教学扩声的理论与实践探索1*
崔亚强 甘启宏
（四川大学 现代教育技术中心，四川成都 610065）
摘要：教学扩声是课堂教学的重要组成部分，但传统的手持有线麦克风和佩戴无线麦克风等扩声方式已不能满足当前的教学需求。基于此，文章首先从教学扩声系统的发展历程入手，对教学扩声中的声音响度和声像一致性进行分析研究，指出了手持有线麦克风和佩戴无线麦克风等传统扩声方式存在的问题。接着，文章结合应用实践详细阐述了吊麦扩声的优势，从反馈抑制算法和回声消除算法两个方面对吊麦扩声的关键技术难点进行分析，从教学实际应用的角度对吊麦扩声做了趋势展望，以期为学校后续教学扩声的研究、建设与应用提供参考。
关键词：教学扩声；声音响度；声像一致性；反馈抑制；吊麦扩声
教学是学校工作的中心，教室是学校教学的主要场所，教室环境及设备设施对教学过程的顺利开展作用重大，尤其是教室内声音的处理效果对于师生之间的语言交流有非常重要的影响。现代教学绝不仅仅是教师单向传输，还需要师生之间、生生之间的互动交流。因此，教室内声音的处理与大型会场和厅堂的声音处理要求有着明显差异：教室内声音的处理不仅要求让教师“讲好”、学生“听好”，还要求让学生“讲好”、教师“听好”。
细磨效果评价指标一般包括新生合格粒级含量、细磨效率等，细磨效率一般采用能耗来评价，可用处理单位矿石所消耗的电能表示。通过试验得到介质直径、磨机转速与新生粒级含量、细磨效果的关系如图 2～4 所示［8］。
手持麦克风和佩戴麦克风等传统扩声方式在听音效果、管理维护、便捷使用等方面存在一定的局限性,不能完全满足现代教学的需要。为了给课堂教学提供一个良好的扩声环境，也为了更有效地减轻教师的授课负担，本研究认为把麦克风吊起来进行大面积拾音扩声（下文简称“吊麦扩声”）是现代教学扩声系统的发展趋势，能有效满足现代教学对教室声音处理的需求。基于此，本研究围绕吊麦扩声系统在现代教学中的应用，从声音响度、声像一致性和反馈抑制算法等方面对教学扩声进行了研究。
一 教学扩声系统的发展历程
学界普遍认为，教学扩声系统的发展主要经历了四个阶段[1]：
（1）手持动圈话筒和V段无线话筒
传统的手持动圈话筒是使用较多的教学扩声方式，但由于音频线长度的制约，不便于教师随意走动、使用肢体语言、进行板书等。而使用V段无线话筒虽然可以随意走动，但其存在使用手续繁琐、电池消耗大、频点少等弊端，制约了V段无线话筒的推广使用。
近年来,小儿肺炎发病率居高不下,严重影响患儿身体健康。临床发现,小儿肺炎发病的主要原因为病原体通常从呼吸道侵入,引发肺泡、小支气管以及肺间质炎症,造成小支气管管腔变得狭窄甚至阻塞,导致通气障碍;而炎症会造成呼吸膜厚度增加,造成很多炎症渗出物存于肺泡腔内,导致换气障碍。通气与换气障碍会导致机体缺氧与二氧化碳潴留,从而引发一系列病理与生理性改变,严重者甚至会出现呼吸衰竭症状,威胁患儿生命安全[2]。因此,寻找一种安全有效的治疗方案具有重要的临床意义。
（2）界面式话筒和U段无线话筒
教学扩声系统发展的第二个阶段，是出现了界面式话筒和U段无线话筒，可适当缓解话筒线长度的限制，扩大了老师的活动范围，但啸叫问题未能得到有效解决。
（3）移频功放
在明初文人曲学系统中，以朱权《太和正音谱》、贾仲明《续录鬼簿》为代表，都对元曲的艺术成就和雅文化属性进行了总结和定性，呈现出鲜明的推尊元曲为曲学标杆的倾向。
为缓解啸叫问题，移频功放应运而生。移频功放是通过改变输入音频信号的频率来不断回避啸叫点，从而回避产生啸叫的条件，但其音质效果不好，会出现声音失真的问题。
1.2.1 对照组给予常规护理:入组后,按照一般护理模式开展护理工作,协助患者完成信息登记和录入;带领患者熟悉院部环境,为其生活和就诊提供方便;详细了解患者病情,为患者讲解疾病基础知识,加深其对疾病的认识;强调宫颈癌早期筛查的必要性;安抚患者低沉情绪,缓解其负性心理,以免其精神负担过重而引发一系列身心不良反应。
随着教学扩声技术的发展，红外无线话筒、2.4G无线扩声和蓝牙技术逐渐在扩声系统中得到应用，主要为手持式和佩戴式，需更换电池或充电，管理和使用有一定负担，并且不能充分满足互动教学的扩音需求。
二 声音响度分析
提供最大可懂度时的最佳语言声压级为65～75dB（即相距1米时两人正常谈话的声压值）。教学扩声最科学合理的声音声压级也应在65～75dB，最大不应超过80dB——长期处在超过80dB的环境中，会对师生造成生理、心理上的影响，如心情烦躁、焦虑不安、无精打采、注意力难以集中等，严重影响教学质量[2][3]。人说话可以近似为点声源，点声源声强与距离的关系应遵循物理学的平方反比定律，用声压级表示，即距离增加1倍，声压级减少6dB。
手持麦克风和佩戴麦克风等传统的扩声方式，为了不引起啸叫，麦克风的灵敏度会很低，因此，需要麦克风距离讲话者的嘴巴很近才能有效扩声。根据距离平方反比定律，离麦克风很近讲话，距离变化对声音响度的变化影响更大，如距离麦克风4cm与1cm，声压级相差大约12dB。因此，教师讲课如果把握不好麦克风与嘴巴的距离，声音会忽大忽小，而教师上课会写板书或做一些手势等肢体语言，很难保证麦克风与嘴巴的距离一直处在一个合理的范围；在实际应用中，为了适应不同老师讲话时嘴巴离麦克风距离的习惯不同，扩声音量的设置也普遍偏大，导致大多数情况下声压级已经超过了80dB，部分教师上课时声压级甚至超过100dB。台湾阳明大学认知神经心理学教授洪兰指出，听觉神经细胞持续接受89分贝，2小时就会坏死；并且每增加3分贝，坏死速度就增加1倍[3]。由于长期使用，很多人甚至部分业内人士都认可大声压级出现在教学扩声中，这也导致一部分教师习惯了在大声压级的情况下讲课，在无意识中已经影响到教学质量和师生的听力健康。
三 声像一致性分析
教学扩声的声像一致性是指在听教师讲课的过程中，如果学生能感觉声音是从教师方向发出来的，那么就说明教室扩声的声像是一致的；如果学生感觉声音不是从教师方向发出来，而是从音箱发出来的，那么就表明教室扩声的声像不一致。
（1）声音响度控制
文章通过设计悬垂控制器结构、摄影测量及较为有效的图像背景差分法进行图像处理，能够满足系统的实时性，将电缆位置信息转换为模拟电信号，下一步将进行算法优化，提高信号转换精度.
（4）红外无线话筒、2.4G无线扩声和蓝牙技术在扩声系统中的应用
吊麦扩声属于远距离拾音和扩声，能有效解决传统扩声中拾音距离突变导致扩声响度突变的问题。根据距离平方反比定律，如教师离麦克风3m和6m讲话，声压级变化大约6dB，而教师讲课随意走动3m到6m的距离是一个缓慢变化的过程，在这个过程中声压级变化不会很明显，至少不会出现明显的声音突变，并且声压级更容易控制在最佳语言声压级为65～75dB的范围内。但传统的手持麦克风和佩戴无线麦克风讲课，教师嘴巴距离麦克风从1cm变化到2cm会在瞬间完成，并可能随时出现，因此传统扩声设备更容易使声音出现忽高忽低的现象。
辜鸿铭先生在评价民国时的英语教育时曾说过“今人读英文十年，开目仅能阅报，伸纸仅能修函，皆由幼年读一猫一狗式之教科书，是以终其身只有小成。”笔者在大学从事公共英语教学已有21年时间，回顾这21年的教学历程，笔者不得不感叹：在辜先生眼中的“小成”俨然是当今大部分大学生难以达到的“巅峰”。别说是“阅报”“修函”，仅一篇英文自我介绍就让许多人挠头不已。英语学习经历是相当一部分国人学习生涯之“痛”。
8月20日中国尿素出口价格指数（CNEI）为1863.96点，环比上涨10.17点，涨幅为0.55%；比基期上涨4.96点，涨幅为0.27%。
②延时30～50ms，能感觉两个声源的存在，声音方向仍由超前一个声源决定；
当两声源延时<3ms，声像由“德·波埃效应”决定。德·波埃效应也是双声源的一种效应，其内容是：当中轴左右对称的两个声源之间的音量差和时间差为零时，声像位于中轴线；当时间差为零、音量差逐渐增大时，感觉声像在朝音量大的方向移动；当音量差大于15dB时，声像与较响的声源完全重合；当音量差为零、时间差改变时，则感觉声像在朝先到达的声源方向移动；当时间差大于3ms时，声像与先到达的声源完全重合。
图1 哈斯曲线
图2 陷波抑制滤波器
图3 移频抑制法示意图
③延时50ms以上，感觉两个声源同时存在，方向由各自的声源决定，滞后声为回声。
为了保证教学扩声的声像一致性，需要利用“哈斯效应”来设计教学扩声系统，系统设计的主要指标需满足以下两点：
①在教室任何位置，保证教师讲话原声的直达声要先于音箱的直达声3～50ms到达。声音在空气中的传播速度约340m/s，声音在线路中的传输速度为光速，为了保证教师讲话原声的直达声要先于音箱的直达声到达距音箱最近的位置，声音被麦克风采集后需做适当的延迟处理。
②在教室任何位置，要保证教师讲话原声直达声的声压级和音箱直达声的声压级满足哈斯曲线。教师讲话原声直达声的声压低，需要扩音，距离后面的听众远，教师讲话原声的直达声与音箱的直达声有时延，要满足哈斯曲线，需根据教室的实际尺寸，对音箱的数量、安装位置和安装高度做出合理规划。
目前，大多数教室扩声系统的设计都没有考虑声像一致性，手持麦克风和佩戴麦克风等传统的扩声方式不仅扩声声压级大多超过了最佳语言声压级，而且也很难满足哈斯曲线，故造成了教室扩声的声像严重不一致。由于长期处在声像不一致的教室扩声环境，很多人甚至部分业内人士认为好的扩声系统需要一走进教室就明显感觉声音是从音箱发出来的，但实际上应该感觉声音是从教师方向发出来的。在声像不一致的教室，学生很难集中注意力听课；并且，在长时间声像不一致的教室授课、听课，会极大地影响教学质量。
四 吊麦扩声的优势
1 解决传统设备对教师的束缚
教师不用手持或佩戴任何设备，授课空间不受局限，可任意板书，授课轻松自由。教师还能够随意与学生进行互动，学生回答问题也可轻松地被师生听清楚。
2 扩声设备日常维护简单
吊麦扩声系统采用有线连接方式，只需一键开启电源即可使用，无需频繁充电或更换电池；使用时无需对频连接，故障率大大降低，极大地简化了管理部门的管理、维护等工作。
3 能有效保证听音效果
当两个声源的发声时间点之差＞3ms，声像一致性由“哈斯效应”决定。哈斯曲线[4]如图1所示，其横坐标表示超前一个声源与延迟声源之间的时间延迟，纵坐标则表示迟声源声压级高于超前一个声源声压级之差。在满足哈斯曲线的声压级差的前提下，就会出现“哈斯效应”，具体描述如下：
①延时3～30ms，感觉声音从超前一个声源发出，感觉不到另一个声源的存在；
有人感慨：如果说下水道代表着一座城市的良心，那么报刊亭就是城市文化的“唱诗班”。传承城市文脉，报刊亭的作用不容小觑。城市不能没有报刊亭，城市需要更加美好的报刊亭。
（2）声像一致性
小学语文教学过程中教师要认真做好教材设计工作，从教学情境出发，充分考虑到小学生阅读特点和认知规律，做好教学内容设计，以图片、视频、音乐多种形式来吸引学生阅读兴趣，提升课堂教学的参与度。
国家标准GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中对声场不均匀度的要求1000Hz声场不均匀度≤6dB，4000Hz声场不均匀度≤8dB。为了有效保证教学扩声的声场均匀度和声像一致性，结合“哈斯效应”和吊麦扩声在实际教学环境中的实践应用，本研究对吊麦扩声系统的设计做如下总结：①为了有效保证音箱的直达声晚于教师讲话的直达声到达听课学生，扩声系统音频处理器的延迟需控制在8～10ms的范围内；②音箱离地高度尽量控制在2.5m以上；③要根据教室实际形态，经过详细计算确定音箱数量和安装位置，同时对扩声音量进行合理设置，以保证离教师最近、离音箱最远的第一排学生听到的教师讲话直达声和音箱直达声时差＜50ms，基本实现声像一致，保证后排学生感觉到声音来自于前方教师，并避免教师讲课声与音箱声的两重叠加产生回声。
五 吊麦扩声的技术分析
1 常用反馈抑制算法
吊装麦克风运用于课堂扩声最大的技术难点在于：高灵敏度吊装麦克风既会拾取老师讲课的声音，也会拾取音箱发出的声音，而麦克风拾取音箱发出的声音后会因自激而产生啸叫。抑制啸叫的专用术语是反馈抑制，而最常用的反馈抑制算法包括陷波抑制法和移频抑制法。
（1）陷波抑制法
根据Q系统支护图给出的支护建议如上所述，在具体拟定支护参数过程中参考了初步设计、同时咨询在审核阶段出于保守设计的考虑又在此基础上增强了加固措施，最终引水隧道支护参数如表10所示。
陷波抑制法是指在系统检测到啸叫发生时，采用陷波器组对局部频带或频率点进行增益控制，从而达到啸叫抑制的效果。陷波抑制法因其兼顾运算效率和处理效果的特点，而在当前商用扩声系统中的普及率非常高[5][6][7]。陷波抑制法使用的陷波抑制滤波器如图2所示。
（2）移频抑制法
移频抑制法是指将声音信号的频率整体增加一定数量（单位Hz），破坏产生声反馈的条件，从而抑制声反馈。移频3Hz以内，人耳感觉不到失真，但传声增益很少；移频超过3Hz，人耳能感觉到失真，且移频越多，传声增益越大，但失真也越大[8][9][10]。图3为移频抑制法示意图。
上述两种反馈抑制算法的优点在于算法简单、易于实现，缺点是失真大、传声增益不高。如果将这两种反馈抑制算法应用到吊麦扩声系统，其致命的缺点是音箱的反馈声音会被高灵敏度麦克风拾取，即使能抑制住啸叫，但反馈的声音会再从本地音箱放出来，从而引起回声、尾音、多重声音和混响。
2 回声消除法
由上述分析可知，传统的陷波抑制法和移频抑制法已经不能满足吊麦扩声的需要，吊麦扩声的技术瓶颈主要在于音箱的回授声音，即音箱回授到麦克风的声音再从本地音箱放出来而引起的回声、尾音、多重声音和混响。因此，必须采用新的算法，把麦克风拾取到的音箱回授声音去掉——这种新的算法，就是回声消除法。
由于音箱回授声和现场人说话的声音本身就是同样的声音，要想去掉这个回授声，传统的自适应信号处理已不适用。尽管现在已有优化和改进的反馈抑制算法，能够在一定程度上缓解这一问题，但还不能彻底解决这一问题。因此，回声消除法被视为是一个世界性难题，是国内外音频研究者要攻克的技术难点。
基于上述分析，本研究认为检验是否去掉了音箱回授到麦克风的声音可采用如下方法：
①电脑的耳机输出口连接音频处理器输入，电脑播放测试音乐信号用以模仿回授信号源；
②在吊麦为中心的直径6～8m范围内，按照授课时的音量说话；
“滚球法”是国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法之一。GB 50057—2010[1]把“滚球法”强制作为计算避雷保护范围的方法。“滚球法”基于雷闪电气几何数学模型，设计原理是以击距为半径R的1个球体，沿需要防直击雷的建构筑物部位各个方向滚动，当球体只触及接闪器,包括被用作接闪器的金属物,或只触及接闪器和地面，包括与大地接触并能承受雷击的金属物，这时球体的弧与建筑物之间不触及的范围，便是接闪器的防雷范围。“滚球法”计算接闪器防雷保护范围原理如图2所示，确定接闪器保护范围的要求见表1所列。
③通过电脑播放音乐，保证教室各测试点的声音强度约为75dB，此时，可以听到从扩音音箱发出的是语音和音乐的混合声音；
就如在“克与千克”一课知识教学中，小学生需建立1千克=1000克的重量概念，根据题意与重量单位转换率灵活应用重量单位知识。但是，小学生本身对物体重量的感触不深，对重量单位的敏感度不强，很容易在解答问题时忽视重量单位的异同。于是，笔者便提出了这样一个数学问题：“请问一本数学书的重量是（ ）克或（ ）千克”，鼓励小学生通过用手掂、用称量等活动回答问题。在解答问题的过程中，小学生可以通过自己的估计与重量测量得出相应的数学结论，而这也能帮助学生建立重量观念，意识到重量单位的差异性与关联性。
④用录音软件在电脑中录下音频处理器经过回声和噪声消除处理后的声音；
⑤播放电脑录下来的声音，录音中只包含本地说话的声音而不包含音乐声音，当语音清淅，无噪声、无卡音、丢字、声音漂移和失真现象时，就说明明使用回声消除算法的音频处理器去掉了音箱回授到麦克风的声音。
六 总结
由于课堂教学扩声的特殊性，吊麦扩声在声音响度、声像一致性、管理维护、便捷使用等方面具有传统手持有线麦克风或佩戴无线麦克风扩声方式所不可比拟的优势。而经过近几年来吊麦扩声系统在学校教学中的推广应用，任课教师也纷纷给予了充分肯定。随着课堂互动教学的普及、回声消除算法的日臻完善，吊麦扩声必将成为教学扩声技术的主流发展趋势之一。
参考文献
[1]段海涛,冀燕丽,王敬.多媒体教室扩声系统探讨[J].现代教育技术,2013,(3):59-63.
[2]宋拥民.声压级对教室语言清晰度的影响[J].声学技术, 2007,(5):117-118.
[3]杨全南,段少刚,段少洪.“绿色扩声,健康教学”——谈谈当前“班班通”工程中音频系统的设计标准[J].现代教育技术,2010,(9):43-45.
[4]徐世平,梁华.哈斯效应在厅堂扩声中的应用[J].电子技术,1997,(9):2-4.
[5]Leotwassana W, Punchalard R, Silaphan W. Adaptive howling canceller using adaptive IIR notch filter: Simulation and implementation[A]. International Conference on Neural Networks and Signal Processing[C]. Nanjing: IEEE, 2003:848-851.
[6]Wei J Q, Du L M, Chen Z, etc. A new algorithm for howling detection[A]. Proceedings of the 2003 IEEE International Symposium on Circuits and Systems[C]. Thailand: IEEE, 2003:409-411.
[7]Kawamura T, Kanamori T. Howling detection device and method[P]. US Patent: US7912230 B2, 2011-3-22.
[8]Schroeder M R. Improvement of acoustic-feedback stability by frequency shifting[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1964,(9):1718-1724.
[9]Prestigiacomo A J, Maclean D J. A frequency shifter for improving acoustic feedback stability[J]. Journal of the Audio Engineering Society, 1962,(2):110-113.
[10]Burkhard M D. A simplified frequency shifter for improving acoustic feedback stability[J]. Journal of the Audio Engineering Society, 1963,(3):234-237.
Research on the Theory and Practice of Teaching Sound Reinforcement
CUI Ya-qiang GAN Qi-hong
(Modern Educational Technology Center, Sichuan University, Chengdu, Sichuan, China 610065)
Abstract:Teaching sound reinforcement is an import component of classroom teaching, while traditional handheld wired microphone and wearable wireless microphone no longer satisfied teaching requirements. From the development history of teaching sound reinforcement system, this paper firstly analyzed the sound loudness and audio-visual consistency in teaching sound reinforcement and pointed out the problems existing in traditional sound reinforcement technologies of handheld wired microphone and wearable wireless microphone. Secondly, the advantages of hanging microphone were expounded with the application practice, and the key technical difficulties of hanging microphone were analyzed from the aspect of feedback suppression algorithm. Finally, the development trend of hanging microphone was prospected from the view of practical application in teaching. This paper aimed at providing reference for schools’ further research, construction and application of teaching sound reinforcement.
Keywords: teaching sound reinforcement; sound loudness; audio-visual consistency; hanging microphone
【中图分类号】G40-057
【文献标识码】A
【论文编号】1009—8097（2019）04—0082—06
【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2019.04.012
*基金项目：本文为2017年四川大学新世纪教育教学改革工程（第八期）项目“智慧教学环境中的大数据挖掘与学习分析研究”（项目编号：SCU8415）的阶段性研究成果。
作者简介：崔亚强，副主任，讲师，硕士，研究方向为教育技术、智慧教学环境建设及应用，邮箱为cuiyaqiang@scu.edu.cn。
收稿日期：2018年10月8日
1 致谢：本文得以成稿，与我校的工作实践密不可分，也与各位同行专家的经验分享和同事的工作配合密不可 分，尤其是苏州科技大学钱震老师提供了吊麦扩声系统检测方法给予了我们很大帮助，在此一并致谢。
编辑：小西