Статья

Акустика образовательных учреждений. Какой она должна быть?

Банер - Статьи | ASPD.ru

Значительное влияние на усваиваемость материала имеют шумоизоляция и внутренний акустический комфорт аудитории.

За свою 20-летнюю историю, наша компания исследовала огромное количество классов, аудиторий, актовых, спортивных залов, и прочих помещений, расположенных в школах, университетах и детских садах. За это время накопился значительный опыт в проектировании подобных помещений, которым мы и хотим поделиться в данной статье.    

Во всем мире дети проводят большую часть своего времени в искусственной среде, а именно дома или в школьных аудиториях. Существуют исследования и доказательства влияния домашней среды на развитие детей, однако о влиянии школьной искусственной среды на успеваемость учащихся сказано не так много слов. Тем не менее, недавние исследования как в России, так и за ее пределами (в том числе исследования нашей группы) показывают, что акустическая среда аудиторий оказывает огромное влияние на процесс обучения.

Работа с более чем 200 аудиторий в детских садах, начальных и средних школах предоставило нам уникальную возможность изучить акустические стандарты, которые принимались за основу при проектировании аудиторий. Цель определения акустических условий в аудиториях – убедиться, что помещения являются подходящей образовательной средой. Акустические стандарты аудиторий, как правило, устанавливают рекомендации относительно пустых помещений для достижения четкой коммуникации и улучшения разборчивости речи. Однако в России такие стандарты чаще всего не применяются на практике. Кроме того, соответствие текущим рекомендациям относительно пустых аудиторий не обязательно приведет к созданию подходящей акустической среды, поскольку на практике аудитории заполнены учащимися, что кардинально меняет акустическую картину помещений по сравнению с пустыми.

Введение

Наши инженеры-акустики задались вопросом, как акустические характеристики помещения влияют на учащихся и на преподавателей. Во время исследований было рассмотрено и измерено влияние акустики помещения как на разборчивость речи и успеваемость учащихся, так и на речевое здоровье преподавателей. В этой статье мы сосредоточиваемся на влиянии акустики аудитории на учащихся.

Первый этап исследований, связанных с акустикой аудиторий, был ориентирован на такой аспект как разборчивость речи или степень ее ясности и узнаваемости. Разборчивость речи, часто измеряемая в виде распознавания слова, фразы или предложения, зависит от громкости голоса говорящего, уровня фонового шума и акустических характеристик помещения. Когда отношение уровня сигнала говорящего к уровню шума от фоновых источников (отношение сигнал/шум) низкое, восприятие детей и лиц с нарушениями слуха оказываются хуже, чем у взрослых или лиц с нормальным слухом.

При применении системы усиления голоса преподавателя отношение сигнал/шум может значительно улучшиться, что приведет к улучшению разборчивости речи. Хотя применение решений по усилению и остается целесообразным, большинство экспертов по архитектурной акустике не спешат его использовать, несмотря на то, что оно может увеличить отношение сигнал/шум в аудиториях. Системы по усилению требуют более основательного подхода к строительству стен для обеспечения хорошей изоляции между аудиториями. Увеличение отношения сигнал/шум, достигаемого без использования естественной акустики помещения, может оказаться нерациональным без учета изоляции.

В других исследованиях, проведенными нашей компанией основное внимание было уделено тому, как неверное соотношение между объемом, геометрией и отделочными материалами аудитории может привести к условиям чрезмерной реверберации, которая отрицательно влияет на разборчивость речи. Звуки, создаваемые в среде с большей реверберацией, будут задерживаться дольше, чем в среде с меньшей реверберацией, тем самым увеличивая общий средний уровень шума в помещении. Исследователи рассмотрели влияние продолжительности реверберации на разборчивость речи, часто в сочетании с различными уровнями фонового шума. При постоянном отношении сигнал/шум высокая продолжительность реверберации приводит к плохой разборчивости речи. Хотя ограничение избыточной реверберации и важно для оптимальной разборчивости речи, не нужно полностью устранять реверберацию, поскольку первые, ранние поступающие отражения от границ помещения, как оказалось, улучшают разборчивость, поддерживая акустическую энергию, которая поступает непосредственно от источника к слушателю.

Начиная с конца 1990-х годов было проведено достаточное количество контрольно-измерительных мероприятий для оценки состояния акустики аудиторий. Акустические условия были измерены в университетских аудиториях (МГТУ им. Баумана, РАМ им. Гнесиных), дошкольных учреждениях (д/сад «Сказка», д/сад «Rainbow School»), начальных школах (Менделеевская школа) и средних школах («Школа им. Лобачевского», «Русско-американская международная школа», и многих других). Согласно этим исследованиям, существующие помещения не обладают подходящими характеристиками по уровню шума и продолжительности реверберации для оптимальной разборчивости речи.

Появление современных компьютеров и программного обеспечения позволило провести исследования, направленные на понимание акустического воздействия аудитории на человека с использованием методов аурализации. Аурализация представляет собой визуализациию звукового поля искусственной среды методом моделирования и симуляции. Например, запись голоса преподавателя может быть аурализована в разных средах аудиторий для того, чтобы слушатели могли понять, как разные помещения влияют на процесс прослушивания. Аурализация была особенно полезна для субъективных испытаний, поскольку позволяла исследователям проверить воздействие различных акустических условий в более контролируемой лабораторной среде.

Часть этих лабораторных исследований по акустике аудиторий были направлены в область оценки восприятия речи, что предполагало повышение уровня понимания, а не просто распознавание слов, фраз или предложений. Результаты этих исследований показывают, что фоновый шум и реверберация помещения оказывают более пагубное воздействие на понимание, чем на распознавание речи. Исследования также были сосредоточены, на том, как акустические условия в аудитории влияют на усилия слушателей, или затруднения при прослушивании. Основываясь на этой концепции, исследовательская группа подробнее сосредоточила свое внимание на количественной оценке эффективности прослушивания как показателя разборчивости речи, так и усилий при прослушивании.

Российский стандарт СП 51.13330.2011 «Защита от шума» и Американский ANSI/ASA S12.60.

В 2003 году в России впервые появился СНиП 23-03-2003 «Защита от шума», который достаточно скупо регламентировал нормы фоновых шумов и реверберации для различных помещений. В 2011 году редакция СНиП была актуализирована, но по существу мало что изменилось. В частности, стандарт предписывает проектировать школьные классы таким образом, чтобы уровень фоновых шумов в них не превышал 40 дБА. Для классов музыкальных школ данный критерий составляет 35 дБА. Что же касается реверберации (гулкости помещения), то в СП 51.13330.2011 имеется только одна отсылка, которая касается лекционных залов с объемом свыше 500 м. куб. В них минимальный уровень реверберации должен составлять 0,8 сек. А что должно происходить в помещениях с малой или средней площадью? В актовых залах, зонах проведения семинаров, школьных столовых или бассейнах? Для ответа на эти вопросы зачастую приходится пользоваться международными стандартами, например, DIN 18041” Hearing balance in small and medium size rooms” или ANSI/ASA S12.60.

В 2002 году Американский национальный институт стандартов (ANSI) опубликовал стандарт акустики для аудиторий в США – ANSI S12.60 (ANSI, 2002): «Нормы акустических показателей, требования к проектированию, Руководство для школ». Согласно нему, уровень шума с поправкой по шкале А, измеренный в пустом помещении с механическими системами вентиляции, не должен превышать 35 дБА (ANSI/ASA, 2010). В этом стандарте также указано, что максимальная продолжительность реверберации, в октавных полосах частот 500, 1000 и 2000 Гц, должна быть меньше или равна 0,6 секунды для аудиторий с замкнутым объемом менее 280 м. куб. и лежать в диапазоне от 0,6 до 0,7 сек для аудиторий с замкнутым объемом от 280 до 560 м. В первой редакции этого стандарта были представлены обоснования выбора критериев оценки акустики помещений, а также эмпирические доказательства правильности выбора данных критериев (ANSI, 2002).

Примерно в это же время, в Европе появился стандарт DIN 18041” Hearing balance in small and medium size rooms”, регламентирующий уровни реверберации для разных типов образовательных аудиторий.

Вербальная коммуникация имеет важное значение для обучения и развития языковых и когнитивных навыков. Вербальная коммуникация может быть успешно реализована только при высокой разборчивости речи. Сведение к минимуму уровня фонового шума и контроль реверберации помещения помогает создать четкий коммуникационный канал между преподавателями и учащимися, и это оказывается особенно важно для детей, поскольку они все еще развивают свои языковые навыки.

Уровни речи в аудитории являются важным фактором при определении максимально рекомендуемых уровней фонового шума. С целью обеспечения высокой разборчивости речи для детей рекомендуется не менее +15 дБ отношения сигнал/шум. Исследовательская группа нашей фирмы, под руководством инженера-акустика А. Серебрякова (2007) выявила, что в отношении самых младших учащихся (1-й класс) для достижения почти идеальной речевой коммуникации предпочтительное отношение сигнал/шум составляет +20 дБ. В тихой аудитории уровень звукового давления речи преподавателя обычно равен 67 дБА на расстоянии 1 метра. При увеличении расстояния от преподавателя до слушателя УЗД уменьшается примерно на 3 дБ на один метр – в самом конце типичной аудитории УЗД говорящего может снизиться до 55 дБ (рисунок 1). Для обеспечения минимального отношения сигнал/шум на уровне +15 дБ во всей аудитории рекомендуется не более 35 дБА для уровня фонового шума, что соответствует стандарту ANSI. При соблюдении рекомендуемого максимального уровня шума достигается подходящее отношение сигнал/шум для высокой разборчивости речи, что оказывает положительное влияние на процесс обучения.

Основополагающее утверждение нашей группы состоит в том, что улучшение разборчивости речи повышает успеваемость учащихся. Однако лишь небольшое количество зарубежных исследований на эту тему показали непосредственную взаимосвязь между уровнями шума и фактическими результатами успеваемости. Исследования, проведенные нашей исследовательской группой, предоставили больше доказательств того, что плохие акустические условия в классе имеют непосредственное отношение к плохой успеваемости учащихся.

Так, исследования, проведенные в вокальной школе «Нота» в Красноярске, выявили, что избыточное воздействие авиационных шумов от расположенного поблизости аэропорта напрямую связано с низкими показателями по чтению среди учащихся начальных классов.

Кроме того, были исследованы аудитории, в которых присутствуют источники шума, более характерные для начальных школ, например, дорожное движение, вентиляционные системы, как в заполненных, так и в пустых аудиториях.

Рис 1. Пространственное затухание уровня звукового давления в реверберационном поле аудитории.

img-1

Уровень звукового давления на расстоянии 1 метра от говорящего составляет 65 дБА. В синей области отношение сигнал/шум (ОСШ) составляет +15 дБ. Красная область – уровень фоновых шумов аудитории (УФШ). Там, где синяя и красная области пересекаются, слушатели будут ощущать менее +15 дБ ОСШ.

Вверху: когда УФШ составляет 45 дБА, только учащиеся, находящиеся на расстоянии 3 метров от преподавателя, будут ощущать достаточное ОСШ.

Посередине: уровень фонового шума в 40 дБА может соответствовать желаемому ОСШ +15 дБ в классах, где наибольшая сторона не превышает 9 метров.

Внизу: при проектировании аудитории уровень фонового шума не должен превышать 35 дБA, чтобы учащиеся, находящиеся в любой точке аудитории, ощущали не менее +15 дБ ОСШ, даже если говорящий не обладает достаточно сильным голо-сом.

Стандартные аудитории и требования к ним.

Большинство наших исследований показали, что несмотря на то, что рекомендации по продолжительности реверберации, содержащиеся в стандартах DIN 18041 и ANSI/ASA S12.60, достижимы, лишь немногие аудитории отвечают требованиям по уровню фонового шума. На рисунке 2 приведены результаты исследований более чем 200 аудиторий.

Рис 2. Данные, полученных при исследовании 200 аудиторий в детских садах, начальных и средних школах

img-2

Вверху: из-за вентиляционного шума в 91% аудиторий уровень фонового шума оказался выше предельно допустимого значения в 35 дБА.

Внизу: 15% аудиторий не соответствует максимальному показателю реверберации в 0,6 секунды.

В большинстве классных комнат в детских садах, начальных и средних школах, которые мы посетили, по всей поверхности потолка на высоте около 3 метров уложена акустическая или обычная потолочная плитка. Подобное решение часто обеспечивает приемлемые показатели по продолжительности реверберации. На рисунке 3 изображены примеры типовой отделки в аудиториях из нашего исследования. Если аудитория обладает избыточными показателями реверберации, необходимо лишь добавить в помещение некоторое количество звукопоглощающих материалов, что относительно просто выполнить в уже существующем помещении. Однако, как правило, для значительного снижения уровня фонового шума требуется капитальный ремонт, особенно там, где источниками шума являются механические системы отопления, вентиляции и кондиционирования.

Рис 3. Стандартная отделка аудиторий и классных комнат.

img-3

Вверху: Во многих аудиториях используется акустическая потолочная плитка для повышения звукопоглощения в помещении. Это позволяет снизить реверберацию, а также обеспечить легкий доступ к строительным системам над плиткой.

Аудитория с открытыми стеллажами | ASPD.ru

Внизу: Некоторые аудитории обладают индивидуальными особенностями, как это показано на рисунке. Большое количество открытых стеллажей с книгами хорошо рассеивает звук, и меньше его отражают по сравнению со стеной из ГКЛ. Данная особенность, наряду с относительно небольшим объемом помещения обеспечивают тот факт, что реверберация в аудитории соответствует своим нормативным показателям.

Лучший способ обеспечить допустимый уровень фонового шума, исходящего от механических систем, – это продумывать их заранее, а не полагаться на после-проектные решения, поскольку стоимость замены шумных механических систем намного больше, чем проектирование систем с пониженным шумовыделением. Установка системы с высоким уровнем шума проще и дешевле, однако финансовая сторона не должна быть приоритетной, когда это касается учебных заведений. Стоимость проектирования и установки тихих механических систем достаточно высокая, однако удобство для учащихся в такой аудитории значительно выше.

Обычные подходы к механическим системам, часто используемых в классах, зачастую не соответствуют передовым акустическим практикам. Игнорировать привычные методы в пользу менее востребованных, более креативных решений по проектированию, может быть сложно. Ко всему прочему, отсутствие обязательных акустических требований означает, что работа с уровнями шума в аудиториях не всегда приоритетна в сфере проектирования зданий.

LEED и BB93.

В 2000 году Совет по экологическому строительству США (USGBC) разработал систему сертификации экологически безопасных зданий LEED — Руководства по Энергоэффективному и Экологическому Проектированию. Рейтинг LEED удостоверяет, что здание отвечает определенным требованиям экологичности. Для получения сертификата здание должно быть спроектировано с учетом критериев оценки по LEED, при этом, возможно получение особой категории оценки при соблюдении более строгих критериев LEED.

Уровень фонового шума в пустых аудиториях является одним из критериев проектирования LEED. В предыдущих редакциях LEED по проектированию и строительству зданий предполагаемый (расчетный) уровень фонового шума составлял 45 дБА, а школам, которые соответствовали уровню фонового шума 40 дБА или ниже, присуждалась особая категория. Эти уровни ощутимо громче, чем 35 дБА, рекомендованные ANSI S12.60. И, хотя показатель 45 дБА тише, чем в некоторых аудиториях, участвовавших в нашем исследовании, эта цифра не всегда отвечает потребностям учащихся. Согласно рекомендациям стандарта ANSI S12.60 и последней редакции LEED, расчетный уровень фонового шума был скорректирован до 40 дБА, а уровень фонового шума в пустых аудиториях был снижен до 35 дБА (USGBC, 2013).

В свою очередь Великобритания для проектирования и строительства аудиторий приняла обязательные к исполнению строительные нормы, опубликованные в документе Building Bulletin 93 (BB93), который был впервые выпущен в 2003 году, а последняя редакция осуществлена в 2015 году (Департамент образования и профессиональной подготовки Великобритании, 2015). Требования BB93 к уровню шума в пустых аудиториях аналогичны требованиям, рекомендованным ANSI S12.60. Максимальный уровень внутреннего фонового шума в новых пустых аудиториях начальной и средней школ, допускается не выше 35 дБА, а для реконструированных аудиторий с тем же назначением – 40 дБА. Уровень внутреннего фонового шума эквивалентен уровню шума с поправкой по шкале А, измеренным в течение 30 минут во время стандартного процесса обучения. При этом шумы, исходящие от учебного оборудования и учебной деятельности, не учитываются. Шум, исходящий от смежных аудиторий учитывается, и должен быть снижен за счет основательного подхода к строительству стен между аудиториями с учетом их назначения.

Требования BB93 по продолжительности реверберации аналогичны рекомендациям, установленным ANSI S12.60. Но при этом существуют разные требования для аудиторий в начальных и средних школах. В стандартных аудиториях новых начальных школ продолжительность реверберации не должна превышать 0,6 секунды, а в реконструированных аудиториях начальных школ – 0,8 секунды. Для средних школ максимальные показатели немного выше: для новых зданий значение составляет 0,8 секунды, а для аудиторий после реконструкции – 1,0 секунды. Более строгие требования к аудиториям в начальных школах можно объяснить тем, что ученикам младших классов необходимы более благоприятные условия, так как их языковые навыки все еще развиваются.

Акустика аудиторий, заполненных учениками.

Огромная работа была проделана в области разработки стандартов СП 51.13330.2011, DIN 18041, ANSI/ASA S12.60, сертификационных требований LEED, документа BB93, а также остальных акустических стандартов по всему земному шару. Они заполнили огромный пробел и создали необходимую основу для акустического проектирования, однако при этом они не охватывают целый ряд акустических показателей, полученных в ходе исследования заполненных аудиторий.

Многие исследования, направленные на изучение влияния фонового шума на уровни речи отсылают нас к эффекту Ломбарда. Эффект Ломбарда – это непроизвольное повышение громкости речи для компенсации уровня фонового шума, первоначально открытый французским отоларингологом Этьеном Ломбардом. Эффект Ломбарда часто рассматривается как причина, по которой уровень шума в заполненных аудиториях коррелирует с уровнем шума в пустых аудиториях. Предполагается, что уровень фонового шума постоянный, не зависит от заполненности класса, и является в основном следствием работы системы вентиляции. Следовательно, уровень фонового шума в пустых классах должен в значительной степени определять соотношение сигнал/шум в заполненных классах вследствие эффекта Ломбарда. То есть, более высокий уровень фонового шума в пустой аудитории вызывает пропорциональное повышение уровней громкости разговоров в аналогичной заполненной аудитории. Однако, учащиеся в современных классах детских садов, начальных и средних школ слышат фоновые шумы, которые возникают не только вследствие работы систем вентиляции.

Наблюдения, проведенные во время нашего исследования, показали, что существует большое количество другого шумящего оборудования, которое используется хоть и не постоянно, но все же достаточно часто. Например, видеопроекторы или интерактивные доски (Smart Board) (рисунок 4). Такое оборудование не следует игнорировать в рекомендациях, прописанных стандартами.

Рис 4. Шумящее оборудование в аудиториях.

Пример обычной интерактивной доски, которая использует видеопроектор | ASPD.ru

Вверху: Во многих аудиториях используются видеопроекторы. Это пример обычной интерактивной доски, которая использует видеопроектор. Видеопроекторы повышают уровень фоновых шумов таким образом, что преподавателям приходится их перекрикивать.

Зарядная станция для ноутбука/планшета | ASPD.ru

Внизу: применение компьютеров в учебном процессе требует использования зарядных станций для ноутбуков и планшетов. В такие зарядные станции, как показано на рисунке, встроены кулеры, которые рассеивают тепло через отверстие. Они являются источником шума, который мешает речи преподавателя.

В проекционные аппараты встроены кулеры для рассеивания тепла, они создают шум, который повышает общий уровень фонового шума в аудитории. Также существуют зарядные станции с работающими кулерами для ноутбуков и планшетов, которые в итоге влияют на уровень громкости речи в помещении. Учебное оборудование влияет на уровень фонового шума, поэтому преподаватели должны прилагать дополнительные усилия, чтобы учащиеся могли их услышать.

При этом уровни шума, исходящие от учащихся, также необходимо учитывать. Наша исследовательская группа сравнила уровни шума в аудиториях для учеников в разных школах и выявила, что самый высокий уровень шума наблюдался в аудиториях для маленьких детей. В детских садах, младших и средних школах уровни фонового шума различаются также в зависимости от методов обучения (групповой, индивидуальный, пр.). Каждому из этих типов обучения соответствуют уровни собственных шумов, производимых учениками.

Мы проанализировали взаимосвязь между уровнями шума в заполненных и пустых аудиториях путем проведения акустического исследования классов средних школ во время уроков по основным предметам. Результаты подтвердили, что наблюдаемый уровень шума во время занятий в заполненных аудиториях увеличивался вместе с количеством учащихся, при этом его показатели оказались выше в аудиториях, где занимались учащиеся младшего возраста. Также была подтверждена связь между уровнями шума, во время уроков (в заполненных аудиториях), и уровнями шума в пустых аудиториях.

Устойчивые источники шума, такие как система вентиляции и кондиционирования, можно легко предсказать или измерить, но также важно признать, что в заполненных аудиториях существуют другие источники шума, на которые пока не обращают внимания, и которые могут негативно повлиять на коммуникацию между преподавателем и учащимися. При проектировании необходимо принимать во внимание различия между пустыми и заполненными аудиториями, целостно рассматривая всю картину. Есть надежда, что текущие исследования в этой области предоставят нам больше понимания того, как условия внешней среды влияют на успеваемость учащихся.