摘要：教学演播室声学环境的改造直接关系到最终教学视频的声音质量。文章以上海交通大学教育技术中心教学演播室为实际案例，根据学校建设的具体情况及建声设计的一般原理，介绍了教学演播室在与外界环境隔离、内部噪声控制、声染色的避免和混响时间改善等方面的实际经验。同时，文章根据教学演播室使用的不同方式，采用稳态噪声切断法，对添加玻纤板前后的混响时间进行测量，并对改造前后的混响时间进行对比。通过改造，使教学演播室的声学环境及混响得到改善，为录制良好的视频课程提供了基础条件。
关键词：教学演播室；混响时间；教室建声设计
引言
慕课和微课的兴起，给学校视频课程的建设提出了新的要求，制作慕课和微课的方式层出不穷，教学演播室成为视频课程摄制的重要载体。上海交通大学的教学演播室集成了两种课程录制方式：一种与传统课堂的授课方式接近，教师通过与交互式大屏的交互完成教学内容的讲解与传递，如图1 所示；另一种与电视台节目制作的方式接近，教师通过虚拟演播系统完成课程的真实讲解和内容的虚拟呈现，如图2 所示。良好的视觉效果和知识呈现是教学演播室的重要优势，是吸引学生持续观看的重要原因，但无论是传统课堂还是教学演播室的课程录制，听觉感受在能够被容忍的范围内，往往被课程录制人员所忽视。听觉不仅是重要的信息传递渠道，也能引发感觉的愉悦或疲劳，因此在视频课程的录制上也应该注意对声音的处理。
教学演播室录制视频课程的声音受诸多因素的影响：①与声源处教师的发音有关；②与声音传播过程中教学演播室的环境有关；③与声音采集的设备与设置有关；④也与教师使用的教学资源中的视音频有关。在上面四个重要因素中，第一个因素不容易改变，第三个因素可以通过选择合适的设备并对其进行合理的设置得以解决，第四个因素则可以将教学资源的音频信号直接导入或后期插入到合成视频中。声音在传播的过程中受到的影响因素最多，如教学演播室的结构、教室墙面地面及天花板的材料、教室内的设备和教室门窗的缝隙等。因此，第二个因素是教学演播室改造的重要环节，通过对上述环境因素的改造，对创造出良好音质的声音及混响效果具有很大的帮助。
一 影响教学演播室声音环境的因素及其改造
传统教学楼在建设初期，一般不会将教学演播室纳入规划之中，学校必须在后期对原有教室进行选择和改造，使其满足教学演播室的实际需要。在改造过程中，影响教学演播室声音环境的因素主要包括以下几个方面：①选择合适的位置，并对墙壁进行加厚，隔离外界环境的不利因素，防止其对教学演播室产生的影响；②选择低噪音设备，采取合理的人与设备的管理办法，控制教学演播室内部的噪音；③要注意教学演播室的形状结构特点，防止发生“声染色”等现象；④选择合适的吸音材料改造教室的壁面，制造理想的混响效果。
1 与外界环境的隔离
教学演播室的选址要结合校园区域功能规划及楼层使用特点来进行选择。首先，要避免教学演播室建在校园的主干道附近，因为校园主干道是噪声比较密集的区域。其次，不要在实验室密集的地方建教学演播室，很多实验室有重型机械设备，设备在使用过程中会产生噪音和振动。最后，教学演播室最好选在教学楼高层的两侧，可以最大限度地排除外界环境干扰。上海交通大学的教学演播室选在教学区域楼层顶层的西侧，避开了外界的污染、噪声和振动等对教学演播室可能产生的不利影响。
在将传统教室改造成教学演播室的过程中，除了要考虑选址，还应该针对室内外不同噪声的特点，采取有针对性的控制方法。如上海交通大学的教学演播室，在距离原有的水泥外墙面10cm 处增加了10cm 左右的薄胶合板夹层墙壁，形成双层墙，隔绝外部噪音；在演播室与控制室之间采用双层有间隔的厚玻璃进行隔离，使控制室内人员及设备产生的噪声无法传播到演播室中，同时做好玻璃和门窗等缝隙处的密封。通过上述途径，基本可以阻断外界噪音。
2 内部噪声的控制
教学演播室内的噪音主要由设备和人员活动产生。上海交通大学的教学演播室集成了虚拟演播室的功能，其光源采用的是三基色灯管，几乎不会产生噪音。室内的交互式大屏和用于反看的电视机与显示器都是低噪音设备，对教师的声音基本不产生干扰。室内的空调是具有送回风功能的中央空调，有送风的声音但没有空调机身做机械运动产生的噪音，在视频拍摄前，可以将空调暂时关闭，避免送风产生噪音。为了避免教师在教学演播室里走动产生噪音，在虚拟演播室的绿箱地面上增加了一条绿色的地毯，一方面可以降噪，另一方面可以满足虚拟系统抠像要求。同时，在视频拍摄过程中，还要禁止其他人员进入和内部工作人员的非必要走动。
3 声染色的避免
由教室改造而成的教学演播室主要为规则的长方体，其面积一般在几十平米到几百平米的范围内，甚至有些小的演播教室只有几平米。在这种类型的教学演播室里，当所激发的谐振频率分布不均时，会使一些谐振频率发生重叠或非常靠近，从而产生谐振频率的简并现象，使某些声音的频率得到明显加强，造成声染色。避免声染色现象需要防止简正频率并化的发生——简正频率并化与教学演播室的长、宽、高比例有关系，切忌教学演播室长、宽、高的比例为整数，最好使教学演播室长、宽、高的比例为无理数，即可大大减少简正频率并化的发生。
上海交通大学的教学演播室在用作实景演播室时，其长、宽和高分别为9.47m、6.20m 和3.72m，比例关系为：2.5457:1.6667:1；将其用作虚拟演播室时，其长、宽和高分别为13.01m、6.20m 和3.72m，比例关系为3.4973:1.6667:1——上述比例关系有效避免了声染色现象的发生。
4 室内混响时间的改善
混响时间是指声源停止发声后，声能密度降为原来的百万分之一（相当于声压级衰变60dB）所需要的时间。混响时间过短产生的直接听觉感受是声音干涩，过长则感觉声音含糊不清。
计算混响时间的公式主要有赛宾公式和艾润公式。当吸声量超过一定范围后，赛宾公式的使用存在较大的局限，同时因为教学演播室的空间不是特别大，所以空气对声音的吸收可以忽略。本研究采用的是艾润公式，如公式（1）所示。在公式（1）中，T60 是混响时间（s），V 是室内的容积（m3），S 是室内的总表面积（m2），α是室内所有表面的平均吸声系数。
由艾润公式可以发现，在已建好的教学演播室内，降低混响时间的关键是选择合适的室内表面吸音材料，一方面可以增加室内的总表面积，另一方面使平均吸声系数增大。上海交通大学的教学演播室在改造建设过程中，对演播室的壁面特别是天花板部分做了重点处理。
二 教学演播室的混响时间控制
在教室的实际改造过程中，室内的容积一般是固定的，室内的总表面积和平均吸声系数则可以通过采用一定的附加吸声材料和吸声结构进行改变。本研究对上海交通大学教学演播室的地面、四周的墙壁和天花板等部位进行了一定的改造。降噪系数是衡量材料吸声性能的指标，是在频率为250Hz、500Hz、1000Hz 和2000Hz 条件下的吸声系数的算术平均值。教学演播室的混响效果的改善还要结合其它实际需要进行综合性的改造，在考虑降低混响时间的前提下，也要注意使用的便捷性、高效性和环保性等。
1 地面
改造后的教学演播室地面由地胶板、木地板讲台和涂有ROSCO 漆的绿箱地板三部分组成。上述三种材料比原有的瓷砖地面具有更好的吸声效果。使用地胶板是因为其相对光滑，方便摄像机三脚架的移动，且具有一定的弹性，人走在上面不会产生太大的噪音，同时也容易清洁。木地板的讲台和绿箱地板的使用，主要是从美观和实际使用的需要来考虑的。
2 墙壁
教学演播室的墙壁主体采用薄胶合板，改变原来水泥粉刷的墙面，薄胶合板的墙面具有很多不规则的条纹结构，具有一定的吸声功能。在控制室与教学演播室之间有一块很大的双层玻璃窗口，用于监看教学演播室的视频录制情况；靠近教学演播室一侧的玻璃与地面形成一定的倾角，使教师在绿箱中发出的声音不经过玻璃直接反射回去，而是反射到地面。
3 天花板
天花板是最容易进行声音改造的地方，也是教学演播室声音改造的主体。教学演播室天花板是光滑的油漆面，其对声音的吸收功能有限。在油漆面的下方及绿箱的上方是轻质的固定钢结构骨架，上面悬挂有供抠像使用的三基色灯具，还放置了降噪系数达0.85 的玻纤板。玻纤板的尺寸为800×500×25mm3，共计72 片。玻纤板共增加的表面积超过28.8m2。玻纤板之间有一定空隙，穿过空隙的声音经过顶部油漆面仍然会被反射到玻纤板上被吸收。
三 教学演播室的实际混响效果
教学演播室在安装玻纤板前后，采用稳态噪声切断法分别进行了两次测量。由于教学演播室集成了两种课程录制模式，因此每次测量都会根据不同课程录制时教室的空间结构特点，分别进行两种状态下的混响时间的测量，并对其进行比较，为教学演播室声学环境的继续改进提供数据支持。
1 教学演播室混响时间测量
（1）测量方法
稳态噪声切断法是先在室内通过声源建立一个稳定的声场，然后让声源突然停止发声，用传声器监测室内声压级的衰变过程，并记录其衰变曲线，最后通过声压级衰变曲线斜率计算声压级下降60dB 的时间从而计算出混响时间。
（2）测量过程
混响时间测量过程中使用的仪器主要有声级计、功放和十二面体无指向性声源。测量过程如下：首先，将无指向性声源放置在教师说话的位置，声级计放置在学生听课位置（摄像机接收声音的位置）；其次，连接好设备间的线路并接上电源；再次，设置声级计发送粉红噪声信号（频率范围是100~10kHz，中频达到100dB）给功放，并由无指向性声源发出声音，在声级计上设置发出声音的时间长短和次数；最后，通过声级计接收噪声切断后声压级衰变信号，计算混响时间。在每一位置上要进行三次测量，然后改变声级计的位置再次进行测量，一共需要在三个位置上进行测量。在测量时，应关闭房间的门窗，控制人员活动和设备噪声。
2 测量结果及其对比
（1）将教学演播室作为虚拟课堂演播室
将教学演播室作为虚拟课堂演播室时，室内测量平面图如图3 所示。其中，S1 所在位置为绿箱，S2 所在位置为教室讲台；在S1 处放置声源，并在室内R1、R2 和R3 处分别进行测量，然后将声源移至S2 处再次进行测量。在改造前后分别进行测量，测得中频各频率对应的混响时间如图4 所示。
计算改造前后中频混响时间的算术平均值，得到如表1 所示的数据。从表1 可知，在体积大约为300m3 的虚拟课堂演播室中，通过添加玻纤板改造，可使平均混响时间从1.43s 降低到0.81s，降低了43%。
（2）将演播教室作为实景课堂演播室
将演播教室作为实景课堂演播室时，需要将虚拟课堂演播室的绿箱用悬挂式推拉门关闭，此时室内测量的平面图如图5 所示。此时，图中左侧绿箱被关闭，S1 所在位置为教室讲台，在S1 处放置声源，同时在室内的R1、R2 和R3 处分别进行测量。对改造前后分别进行测量，测得中频各频率对应的混响时间如图6 所示。在图6 中，低频部分呈现明显的山谷状，主要原因是绿箱被关闭后悬挂式推拉门与绿箱形成薄板共振结构，对低频吸声起到了一定的作用。
计算实景课堂演播室改造前后中频混响时间的平均值，得到如表2 所示的数据。从表2 可知，在体积大约为220m3 的实景课堂演播教室中，通过添加玻纤板改造，可使平均混响时间从1.36s 降低到0.85s，降低了38%。
四 结语
改造教室的声学环境，特别是教学演播室的声学环境，对于创造良好的音频听觉效果具有重要的意义，是给学习者营造良好学习环境的基础。学校在改造传统教室为教学演播室时，要选择比较安静且振动少的区域。同时，要考虑教室的长、宽、高比例，防止声染色的发生。室内除了要采用噪声低、振动小的设备，还要注意房间的缝隙可能带来的噪声。在进行视频拍摄时，要选择性地关闭部分产生噪声的设备，控制人员的非必要走动。教学演播室改造的另一个关键是要创造合适的混响，上海交通大学的教学演播室在降低混响时间方面，一是改造地面和墙壁面，二是在天花板上采用具有高吸音功能的玻纤板。通过改造，教学演播室的混响时间有了一定幅度的降低，声音的清晰度得到提高，但仍然没有达到理想状态，还可以做进一步改进。如教学演播室的声学环境改造要与其功能及光学、美学要求结合起来，达到一个平衡。
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