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1. 引言! q( c, P# w0 D0 k
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教室声学问题在当今世界已经逐渐成为一个非常重要的研究对象。目前，很多国内外的研究者都对这一问题做出了各个方面的探讨，比方说，英属哥伦比亚大学的Murray Hodgson，Rod Rempel 和 Susan Kennedy在其大学的11间教室对教室背景噪声等做出声压级的测量与研究、土耳其伊斯坦布尔的S.Kurra等人以及巴西的Marco Losso等人对教室声学环境的研究与探讨、Bridget Shield和Julie E.Dockrell对伦敦的16所学校的教室室内噪声状况进行了调查。文中对八间阶梯教室内教师授课内容进行录音，通过对录音信号进行分析，获得与二至三个正态分布曲线相吻合的声压级频数分布，从而得到所测教室内主要噪声在不同位置的声压级。" g4 ~6 g: o- v- G/ K, ?1 }
. t6 @4 u9 V+ G- E+ b' |2. 测试方法
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0 _, Q5 b }; K4 _( _- s本次研究的测试方法简要的可以用图一表示：
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噪声声压级* K( W4 {6 W; r7 e0 u! A9 m! D
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9 m) r" D0 D) A' M- f: d4 \教师语音声压级
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. N: V, _8 o( ^! g4 w- k, z& \通风设备噪声声压级: M/ f: y6 s, x4 h
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背景噪声声压级0 y1 R" N& v% f' [( c7 P
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$ F' o" n6 M3 v4 I. @( d$ R1 P; t/ t! N( a
首先，从已选择好的教室中选取一间，将录音设备依次摆放到规定的位置上，连接好相关的所有录音采集仪器，然后在课程开始后开始对教室的声音进行录音。而且在采集声音的同时，注意记录外界突然产生的噪声时间，待课程结束时，录音结束，声音采集阶段完成。# H% O% X# M+ Q2 H2 k5 `; F
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其次，将所采集的音频文件通过Matlab软件的计算与分析后，画出声压级分布曲线，然后谐波分析得到拟合的正态高斯分布曲线，并记录每条曲线所对应的噪声类型和声压级大小。
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7 w# |. a$ R! _6 R最后，通过得到的数据定性分析出声压级与教室容积、通风条件、课室人数、声源—记录点的距离等主客观因素的关系，并加以探讨。 8 `6 I# E1 _! T" q
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2.1教室的尺寸大小
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3 C5 p" E" g, w% K. `# }5 _图2 阶梯教室：前高3.6m，后高2.8米
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2.2教室录音3 F: G G- N0 X$ u. _* `" T3 @. s9 y
& G8 D# }; n5 B1 J在8间教室的三、四个位置，总共16堂课被记录下来。这些课室均是大教室，经过任课老师的同意，采用自然声授课的方式。图2所示教室内共有182个座位，到课学生人数102人，老师授课声音是主要声源，同时伴有通风噪声、学生讨论噪声以及外部环境噪声（例如汽车过往，飞机飞过等）。每个测量点资料采集时间为15—20分钟。
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3 {6 h6 | u+ }图3:录音波形
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( [# k: r2 z4 W6 e3. 分析步骤5 u9 G- S5 L. A# @" j- Q. n: V) T. W
2 E/ R! h$ I, x& L( M7 r- f8 z7 L) c当大部分的实验工作完成以后，分析步骤就被确定下来了。在分析之前要除去包含教室外较大噪声影响的录音，例如经过的交通工具或者是非典型的教室噪声，又或者是铃声响起来了都要排除在外。典型的教室噪声，例如咳嗽和椅子的移动都不用排除在外。在不同教室不同位置的录音处理后被数字化和A计权数字滤波器过滤。软件处理结果的压力随时间变化曲线图如下：' e& e# Y# j# ~- ?$ T
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+ O! @0 I. E% D4 N7 a, g+ a图4 m( d% ~4 e# C/ ~/ Y. \0 I4 q
3 F% ]4 B M+ t# e6 G- l（a）为方波信号；（b）声压级的频率分布曲线
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! o: ]' t4 m( m（1）信号是成方形的；
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* i6 t$ W% h+ E/ u7 D3 `- l& [（2）短期的均方值被计算出来。200毫秒的时间间隔相当于10个50Hz的低频循环。选择最小时间间隔的1.5倍作为收敛的要求。
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（3）计算出时间间隔和声压强度* ^: w; X% _0 n0 N
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（4）制定和描绘出声音压强的频数分布（在统计学中，指出声音强度起作用的时间比例而不是听觉）. w% h' h+ \- S ~
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（5）在一个可以分辨出独特声音的声元件里，这个结果分布和1，2，3条或者更多条的正态分布曲线相一致。最大强度值，标准偏差和每一个曲线部分都被记录下来。最大强度值是用来指出典型的长期声压水平。测试采用其他不一致的方法，特别的，采用泊松分布曲线。当只有一条曲线拟合的时候，泊松分布曲线比正态分布曲线获得更好的结果，但是当有2条或者更多曲线拟合的时候，就会有一些结果错误。这个也如所希望的那样；全面的多种不同分布的测量将会是有相当高的不对称（如图四所示）。但是教室的各个不同部分的分布声音通常会很对称（如图三所示）。声压强度的状态曲线分布取对数是和所希望的正态分布曲线取对数相一致的。6 L! f0 s0 F. N& ?, Y
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4. 结果与分析5 _7 A4 r( B6 l6 ^1 f: S6 b
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4 u/ X+ W% Q! r( [图5：A计权噪声声压级曲线
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*极值对应声压级：54.969、45.7973、60.7711（dBA）
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图5展示的是在33403教室某一个测量点的声压级分布曲线。这个结果是很典型的。这里有3个峰值，一个是在较低的45dB左右的窄的声压级峰值、一个在较高的55dB左右的较宽的声压级峰值和一个在60dB左右的较窄的声压级峰值。峰值较低的声压级（45dB左右的）相对应于通风设备噪声，由于测量时并没有开启风扇空调等，此噪声主要是空气流动所致，因此相对频率较低；峰值最低的声压级（60dB左右的）相对应于学生交流噪声；峰值最高的声压级（55dB左右的）相对应于老师讲课声频，老师声音是主要声源，在测量过程中基本未曾间断，因此相对频率最高。( S5 c7 r: K. ~5 b6 }" Y' Z
M* n/ t6 D& r! z4 \1 X这三条正态分布曲线对应在接受者的位置获得的教室声音的三种成分-教师讲话，通风设备噪声和学生活动噪声。在声压级分布曲线下的面积表示在讲课中相对应的各种声音成分的能量。因此所占据面积最大的曲线通常是老师授课的噪声，测量结果显示此声压级大致在40—70dB范围。& e: H# \* m& W: B2 V2 ^$ {3 @
) D) A) v% _( n& o( F' _$ p q6 M由于测试时室内环境比较封闭，且测量时间为凉爽季节，通风条件所造成的噪声相对而言是最低的，测量结果显示此声压级大致在40—60dB。
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另外一个声源则是由学生活动造成。由于录音设备靠近学生，不可避免收到周围学生交流讨论的影响，课堂活跃程度不同会致使此声压级变动范围很大，在60—90dB左右。0 P( f" f& Z. F, ?
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假如在每一个教室的每一堂课每一个位置，当程序识别出三种声音成分所对应的三个不同的声压级和最大高度，那么结果就分析出来了。注意到和学生活动相关的中间波峰的声压级并不认为相当于学生的活动噪声声压级。它是相当于通风设备噪声和学生活动声压级的总和，即是所有背景噪声的声压级假如这些噪声同时发生的话。学生活动声压级是由最低和中间的声压级想减获得的。类似的，教师讲话时由最高和中间的声压级想减获得的。同样，通过求教师讲话声压级和总的背景噪声声压级的比值也可以求出信噪比。结果也会因为男女教师讲课和教室前后不同位置得到不同的结果。2 M, \2 V* T! h
8 m0 v$ m' x* k' G4.1. 背景噪声6 U j; s& r: k+ T+ [; D7 S/ [6 i3 w
4 Y. h5 Y9 q9 p& a1 t' J4 k$ b( m
通风设备噪声声压级变化范围为44.6—70.8dBA，平均值是50.75dBA。学生活动噪声声压级变化范围是49.0—79.1dBA，平均值是67.6dBA。总的背景噪声变化范围为53.5—79.1dBA，平均值是54.4dBA。这些数据和文献里所报告的是基本一致的。7 c U; R3 r7 O, R3 ^# L
+ Y9 y7 g) Q2 d* E4.2. 教师讲课声压级. J. C5 s7 O5 u) t
6 Z; X7 S) \( @' U ^" e7 |教师讲课声压级变化范围为48.7—70.8dBA，平均值是60.7dBA。这个声压级也是在文献里所报告的范围内。在平均值方面，它们是比文献里教师讲课的声压级高了4-5dBA。
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4.3 倍频带分析结果
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图6（a）-（h）为在教室的一个位置得到的63—8000Hz的倍频带声压级频率分布曲线。
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; Q- _' C+ z5 c2 d" b+ Y& w. Pa)63Hz b)125Hz
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c)250Hz d) 500Hz+ r' J6 ^4 Y P) o1 b) ~! N
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e)1kHz f)2kHz( r: Y- a- D8 m% o
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2 O: B* E* L2 k$ J, s9 J) f. x- {9 N! I& h$ H
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图6：倍频带声压级频率分布（dB） |
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发表于 2006-3-5 23:33:00
