郭文成　 黃功俊　 閔鶴群

(1東南大學(xué)建筑學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護教育部重點實驗室, 南京 210096)(3東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

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簡易布窗簾及課桌對教室空場混響時間的影響

郭文成1,2黃功俊3閔鶴群1,2

(1東南大學(xué)建筑學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護教育部重點實驗室, 南京 210096)(3東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

采用實驗測量和數(shù)值仿真研究了常用簡易布窗簾及課桌對國內(nèi)大學(xué)典型教室空場混響時間的影響規(guī)律和機理.首先,選取了尺寸為16.8 m×10.2 m×3.78 m的新建教室，分別在未安裝窗簾和課桌、僅安裝窗簾、已安裝窗簾和課桌等多種狀態(tài)下,使用中斷聲源法對其空場混響時間進行了實驗測量.然后,基于Raynoise建立了該教室上述多種狀態(tài)下的聲場仿真模型.將仿真結(jié)果與實驗測量結(jié)果進行對比,推算出了該教室各內(nèi)表面、窗簾和課桌的吸聲系數(shù).結(jié)果表明,窗簾主要通過吸聲而課桌則通過吸聲以及幾何結(jié)構(gòu)來改變教室混響,并且窗簾和課桌可分別使該教室空場混響時間至少降低54%和27%.

教室;吸聲;混響時間;噪聲控制;聲舒適

教室聽聞環(huán)境的好壞直接影響課堂教學(xué)質(zhì)量,因此相關(guān)問題一直是國內(nèi)外建筑聲學(xué)領(lǐng)域研究的熱點[1-2].語言清晰度作為評價教室聽聞環(huán)境的重要指標之一,受到混響時間以及早后期聲能比的影響,例如當(dāng)混響時間過高時,早后期聲能比減小,導(dǎo)致語言清晰度降低,教室聽聞環(huán)境惡化[3-4].因此,理想的混響時間是教室獲得良好聲舒適度的重要條件.

Hodgson等[5]研究了獲得良好語言清晰度所需的最佳混響時間,考慮了語言聲源和噪聲源同時存在于教室這一更接近實際的情況,得出當(dāng)信噪比在20 dB以上時,各類體積的教室最佳混響時間在0.1～0.9 s之間的結(jié)論.宋擁民等[6]借助虛擬聲環(huán)境的方法,對不同混響條件的教室語言清晰度進行了分析,結(jié)果表明,在高信噪比條件下,體積不超過200 m3的教室的中頻混響時間控制在0.6 s左右時,室內(nèi)的聽聞環(huán)境最佳.我國相關(guān)標準針對不同類別的教室,給出了不同的空場混響時間建議值,如:普通教室體積小于200 m3時空場混響時間不大于0.8 s,體積大于200 m3時空場混響時間不大于1.0 s[7].

然而,大部分教室的混響時間實際上并未達到建議值.Tang等[8]對香港18所中小學(xué)教室的空場混響時間進行了現(xiàn)場測量,發(fā)現(xiàn)大部分教室的中頻混響時間(500,1 000,2 000 Hz的混響時間的算術(shù)平均值)均大于0.8 s,其中實驗類教室達到了1.5 s.李杰等[9]對某大學(xué)18間新建和已有教室的空場混響時間進行了測量,結(jié)果均在1 s以上,部分教室甚至在2 s以上.針對國內(nèi)學(xué)校教室空場混響時間過長這一普遍現(xiàn)象,探討相應(yīng)的簡易但有效的措施進行控制顯得十分必要.Shield等[10]研究了英國中學(xué)教室聲環(huán)境,發(fā)現(xiàn)吸聲吊頂比地毯對改善混響時間效果更佳.Peng 等[11]詳細討論了天花板附加吸聲吊頂對廣州某小學(xué)教室混響時間的影響,發(fā)現(xiàn)吸聲吊頂可使早期衰變時間和混響時間均下降50%左右,從而提高了語言清晰度.

上述圍繞教室混響時間改善措施的研究都集中于研究吸聲吊頂、地毯等附加吸聲材料的措施效果,均需要在教室中進行額外的聲學(xué)裝修.若能通過更換教室中已有的典型內(nèi)飾(如窗簾、桌椅等)對空場混響時間加以有效的控制,則將大大降低建設(shè)成本與實現(xiàn)難度.本文將研究典型大學(xué)教室中簡易布窗簾(一般指布置方式簡單的布藝窗簾,如主要面料為棉類或者聚酯纖維的窗簾,如無特殊說明,下文所稱窗簾均指簡易布窗簾)和課桌對教室空場混響時間的影響規(guī)律,并討論可能的機理,以期為控制教室混響時間提供一種簡易且有效的方法.

1　實驗測量分析

1.1實驗布置

測量對象為某大學(xué)的典型教室,其平面圖如圖1所示,教室尺寸為16.8 m×10.2 m×3.78 m,內(nèi)表面積約546.8 m2,體積約為647.7 m3.教室內(nèi)墻面和天花板均為普通抹灰,墻面已安裝平開玻璃窗,地板為光滑釉質(zhì)瓷磚滿鋪,此外還有6幅窗簾和70張課桌.教室內(nèi)分3類吸聲單元:① 墻面(包括玻璃窗和門,見圖1中C1～C9和M1,M2,在測量過程中均為關(guān)閉狀態(tài))和天花板抹灰;② 窗簾,為普通布藝窗簾,面料為100%聚酯纖維(滌綸),表面較為光滑無條紋;③ 課桌,其主要材質(zhì)為密度板,表面平整并噴涂有白色面漆.為簡化問題,地板按聲學(xué)剛性表面處理,即假定吸聲系數(shù)為0.

圖1　實驗測量的房間平面以及聲源點和測點分布示意圖

實驗測量過程中共設(shè)置了6個測點R1～R6均勻地分布在教室平面,為準確定位測點位置,以教室左下角為坐標原點,以教室寬度方向為y軸,以教室長度方向為x軸構(gòu)建直角坐標系.R1～R6的高度均為1.2 m,在x-y平面的坐標分別為(3.5, 2.5),(3.5, 7.6),(9.3, 2.5),(9.3, 7.6),(13.2, 2.5),(13.2, 7.6) m.S為聲源位置,高度為0.5 m,x-y平面坐標為(15.5, 5.05) m.

采用中斷聲源法[12]測量混響時間.測量設(shè)備照片如圖2所示,揚聲器為丹麥B& K 4224型有源揚聲器,聲源信號為白噪聲,聲壓級為95 dB且測量過程中保持不變,現(xiàn)場本底噪聲水平為43 dB,聲源信號高于噪聲信號52 dB,因此可通過測量RT30來分析混響時間.傳聲器為GRAS-26CA型自由場傳聲器.測量過程中,聲信號的產(chǎn)生和中斷由法國01dB-Symphonie雙通道聲學(xué)測試分析系統(tǒng)控制.傳聲器負責(zé)采集聲信號并反饋回該系統(tǒng),系統(tǒng)同時對2個通道接收的聲信號的聲壓級衰減曲線進行分析,進而計算得到混響時間.

圖2　測量設(shè)備

1.2實驗測量結(jié)果

為了獲得準確的測量結(jié)果,每個測點的混響時間取3次測量結(jié)果的平均值,再取6個測點混響時間的算術(shù)平均值作為教室的有效混響時間.為了研究未安裝窗簾和課桌、僅安裝窗簾、已安裝窗簾和課桌等狀態(tài)下教室的空場混響時間,共定義了如下測量實例(見圖3):① 教室無窗簾和課桌;② 教室有窗簾且呈收起狀態(tài),無課桌;③ 教室有窗簾且呈全展開狀態(tài),無課桌;④ 教室有窗簾且呈收起狀態(tài),有課桌;⑤ 教室有窗簾且呈全展開狀態(tài),有課桌.混響時間的測量結(jié)果如圖4所示,中頻混響時間(即500,1 000,2 000 Hz倍頻帶混響時間的算術(shù)平均值)的測量結(jié)果如表1所示.

(a) 實例①　(b) 實例②

(c) 實例③　(d) 實例④

(e) 實例⑤　(f) 窗簾近景

圖4　實驗測量的教室空場混響時間

實例實例描述中頻混響時間/s①無窗簾,無課桌6.83②有窗簾收起,無課桌3.09③有窗簾展開,無課桌2.03④有窗簾收起,有課桌2.26⑤有窗簾展開,有課桌1.46

從圖4和表1可看到,實例①混響時間最長,中頻混響時間為6.83 s,遠大于建議值,此時室內(nèi)只有吸聲系數(shù)很低的墻面和天花板吸聲,導(dǎo)致混響時間過長.實例⑤混響時間最短,中頻混響時間為1.46 s,雖仍高于建議值,但相比實例①改善了近78.6%,可見窗簾和課桌即使簡易,也對教室空場混響時間產(chǎn)生了明顯的改善效果.

對比實例①～③的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):窗簾收起時能使教室空場混響時間降低54%以上;窗簾完全展開時,可使教室空場混響時間降低70.3%,效果明顯.而對于課桌來說,對比實例②與實例④的結(jié)果發(fā)現(xiàn),在窗簾為收起狀態(tài)時,有課桌可使混響時間降低27%;對比實例③與實例⑤的結(jié)果發(fā)現(xiàn),在窗簾為展開狀態(tài)時,有課桌可使混響時間降低28%,兩組結(jié)果很相近.上述測量結(jié)果顯示,窗簾和課桌對于降低新建教室空場混響時間均有明顯效果,且窗簾的效果更佳.

2　數(shù)值仿真分析

2.1仿真模型

為進一步研究簡易窗簾和課桌對教室空場混響時間的影響規(guī)律和機理,本文將借助數(shù)值仿真模型進行參數(shù)分析與討論.由于該教室的長度與高度的比值約為4.6,已經(jīng)具備扁平化空間的特征,室內(nèi)不滿足擴散聲場條件,傳統(tǒng)的賽賓公式和伊林公式已無法適用于求解該教室的混響時間[13].因此,本文將采用比利時LMS公司開發(fā)的基于虛源法和聲線追蹤法的聲學(xué)商業(yè)軟件Raynoise3.0進行教室聲場的仿真分析,該軟件已被應(yīng)用于建筑聲學(xué)的研究工作[14-15],其算法已被證實具有較好的準確度.采用Raynoise3.0建立的教室?guī)缀文Ｐ腿鐖D5所示,聲源定義為相干聲源,教室的尺寸、課桌和窗簾的布置位置及尺寸均與實際情況保持一致.

圖5　教室仿真分析的幾何模型

2.2參數(shù)校核

參數(shù)校核的目的是通過仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的驗證與對比,推算出未知吸聲單元(如教室墻面、天花板、窗簾、課桌等)的吸聲系數(shù)范圍.校核的方法為分別建立實驗測量實例①～⑤的仿真模型,調(diào)整各個吸聲單元的吸聲系數(shù),直至使混響時間的仿真計算結(jié)果逼近于實驗測量結(jié)果為止.校核步驟為:

① 建立沒有窗簾和課桌的教室仿真模型,對應(yīng)現(xiàn)場測量實例①.此時唯一的吸聲單元便是墻體和天花板抹灰層,保持其他參數(shù)設(shè)置不變,僅變化抹灰層各倍頻程的吸聲系數(shù),直到仿真預(yù)測的混響時間與實驗測量混響時間誤差在10%以內(nèi),此時得到的墻面與天花板抹灰層表面平均各倍頻程的吸聲系數(shù)即作為最終預(yù)測值.

② 建立有窗簾、沒有課桌的教室仿真模型,對應(yīng)現(xiàn)場測量實例②和③.抹灰層的吸聲系數(shù)采用步驟①的最終預(yù)測值,僅變化窗簾各倍頻程的吸聲系數(shù),使仿真預(yù)測的混響時間與實驗測量的混響時間的誤差均在10%以內(nèi),所得到的窗簾各倍頻程的吸聲系數(shù)即為最終預(yù)測值.

③ 建立有窗簾和課桌的教室仿真模型,對應(yīng)現(xiàn)場測量實例④和⑤.抹灰層和窗簾的吸聲系數(shù)采用步驟①和②的最終預(yù)測值,僅變化課桌各倍頻程的吸聲系數(shù),使仿真預(yù)測的混響時間與實驗測量的混響時間的誤差均在10%以內(nèi),所得到的課桌各倍頻程的吸聲系數(shù)即為最終預(yù)測值.

各個實例的仿真分析過程中,模擬聲線的數(shù)量均設(shè)置為2.0×104條,反射次數(shù)設(shè)置為200次,以保證混響時間的計算結(jié)果收斂.經(jīng)過上述步驟后,校核后的教室3類吸聲單元各倍頻程(125～4 000 Hz)吸聲系數(shù)的最終預(yù)測值如表2所示.

表2　仿真預(yù)測的3類吸聲單元的倍頻程吸聲系數(shù)

利用最終校核完成的仿真模型分析得到的5個實例的教室中頻混響時間與實際測量的中頻混響時間的對比如表3所示.從表中可以得到:除實例②外,其他實例實驗測量的中頻混響時間和仿真模型預(yù)測值的吻合度均較好;實例③的相對誤差最小,僅為0.98%;實例②的相對誤差最大,達到8.41%.實例②和實例③的區(qū)別在于窗簾是否展開,當(dāng)窗簾收起時預(yù)測結(jié)果誤差增大,說明窗簾在展開和收起時其吸聲系數(shù)存在一定的變化,即當(dāng)窗簾收起時由于褶皺增加以及厚度增加,其吸聲系數(shù)也隨之變大,然而仿真模型中并未考慮此變化,導(dǎo)致誤差產(chǎn)生.

表3　教室中頻混響時間的實驗測量與仿真預(yù)測結(jié)果對比

3　結(jié)果討論

本節(jié)將在已校核的仿真模型的基礎(chǔ)上進一步分析窗簾和課桌的相關(guān)參數(shù)對教室混響時間的影響.2.2節(jié)已經(jīng)說明窗簾的吸聲系數(shù)受展開面積的影響,具有一定的不確定性.限于篇幅,本文暫不討論窗簾吸聲系數(shù)的這種不確定性變化,而僅討論其展開面積變化對教室混響時間的影響.關(guān)于課桌則將討論降噪系數(shù)(NRC,即250,500,1 000和2 000 Hz倍頻程吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值)以及排列方式的變化對教室混響時間的影響.

3.1窗簾的展開面積對混響時間的影響

根據(jù)實驗測量時獲取的數(shù)據(jù)可知,該教室共有6幅窗簾,高度均為3 m,當(dāng)窗簾均收起時總計展開面積10.7 m2,當(dāng)窗簾全展開時總計展開面積48.6 m2.另外再增加窗簾展開面積分別為0,25和35 m2時的3種情況,討論窗簾展開面積的變化對教室中頻混響時間的影響.窗簾增加的總面積平均分配到6幅窗簾,仿真模型的參數(shù)設(shè)置保持不變,預(yù)測結(jié)果如圖6所示.

圖6　不同窗簾展開面積時教室中頻混響時間預(yù)測值

從圖6可看到,窗簾展開面積分別為0(無窗簾),10.7(窗簾收起),25,35和48.6 m2(窗簾全展開)時,對應(yīng)的教室中頻混響時間分別為6.67,3.35,2.49,2.27, 2.05 s.窗簾存在與否對教室的中頻混響時間的影響非常明顯,例如當(dāng)窗簾的展開面積為10.7 m2時,教室中頻混響時間相對無窗簾的情況衰減了約50%.當(dāng)窗簾存在時,其展開面積的逐漸變化對教室混響時間的影響則相對較小,且從圖中曲線的變化趨勢可以看到,當(dāng)窗簾的展開面積較大時,再進一步增加面積所帶來的混響時間衰減的效果越來越小.這是因為窗簾主要是通過其較高的吸聲性能來改變教室混響,增加窗簾面積可使該吸聲性能得到加強,但是窗簾的面積越大,吸聲性能的強化越不明顯.圖6還表明,窗簾展開對教室空場混響時間的影響作用不可小視,當(dāng)教室在具體使用中存在混響較大的情況時,盡可能拉開窗簾是一種簡易且有效的方法.

3.2課桌NRC對混響時間的影響

由于常見簡易課桌表面比較光滑,其吸聲系數(shù)并不是很高,NRC為0.085,具有很大的提升空間.因此在此嘗試討論課桌NRC變化對教室混響時間的影響,考慮到實際常用座椅情況,課桌NRC上限設(shè)置為0.4,此外還設(shè)置了NRC分別為0,0.2和0.3(各倍頻程頻率的吸聲系數(shù)等比例增加)的3種情況.仿真模型基于實例⑤,即教室存在課桌和呈全展開狀態(tài)的窗簾,其他參數(shù)設(shè)置保持不變,所得到的教室中頻混響時間的預(yù)測值如圖7所示.

從圖7可看到,課桌NRC分別為0,0.085,0.2,0.3和0.4時,對應(yīng)的教室中頻混響時間分別為1.83,1.55,1.30,1.17, 1.08 s.隨著課桌NRC的增加,教室的中頻混響時間有不斷減小的趨勢,同時課桌NRC越高,繼續(xù)提高NRC對衰減教室混響時間的效果越來越差,這是因為課桌NRC的線性增加對整個教室內(nèi)表面的等效平均吸聲系數(shù)的貢獻越來越低.當(dāng)課桌存在且吸聲系數(shù)為0時(此時課桌表面可視為聲學(xué)剛性界面),教室的中頻混響時間為1.83 s,對比實例③無課桌有窗簾全展開時的2.05 s,降低了0.22 s.結(jié)果表明,課桌降低教室混響時間的機理可能是由于以下2個方面:一是其表面的吸聲,二是成片的課桌幾何結(jié)構(gòu)較明顯地改變了教室的實際空間(成片桌面隔開了課桌上下的幾何空間),一定程度上使教室有效的混響體積減小,進而使混響時間減小.這些推斷還有待進一步研究驗證.

圖7　不同課桌NRC時教室中頻混響時間預(yù)測值

3.3課桌排列方式對混響時間的影響

教室實際使用中,課桌的排列方式有可能變化,這對教室的空場混響時間可能造成影響.本節(jié)針對4種可能的課桌排列方式(見圖8),對教室的空場混響時間分別進行了仿真分析.排列方式1為實驗測量教室當(dāng)前的課桌排列方式,4個座位一組共2列;排列方式2為2個座位一組共4列;排列方式3為8個座位一組共2列,且前后兩個座位對向擺放;排列方式4為U型環(huán)繞式排列.所有排列方式中,課桌總數(shù)量保持不變,課桌表面NRC均為0.085,窗簾存在且均為全展開狀態(tài).仿真分析結(jié)果如圖9所示,可以看到4種課桌排列方式對應(yīng)的教室中頻混響時間分別為1.55,1.61,1.57,1.51 s,相互之間的差值不超過0.1 s.該結(jié)果表明,在課桌數(shù)量與種類不變的情況下,課桌排列方式變化對教室中頻混響時間的影響較小.

(a) 排列方式1　(b) 排列方式2

(c) 排列方式3　(d) 排列方式4

圖9　4種課桌排列方式下的教室中頻混響時間

4　結(jié)論

1) 國內(nèi)大學(xué)教室中常見的簡易布窗簾通過其較高的吸聲性能,可使教室的空場混響時間降低54%以上.

2) 簡易課桌通過其表面的吸聲性能以及通過成片的幾何結(jié)構(gòu)來改變教室的有效混響體積,可使空場混響時間降低27%.

3) 課桌排列形式變化對教室的空場混響時間影響較小.

4) 在新建教室內(nèi)裝中,選擇合適的窗簾與課桌,能明顯改善教室混響時間至接近甚至滿足國家標準建議值,是一種簡便且高效的教室音質(zhì)控制措施.該研究可對實際教室音質(zhì)改善提供參考.

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Influences of simple fabric curtains and desks on reverberation time in an unoccupied classroom

Guo Wencheng1,2Huang Gongjun3Min Hequn1,2

(1School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Key Laboratory of Urban and Architectural Heritage Conservation of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)(3School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Influences of simple fabric curtains and desks on the reverberation time (RT) in an unoccupied university classroom were investigated experimentally and numerically. First, in-situ RT measurements were carried out by the interrupted noise method in a newly-built unoccupied classroom with a size of 16.8 m×10.2 m×3.78 m. Several conditions were considered: without curtains and desks, with curtains only, or with curtains and desks both. Secondly, acoustical simulation models of the classroom under the above conditions were built by Raynoise. Extensive comparisons were carried out between the simulated and measured results to obtain the absorption coefficients of the interior surface of the classroom, curtains and desks. The results show that, simple fabric curtain mainly depends on its high absorption, while the desk depends on its absorption and geometry structures to change the reverberation of the classroom, and the curtains and desks can reduce the reverberation time of the unoccupied classroom at least 54% and 27%, respectively.

classroom; sound absorption; reverberation time; noise control; acoustical comfort

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.009

2016-01-24.作者簡介: 郭文成(1990—)，男，碩士生；閔鶴群(聯(lián)系人)，男，博士，副教授，hqmin@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51408113)、江蘇省科技計劃青年基金資助項目(BK20140623).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.009.

TU112

A

1001-0505(2016)04-0727-06

引用本文: 郭文成，黃功俊，閔鶴群.簡易布窗簾及課桌對教室空場混響時間的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(4):727-732.