課方式接近，教師通過(guò)與交互式大屏的交互完成教學(xué)內(nèi)容的講解與傳遞，如圖1所示；另一種與電視臺(tái)節(jié)目制作的方式接近，教師通過(guò)虛擬演播系統(tǒng)完成課程的真實(shí)講解和內(nèi)容的虛擬呈現(xiàn)，如圖2所示。良好的視覺(jué)效果和知識(shí)呈現(xiàn)是教學(xué)演播室的重要優(yōu)勢(shì)，是吸引學(xué)生持續(xù)觀看的重要原因，但無(wú)論是傳統(tǒng)課堂還是教學(xué)演播室的課程錄制，聽(tīng)覺(jué)感受在能夠被容忍的范圍內(nèi)，往往被課程錄制人員所忽視。聽(tīng)覺(jué)不僅是重要的信息傳遞渠道，也能引發(fā)感覺(jué)的愉悅或疲勞，因此在視頻課程的錄制上也應(yīng)該注意對(duì)聲音的處理。

圖1 實(shí)景課堂演播室

圖2 虛擬課堂演播室

教學(xué)演播室錄制視頻課程的聲音受諸多因素的影響：①與聲源處教師的發(fā)音有關(guān)；②與聲音傳播過(guò)程中教學(xué)演播室的環(huán)境有關(guān)；③與聲音采集的設(shè)備與設(shè)置有關(guān)；④也與教師使用的教學(xué)資源中的視音頻有關(guān)。在上面四個(gè)重要因素中，第一個(gè)因素不容易改變，第三個(gè)因素可以通過(guò)選擇合適的設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)置得以解決，第四個(gè)因素則可以將教學(xué)資源的音頻信號(hào)直接導(dǎo)入或后期插入到合成視頻中。聲音在傳播的過(guò)程中受到的影響因素最多，如教學(xué)演播室的結(jié)構(gòu)、教室墻面地面及天花板的材料、教室內(nèi)的設(shè)備和教室門(mén)窗的縫隙等。因此，第二個(gè)因素是教學(xué)演播室改造的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)上述環(huán)境因素的改造，對(duì)創(chuàng)造出良好音質(zhì)的聲音及混響效果具有很大的幫助。

一影響教學(xué)演播室聲音環(huán)境的因素及其改造

傳統(tǒng)教學(xué)樓在建設(shè)初期，一般不會(huì)將教學(xué)演播室納入規(guī)劃之中，學(xué)校必須在后期對(duì)原有教室進(jìn)行選擇和改造，使其滿足教學(xué)演播室的實(shí)際需要[2]。在改造過(guò)程中，影響教學(xué)演播室聲音環(huán)境的因素主要包括以下幾個(gè)方面：①選擇合適的位置，并對(duì)墻壁進(jìn)行加厚，隔離外界環(huán)境的不利因素，防止其對(duì)教學(xué)演播室產(chǎn)生的影響；②選擇低噪音設(shè)備，采取合理的人與設(shè)備的管理辦法，控制教學(xué)演播室內(nèi)部的噪音；③要注意教學(xué)演播室的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，防止發(fā)生“聲染色”等現(xiàn)象；④選擇合適的吸音材料改造教室的壁面，制造理想的混響效果。

1 與外界環(huán)境的隔離

教學(xué)演播室的選址要結(jié)合校園區(qū)域功能規(guī)劃及樓層使用特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選擇。首先，要避免教學(xué)演播室建在校園的主干道附近，因?yàn)樾@主干道是噪聲比較密集的區(qū)域。其次，不要在實(shí)驗(yàn)室密集的地方建教學(xué)演播室，很多實(shí)驗(yàn)室有重型機(jī)械設(shè)備，設(shè)備在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)。最后，教學(xué)演播室最好選在教學(xué)樓高層的兩側(cè)，可以最大限度地排除外界環(huán)境干擾。上海交通大學(xué)的教學(xué)演播室選在教學(xué)區(qū)域樓層頂層的西側(cè)，避開(kāi)了外界的污染、噪聲和振動(dòng)等對(duì)教學(xué)演播室可能產(chǎn)生的不利影響。

在將傳統(tǒng)教室改造成教學(xué)演播室的過(guò)程中，除了要考慮選址，還應(yīng)該針對(duì)室內(nèi)外不同噪聲的特點(diǎn)，采取有針對(duì)性的控制方法[3]。如上海交通大學(xué)的教學(xué)演播室，在距離原有的水泥外墻面10cm處增加了10cm左右的薄膠合板夾層墻壁，形成雙層墻，隔絕外部噪音；在演播室與控制室之間采用雙層有間隔的厚玻璃進(jìn)行隔離，使控制室內(nèi)人員及設(shè)備產(chǎn)生的噪聲無(wú)法傳播到演播室中，同時(shí)做好玻璃和門(mén)窗等縫隙處的密封。通過(guò)上述途徑，基本可以阻斷外界噪音。

2 內(nèi)部噪聲的控制

教學(xué)演播室內(nèi)的噪音主要由設(shè)備和人員活動(dòng)產(chǎn)生。上海交通大學(xué)的教學(xué)演播室集成了虛擬演播室的功能，其光源采用的是三基色燈管，幾乎不會(huì)產(chǎn)生噪音。室內(nèi)的交互式大屏和用于反看的電視機(jī)與顯示器都是低噪音設(shè)備，對(duì)教師的聲音基本不產(chǎn)生干擾。室內(nèi)的空調(diào)是具有送回風(fēng)功能的中央空調(diào)，有送風(fēng)的聲音但沒(méi)有空調(diào)機(jī)身做機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪音，在視頻拍攝前，可以將空調(diào)暫時(shí)關(guān)閉，避免送風(fēng)產(chǎn)生噪音。為了避免教師在教學(xué)演播室里走動(dòng)產(chǎn)生噪音，在虛擬演播室的綠箱地面上增加了一條綠色的地毯，一方面可以降噪，另一方面可以滿足虛擬系統(tǒng)摳像要求。同時(shí)，在視頻拍攝過(guò)程中，還要禁止其他人員進(jìn)入和內(nèi)部工作人員的非必要走動(dòng)。

3 聲染色的避免

由教室改造而成的教學(xué)演播室主要為規(guī)則的長(zhǎng)方體，其面積一般在幾十平米到幾百平米的范圍內(nèi)，甚至有些小的演播教室只有幾平米。在這種類型的教學(xué)演播室里，當(dāng)所激發(fā)的諧振頻率分布不均時(shí)，會(huì)使一些諧振頻率發(fā)生重疊或非?？拷瑥亩a(chǎn)生諧振頻率的簡(jiǎn)并現(xiàn)象，使某些聲音的頻率得到明顯加強(qiáng)，造成聲染色。避免聲染色現(xiàn)象需要防止簡(jiǎn)正頻率并化的發(fā)生——簡(jiǎn)正頻率并化與教學(xué)演播室的長(zhǎng)、寬、高比例有關(guān)系，切忌教學(xué)演播室長(zhǎng)、寬、高的比例為整數(shù)，最好使教學(xué)演播室長(zhǎng)、寬、高的比例為無(wú)理數(shù)，即可大大減少簡(jiǎn)正頻率并化的發(fā)生[4]。

上海交通大學(xué)的教學(xué)演播室在用作實(shí)景演播室時(shí)，其長(zhǎng)、寬和高分別為9.47m、6.20m和3.72m，比例關(guān)系為：2.5457:1.6667:1；將其用作虛擬演播室時(shí)，其長(zhǎng)、寬和高分別為13.01m、6.20m和3.72m，比例關(guān)系為3.4973:1.6667:1——上述比例關(guān)系有效避免了聲染色現(xiàn)象的發(fā)生。

4 室內(nèi)混響時(shí)間的改善

混響時(shí)間是指聲源停止發(fā)聲后，聲能密度降為原來(lái)的百萬(wàn)分之一（相當(dāng)于聲壓級(jí)衰變60dB）所需要的時(shí)間[5]。混響時(shí)間過(guò)短產(chǎn)生的直接聽(tīng)覺(jué)感受是聲音干澀，過(guò)長(zhǎng)則感覺(jué)聲音含糊不清。

由艾潤(rùn)公式可以發(fā)現(xiàn)，在已建好的教學(xué)演播室內(nèi)，降低混響時(shí)間的關(guān)鍵是選擇合適的室內(nèi)表面吸音材料，一方面可以增加室內(nèi)的總表面積，另一方面使平均吸聲系數(shù)增大。上海交通大學(xué)的教學(xué)演播室在改造建設(shè)過(guò)程中，對(duì)演播室的壁面特別是天花板部分做了重點(diǎn)處理。

二教學(xué)演播室的混響時(shí)間控制

在教室的實(shí)際改造過(guò)程中，室內(nèi)的容積一般是固定的，室內(nèi)的總表面積和平均吸聲系數(shù)則可以通過(guò)采用一定的附加吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。本研究對(duì)上海交通大學(xué)教學(xué)演播室的地面、四周的墻壁和天花板等部位進(jìn)行了一定的改造。降噪系數(shù)是衡量材料吸聲性能的指標(biāo)，是在頻率為250Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz條件下的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值。教學(xué)演播室的混響效果的改善還要結(jié)合其它實(shí)際需要進(jìn)行綜合性的改造，在考慮降低混響時(shí)間的前提下，也要注意使用的便捷性、高效性和環(huán)保性等。

1 地面

改造后的教學(xué)演播室地面由地膠板、木地板講臺(tái)和涂有ROSCO漆的綠箱地板三部分組成。上述三種材料比原有的瓷磚地面具有更好的吸聲效果。使用地膠板是因?yàn)槠湎鄬?duì)光滑，方便攝像機(jī)三腳架的移動(dòng)，且具有一定的彈性，人走在上面不會(huì)產(chǎn)生太大的噪音，同時(shí)也容易清潔。木地板的講臺(tái)和綠箱地板的使用，主要是從美觀和實(shí)際使用的需要來(lái)考慮的。

2 墻壁

教學(xué)演播室的墻壁主體采用薄膠合板，改變?cè)瓉?lái)水泥粉刷的墻面，薄膠合板的墻面具有很多不規(guī)則的條紋結(jié)構(gòu)，具有一定的吸聲功能。在控制室與教學(xué)演播室之間有一塊很大的雙層玻璃窗口，用于監(jiān)看教學(xué)演播室的視頻錄制情況；靠近教學(xué)演播室一側(cè)的玻璃與地面形成一定的傾角，使教師在綠箱中發(fā)出的聲音不經(jīng)過(guò)玻璃直接反射回去，而是反射到地面。

3 天花板

天花板是最容易進(jìn)行聲音改造的地方，也是教學(xué)演播室聲音改造的主體。教學(xué)演播室天花板是光滑的油漆面，其對(duì)聲音的吸收功能有限。在油漆面的下方及綠箱的上方是輕質(zhì)的固定鋼結(jié)構(gòu)骨架，上面懸掛有供摳像使用的三基色燈具，還放置了降噪系數(shù)達(dá)0.85的玻纖板[6]。玻纖板的尺寸為800×500×25mm3，共計(jì)72片。玻纖板共增加的表面積超過(guò)28.8m2。玻纖板之間有一定空隙，穿過(guò)空隙的聲音經(jīng)過(guò)頂部油漆面仍然會(huì)被反射到玻纖板上被吸收。

三教學(xué)演播室的實(shí)際混響效果

教學(xué)演播室在安裝玻纖板前后，采用穩(wěn)態(tài)噪聲切斷法分別進(jìn)行了兩次測(cè)量。由于教學(xué)演播室集成了兩種課程錄制模式，因此每次測(cè)量都會(huì)根據(jù)不同課程錄制時(shí)教室的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別進(jìn)行兩種狀態(tài)下的混響時(shí)間的測(cè)量，并對(duì)其進(jìn)行比較，為教學(xué)演播室聲學(xué)環(huán)境的繼續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 教學(xué)演播室混響時(shí)間測(cè)量

（1）測(cè)量方法

穩(wěn)態(tài)噪聲切斷法是先在室內(nèi)通過(guò)聲源建立一個(gè)穩(wěn)定的聲場(chǎng)，然后讓聲源突然停止發(fā)聲，用傳聲器監(jiān)測(cè)室內(nèi)聲壓級(jí)的衰變過(guò)程，并記錄其衰變曲線，最后通過(guò)聲壓級(jí)衰變曲線斜率計(jì)算聲壓級(jí)下降60dB的時(shí)間從而計(jì)算出混響時(shí)間[7]。

（2）測(cè)量過(guò)程

混響時(shí)間測(cè)量過(guò)程中使用的儀器主要有聲級(jí)計(jì)、功放和十二面體無(wú)指向性聲源。測(cè)量過(guò)程如下：首先，將無(wú)指向性聲源放置在教師說(shuō)話的位置，聲級(jí)計(jì)放置在學(xué)生聽(tīng)課位置（攝像機(jī)接收聲音的位置）；其次，連接好設(shè)備間的線路并接上電源；再次，設(shè)置聲級(jí)計(jì)發(fā)送粉紅噪聲信號(hào)（頻率范圍是100~10kHz，中頻達(dá)到100dB）給功放，并由無(wú)指向性聲源發(fā)出聲音，在聲級(jí)計(jì)上設(shè)置發(fā)出聲音的時(shí)間長(zhǎng)短和次數(shù)；最后，通過(guò)聲級(jí)計(jì)接收噪聲切斷后聲壓級(jí)衰變信號(hào)，計(jì)算混響時(shí)間。在每一位置上要進(jìn)行三次測(cè)量，然后改變聲級(jí)計(jì)的位置再次進(jìn)行測(cè)量，一共需要在三個(gè)位置上進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，應(yīng)關(guān)閉房間的門(mén)窗，控制人員活動(dòng)和設(shè)備噪聲[8]。

2 測(cè)量結(jié)果及其對(duì)比

（1）將教學(xué)演播室作為虛擬課堂演播室

將教學(xué)演播室作為虛擬課堂演播室時(shí)，室內(nèi)測(cè)量平面圖如圖3所示。其中，S1所在位置為綠箱，S2所在位置為教室講臺(tái)；在S1處放置聲源，并在室內(nèi)R1、R2和R3處分別進(jìn)行測(cè)量，然后將聲源移至S2處再次進(jìn)行測(cè)量。在改造前后分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得中頻各頻率對(duì)應(yīng)的混響時(shí)間如圖4所示。

圖3 虛擬課堂演播室測(cè)量平面圖

圖4 虛擬課堂演播室改造前后混響時(shí)間

計(jì)算改造前后中頻混響時(shí)間的算術(shù)平均值，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。從表1可知，在體積大約為300m3的虛擬課堂演播室中，通過(guò)添加玻纖板改造，可使平均混響時(shí)間從1.43s降低到0.81s，降低了43%。

表1 虛擬課堂演播室改造前后中頻混響時(shí)間平均值

（2）將演播教室作為實(shí)景課堂演播室

將演播教室作為實(shí)景課堂演播室時(shí)，需要將虛擬課堂演播室的綠箱用懸掛式推拉門(mén)關(guān)閉，此時(shí)室內(nèi)測(cè)量的平面圖如圖5所示。此時(shí)，圖中左側(cè)綠箱被關(guān)閉，S1所在位置為教室講臺(tái)，在S1處放置聲源，同時(shí)在室內(nèi)的R1、R2和R3處分別進(jìn)行測(cè)量。對(duì)改造前后分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得中頻各頻率對(duì)應(yīng)的混響時(shí)間如圖6所示。在圖6中，低頻部分呈現(xiàn)明顯的山谷狀，主要原因是綠箱被關(guān)閉后懸掛式推拉門(mén)與綠箱形成薄板共振結(jié)構(gòu)，對(duì)低頻吸聲起到了一定的作用。

圖5 實(shí)景課堂演播室測(cè)量平面圖

圖6 實(shí)景課堂演播室改造前后混響時(shí)間

計(jì)算實(shí)景課堂演播室改造前后中頻混響時(shí)間的平均值，得到如表2所示的數(shù)據(jù)。從表2可知，在體積大約為220m3的實(shí)景課堂演播教室中，通過(guò)添加玻纖板改造，可使平均混響時(shí)間從1.36s降低到0.85s，降低了38%。

表2 實(shí)景課堂演播室改造前后中頻混響時(shí)間的平均值

四結(jié)語(yǔ)

改造教室的聲學(xué)環(huán)境，特別是教學(xué)演播室的聲學(xué)環(huán)境，對(duì)于創(chuàng)造良好的音頻聽(tīng)覺(jué)效果具有重要的意義，是給學(xué)習(xí)者營(yíng)造良好學(xué)習(xí)環(huán)境的基礎(chǔ)[9]。學(xué)校在改造傳統(tǒng)教室為教學(xué)演播室時(shí)，要選擇比較安靜且振動(dòng)少的區(qū)域。同時(shí)，要考慮教室的長(zhǎng)、寬、高比例，防止聲染色的發(fā)生。室內(nèi)除了要采用噪聲低、振動(dòng)小的設(shè)備，還要注意房間的縫隙可能帶來(lái)的噪聲。在進(jìn)行視頻拍攝時(shí)，要選擇性地關(guān)閉部分產(chǎn)生噪聲的設(shè)備，控制人員的非必要走動(dòng)。教學(xué)演播室改造的另一個(gè)關(guān)鍵是要?jiǎng)?chuàng)造合適的混響，上海交通大學(xué)的教學(xué)演播室在降低混響時(shí)間方面，一是改造地面和墻壁面，二是在天花板上采用具有高吸音功能的玻纖板。通過(guò)改造，教學(xué)演播室的混響時(shí)間有了一定幅度的降低，聲音的清晰度得到提高，但仍然沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)，還可以做進(jìn)一步改進(jìn)。如教學(xué)演播室的聲學(xué)環(huán)境改造要與其功能及光學(xué)、美學(xué)要求結(jié)合起來(lái)，達(dá)到一個(gè)平衡。

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編輯：小西

Acoustic Environment Modification and Reverberation Time Control of Teaching Studio——Taking Teaching Studio in Shanghai Jiao Tong University for Example

LV Jun HUANG Jian LIU XiuGAI Wen-jing

In teaching studios, the design of acoustic environment can have a fatal effect on the sound quality of the final teaching videos. The present research was based on the teaching studio case in Shanghai Jiao Tong University, with consideration of the university’s actual situation and the general principle of architectural acoustic design. Firstly, some practical experience in terms of outside environment isolation, inside noise control, acoustic coloration avoidance, reverberation time improvement and others were introduced. Secondly, based on the different ways of teaching studio use, the interrupting noise method was adopted to measure reverberation time before and after the glass fiber board was installed. Finally, this paper made the comparison of the reverberation time before and after the modification. The results indicated that through modification, the teaching studio acoustic environment and reverberation is improved, which provides the basic conditions to record better video courses.

teaching studio; reverberation time; classroom acoustics design

G40-057

A

1009—8097（2018）02—0087—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.02.013

本文為上海交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究課題“服務(wù)于教學(xué)資源開(kāi)發(fā)的虛擬演播室的建設(shè)”（項(xiàng)目編號(hào)：16SJ-018）的階段性研究成果。

呂軍，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榻虒W(xué)資源開(kāi)發(fā)，郵箱為ksxylj@sjtu.edu.cn。

2017年5月17日