Акустика классных комнат

В этой статье мы изучим, как звук позволяет нам общаться в классе и как мы можем улучшить это общение. Вы узнаете, как измеряется звук и как люди, называемые инженерами-акустиками, помогают архитекторам и дизайнерам следить за тем, чтобы в классных комнатах не было слишком шумно или слишком тихо. У нас даже есть несколько экспериментов, которые вы можете провести, чтобы измерить звук дома, в школе или на футбольном стадионе.

Наука о звуке

Акустика, наука о звуке, - это наука, о которой вы, возможно, мало что слышали, если вообще слышали. Почему люди так мало знают о науке о звуке? Возможно, потому, что многие из нас воспринимают звук и слух как нечто само собой разумеющееся. Однако представьте себе жизнь без чувства слуха! Ни музыки, ни смеха, ни разговоров, ни пения? Если вспомнить, как сильно мы зависим от звука, становится удивительно, что многие люди никогда не слышали об акустике! Конечно, некоторые люди не обладают способностью слышать. За последние 30 лет инженеры-акустики помогли миллиону людей по всему миру преодолеть проблемы со слухом с помощью бионических имплантатов, а также помогли сотням миллионов людей с помощью слуховых аппаратов. Одно из мест, где акустика оказывает особенно сильное влияние, - это учебный класс: вы не сможете учиться, если не сможете общаться!

Четкая коммуникация

Для чего нужна классная комната? Это пространство, где люди могут учиться, слушая учителя и общаясь с другими учениками. Классные комнаты - это пространство, где мы общаемся с другими людьми, чтобы расширить наши знания и понимание окружающего мира. Однако создать пространство, в котором легко общаться, на самом деле не так просто, как может показаться. Ученики в классе должны иметь возможность слышать, как говорит учитель, не отвлекаясь на другие звуки, такие как разговоры их друзей, шум проезжающего грузовика или футбольный матч на улице [ 1 - 3 ].

Мы называем звук, который человек хочет услышать, сигналом. В нашем примере сигналом является разговор учителя [ 4 ]. Все остальные звуки мы называем шумом. К шуму относятся отвлекающие звуки, которые человек не хочет слышать. Чтобы классная комната работала хорошо, ученики должны слышать больше сигнала и меньше шума. Мы называем это соотношением сигнал/шум, и именно здесь на помощь приходит акустическая инженерия! Инженеры-акустики могут помочь спроектировать классную комнату так, чтобы уменьшить количество отвлекающего шума, поступающего извне, и помочь справиться с шумом, создаваемым учениками внутри. Инженеров-акустиков часто нанимают для того, чтобы они улучшили качество строительства школ и убедились, что они сделаны из лучших материалов, чтобы обеспечить максимально четкое общение. Инженеры-акустики также предоставляют рекомендации для строителей и архитекторов. Работа инженеров-акустиков помогает создать комфортное место для обучения, где ученики слышат, что говорят их учителя 1 .

Акустика

Звук измеряется в единицах, называемых децибелами (дБ). Звук - это необычная математика, потому что он измеряется в логарифмической шкале. В качестве примера можно привести другую логарифмическую шкалу - шкалу Рихтера. Шкала Рихтера используется для измерения землетрясений и ведет отсчет от 0 до 10, в то время как децибелы имеют шкалу от 0 до 100. Землетрясение магнитудой 5 потрясет ваш дом и, возможно, снесет стену сада. Землетрясение магнитудой 6 не просто немного сильнее - оно в 10 раз сильнее, чем землетрясение магнитудой 5! Землетрясение силой 6 баллов разрушит дом, 7 баллов (в 10 раз сильнее, чем 6 баллов) - город, 8 баллов - город, 9 баллов - небольшую страну, а 10 баллов - большую страну. Самое сильное землетрясение, когда-либо измеренное, составило 9,2 балла по шкале Рихтера!

Теперь вернемся к акустике. Шкала дБ работает точно так же, за исключением того, что она ведет отсчет от 1 до 100. Часть "dec" в слове "децибел" означает 10, что является кратным увеличением между числами на логарифмической шкале. Самый тихий звук, который вы можете услышать, равен 0 дБ, и услышать его можно только в специальной комнате, которая называется безэховой камерой, что означает комнату без эха - очень странная комната (рис. 1)2 . Звук шепота человека составляет около 20 дБ. 40 дБ - это звук тихого разговора, а если вы разговариваете с другом, то ваш голос, скорее всего, будет равен 60 дБ. Когда учитель разговаривает со всем классом, его голос, вероятно, составляет 70 дБ, но если учитель кричит, его голос будет составлять около 80 дБ.

Акустика в классе

Мы можем измерить не только громкость звука, но и уровень эха в помещении. Это измеряется в секундах и называется временем реверберации (RT). RT определяется как время, которое требуется звуку, чтобы полностью исчезнуть. Например, если вы чихнете, через какое время звук чихания полностью исчезнет? Это зависит от того, где вы чихаете - в бассейне или в спортзале. В безэховой камере время реверберации составляет 0 с. Вот простой эксперимент, который вы можете провести дома или в школе, чтобы проиллюстрировать этот момент. Вам понадобятся воздушный шарик и острый карандаш, поскольку чихание - не очень надежный сигнал!

Сначала надуйте воздушный шар и завяжите на конце узел, чтобы он оставался надутым. Затем убедитесь, что в комнате царит полная тишина. Теперь надуйте шарик с помощью карандаша. БАХ! Во время этого начинайте считать или используйте таймер. В обычном классе звук должен исчезнуть примерно через 1 с. Теперь повторите эксперимент в школьном коридоре, коридоре с густым эхом или в спортивном зале. Вероятно, вы обнаружите, что звук исчезает дольше в больших помещениях, особенно в тех, где меньше ковров, штор или мебели.

Таким образом, RT зависит от того, где вы находитесь. Инженеры-акустики стремятся к тому, чтобы в современных аудиториях RT составлял около 0,8 с (рис. 2). Это означает, что любые звуки исчезают через 0,8 с. В классах в старых зданиях с высокими потолками RT может быть выше, потому что в них больше эха (рис. 3). В таких помещениях гораздо сложнее расслышать, что говорит учитель.

Если в помещении слишком высокая температура, и звук отражается от стен и создает много шума, добавление мягких материалов, таких как подушки, ковры и шторы, поможет поглотить или впитать звук. Инженеры-акустики используют число, называемое коэффициентом поглощения, чтобы описать, насколько хорошо материалы поглощают звук. Камень имеет коэффициент поглощения 0, а то, что полностью поглощает все звуки, имеет коэффициент поглощения 1. Открытое окно также имеет коэффициент поглощения 1, потому что звук выходит через окно и не возвращается обратно. Стекло имеет коэффициент поглощения 0,03, а дерево - около 0,1. Подушки имеют коэффициент поглощения 0,9 3 .

Имея правильную информацию, мы можем рассчитать RT любого помещения, используя следующее уравнение:

R T = 0 . 16 * V S α

V - размер помещения (объем) в кубических метрах (м 3 ). S - это стены, потолок и пол вместе взятые, измеренные в квадратных метрах (м 2 ), а α - коэффициент поглощения материала, из которого изготовлено помещение.

Представьте себе теплицу из стекла длиной 2 м, шириной 2 м и высотой 2 м. Размер или объем теплицы составляет 2 × 2 × 2 = 8 м 3 . Каждая стена, пол и потолок имеют площадь 2 × 2 м = 4 м 2 . В теплице четыре стены, пол и потолок.) Таким образом, S = 6 × 4 = 24 м 2 . Мы знаем, что коэффициент поглощения стекла равен 0,03. Уравнение приобретает вид:

R T = 0,16 × 8 ∕ 24 × 0,03 = 1,78 с.

Другими словами, в нашей маленькой комнате, полностью сделанной из стекла, любой громкий звук будет длиться 1,78 с.

Однако в реальном мире большинство комнат или внутренних помещений состоят из множества различных материалов - кирпича стен, стекла окон, штор, ковров, мебели и даже людей. Поэтому рассчитать RT реальных помещений может быть немного сложнее!

Когда акустика имеет большое значение

Акустика важна не только в учебных классах. Она влияет на все вещи в нашем мире, включая спорт. В полуфинале Лиги чемпионов УЕФА в 2011 году, когда "Арсенал" играл с "Барселоной", судья дал свисток, чтобы привлечь внимание игроков. Робин ван Перси проигнорировал судью и пнул мяч в ворота, после чего был удален. В интервью после матча он сказал, что не слышал свистка, да и нельзя было ожидать, что он услышит такой звук над шумом 90 000 кричащих болельщиков. Возможно, если бы на стадионе была лучшая акустика, игрок услышал бы судью и не был бы удален? 4 .

Насколько громкой может быть толпа в 90 000 человек? Вот эксперимент, который вы можете провести, чтобы узнать это!

Сначала вам или учителю нужно будет загрузить на смартфон приложение для измерения звука 5 .

Затем нужно собрать 100 учеников в школьном зале, причем человек с телефоном должен стоять впереди.

Для начала, когда приложение запущено, один человек в центре зала встает и кричит "Привет!". Все остальные должны вести себя тихо. Приложение запишет, насколько громким является звук в дБ.

Затем 10 одноклассников в центре зала встают и одновременно кричат "Привет!". Все остальные должны вести себя тихо. Запишите результат со смартфона.

Наконец, все 100 одноклассников встают и кричат "Привет!" одновременно. Запишите результаты со смартфона.

По мере увеличения количества кричащих людей уровень звука должен увеличиваться. Уровень шума одного человека должен составлять около 80 дБ, 10 человек - около 90 дБ, а 100 человек - около 100 дБ. А теперь представьте, что количество криков увеличивается в 10 раз, снова и снова! Вот как громко будут кричать 100 000 футбольных фанатов!

Стоит ли удивляться, что футболистам иногда трудно расслышать судью? Возможно, если бы стадион был пуст и все смотрели игру из дома, свисток был бы слышен немного четче!

Заключительные мысли

Насколько шумно в вашем классе? Легко ли вам слышать учителя или вас отвлекают посторонние звуки? Теперь, когда вы больше знаете о том, как работает наука акустика, у вас могут появиться полезные предложения, которые помогут уменьшить шум в классе и облегчить концентрацию! Но будьте осторожны - если вы принесете слишком много подушек, вам может стать слишком комфортно! 6