臥室臨睡情境下聲光交互侵?jǐn)_對(duì)忍耐極限的影響

于 躍，張 昕，康 健

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；2.University of Sheffield，S10 2TN UK)

引言

聲與光污染是影響人類生活品質(zhì)的環(huán)境問題，日益成為自然環(huán)境和人類健康的嚴(yán)重威脅[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，夜間道路運(yùn)輸、商業(yè)活動(dòng)等經(jīng)濟(jì)行為所產(chǎn)生的聲光污染波及的區(qū)域不斷擴(kuò)大，城市居住環(huán)境夜間受聲光交互侵?jǐn)_的問題也日趨嚴(yán)重(圖1)。研究表明，環(huán)境噪聲污染可導(dǎo)致神經(jīng)、消化及免疫系統(tǒng)疾病，危及居住者生理及心理健康[2,3]。長期處于光污染環(huán)境中會(huì)擾亂人們正常的晝夜節(jié)律，引發(fā)機(jī)體器質(zhì)性疾病，危害健康[4]。

圖1 被聲光同時(shí)侵?jǐn)_的居住環(huán)境Fig.1 Example of residential environment disturbed by sound and light

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境中，模擬在臨睡狀態(tài)下，由室外聲、光及聲光交互侵?jǐn)_造成被試達(dá)到忍耐極限。實(shí)驗(yàn)選取城市環(huán)境中常見的3種色溫的照明和3種類型的聲音作為侵?jǐn)_變量，其范圍及梯度由一系列預(yù)實(shí)驗(yàn)確定，分別為33～50 dB-A和1～190 lx；強(qiáng)度梯度分別為8個(gè)和18個(gè)。

由于變量數(shù)量及梯度組合量過多(3×8×3×18)，本研究采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇對(duì)聲、光侵?jǐn)_及交互侵?jǐn)_的“忍耐極限”作為關(guān)鍵測試點(diǎn)，即容忍度評(píng)價(jià)表中的“Just intolerable”評(píng)價(jià)點(diǎn)位(圖2)。首先使用單一侵?jǐn)_變量按強(qiáng)度由弱至強(qiáng)的順序逐一對(duì)被試進(jìn)行測試，在被試口頭報(bào)告“無法忍受”后停止測試，則前一個(gè)可接受的最大侵?jǐn)_強(qiáng)度即為該被的忍耐極限值。記錄每個(gè)被試對(duì)各個(gè)單變量的忍耐極限后，進(jìn)行聲光交互侵?jǐn)_測試，即在一種屬性忍耐極限強(qiáng)度的侵?jǐn)_下加入另種屬性的侵?jǐn)_，逐級(jí)提高變量強(qiáng)度直至無法忍受，則可測定該被試對(duì)聲光交互侵?jǐn)_的忍耐極限值，比較單變量與雙變量交互侵?jǐn)_后的忍耐極限差異并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

由于本次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)測試變量的忍耐極限狀態(tài)進(jìn)行研究，這就意味人們對(duì)聲或光的變量在這種強(qiáng)度的侵?jǐn)_下都會(huì)呈現(xiàn)消極的評(píng)價(jià)，即使某些變量(如鳥鳴聲)在合適的強(qiáng)度下會(huì)有積極的評(píng)價(jià)。提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)：相比單變量侵?jǐn)_，人們在聲光交互侵?jǐn)_后的忍耐極限會(huì)降低。

圖2 “忍耐極限”與容忍度評(píng)價(jià)表中評(píng)價(jià)點(diǎn)位的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 The Corresponding Relationship Between “Endurance Limit” and Evaluation Points in the EnduranceEvaluation Form

1.2 實(shí)驗(yàn)變量

實(shí)驗(yàn)選取鳥鳴聲、交談言語聲和交通噪聲作為聲變量，分別錄制于北京動(dòng)物園、北京市中關(guān)村3 W咖啡館及北京市北二環(huán)路，使用一臺(tái)高保真便攜式錄音機(jī)進(jìn)行錄音，錄音設(shè)備放置于距地面1.5 m的高度，每次錄音持續(xù)5 min。為了避免在樣本中出現(xiàn)巨大的頻譜差距，使用音頻編輯軟件剔除干擾聲。以交通噪聲為例，汽車的忽然鳴笛聲及急促剎車聲被剔除，保留頻譜平穩(wěn)的路面胎噪聲。

為了確定測試變量的強(qiáng)度及梯度，一個(gè)由25人組成的預(yù)實(shí)驗(yàn)在正式實(shí)驗(yàn)前完成。通過對(duì) “忍耐極限”測試，測得被試對(duì)音量最小的平均A聲級(jí)容忍點(diǎn)為33 dB-A，最大為50 dB-A。正式實(shí)驗(yàn)的聲級(jí)梯度調(diào)整為2.5 dB-A，總計(jì)8個(gè)梯度級(jí)。

圖3 靜態(tài)光侵?jǐn)_色溫Fig.3 Static light intrudes color temperature

1.3 光變量及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化計(jì)算

實(shí)驗(yàn)選取2 700 K、4 000 K、6 500 K三種色溫的靜態(tài)LED光源作為光變量，均為城市環(huán)境中常見照明色溫(圖4)，在窗玻璃外表面通過12個(gè)點(diǎn)陣測得平均照度，用以控制光變量強(qiáng)度。在1.2節(jié)提到的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，被試的忍耐極限范圍為1～190 lx，多集中于1～5 lx(17/25),所以該區(qū)間范圍內(nèi)的變量梯度會(huì)更精密，為1 lx。為能涵蓋所有被試的忍耐極限，并結(jié)合此前相似實(shí)驗(yàn)中選取的及照明規(guī)范中的關(guān)鍵點(diǎn)[6]，確定共計(jì)18個(gè)光變量梯度。

在被試觀察位置設(shè)置相機(jī)對(duì)每個(gè)強(qiáng)度梯度圖像進(jìn)行包圍曝光拍攝，使用亮度計(jì)記錄窗戶上的最大點(diǎn)亮度。使用“HDRScope”軟件處理相機(jī)拍攝的圖像，輔助亮度計(jì)測得的畫面亮度校對(duì)值，可測得不同光變量強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的光源亮度Ls及背景亮度Lb。根據(jù)被試觀察點(diǎn)與光源的位置關(guān)系可得ω及P，并通過計(jì)算可得Ω。

根據(jù)Sim等[6]關(guān)于評(píng)價(jià)室內(nèi)受室外光侵?jǐn)_的DGInight指數(shù)公式，將實(shí)驗(yàn)中的光環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DGInight指數(shù)，如下。

(1)

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及流程

被試人員以本地在校大學(xué)生為主，年齡21～30歲，平均年齡24歲，總?cè)藬?shù)28人，其中男性13人，女性15人。自述聽力、視力均正常，無精神疾病及妊娠，有償招募。所有參與者以互聯(lián)網(wǎng)或個(gè)人聯(lián)系的方式招募。

圖4 實(shí)驗(yàn)布置平面Fig.4 Scene and Layout of the experiment

實(shí)驗(yàn)設(shè)置在一層臥室環(huán)境，空間尺寸為6.0 m×3.4 m，實(shí)驗(yàn)室各界面反射比為地面30%、墻面88%、天花88%。窗戶的尺寸為2.1 m×1.2 m，磨砂玻璃綜合透光率40%，模擬了典型的室內(nèi)空間及此前類似的實(shí)驗(yàn)條件[6]。實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)置1個(gè)實(shí)驗(yàn)床位，距窗戶3 m，被試以側(cè)臥姿面向磨砂玻璃(圖4)。在室外設(shè)置光源及音源，通過WIFI控制。為了避免饑餓感對(duì)測試結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)前組織用餐。用餐及休息時(shí)間為17:00—18:00，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為18:00～22:00，在實(shí)驗(yàn)過程中門窗均關(guān)閉，環(huán)境溫度控制為21 ℃，環(huán)境基礎(chǔ)A聲級(jí)為32 dB-A。為避免實(shí)驗(yàn)之外的聲光刺激對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，被試在準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)休息間隙均禁止使用手機(jī)、耳機(jī)等試聽設(shè)備。為避免實(shí)驗(yàn)中的噪音對(duì)準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)休息間隙的被試產(chǎn)生影響，被試在此期間需使用實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一發(fā)放的耳塞。一名研究人員向被試簡要介紹實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)驗(yàn)開始后研究人員和被試均留在實(shí)驗(yàn)室中。每個(gè)被試需完成7組測試內(nèi)容，其中第1組為單變量測試實(shí)驗(yàn)，其余6組為交互測試實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：(1)第1組測試中被試會(huì)依次聽到3次聲音侵?jǐn)_(交通噪音、言語聲、鳥鳴聲)及看到3次光侵?jǐn)_(2 700 K、4 000 K、6 000 K)，按變量強(qiáng)度由弱至強(qiáng)的順序逐一播放，為避免重復(fù)的侵?jǐn)_變量對(duì)被試產(chǎn)生的疲勞感，每段侵?jǐn)_時(shí)長為20 s。之后被試需對(duì)該變量在該強(qiáng)度下的忍耐極限做出評(píng)價(jià)，如果可以接受當(dāng)前強(qiáng)度則向主試以口頭報(bào)告的形式反饋，主試?yán)^續(xù)進(jìn)行下個(gè)強(qiáng)度梯度的測試，直至到達(dá)不可接受的強(qiáng)度停止該變量的測試，依次測得被試對(duì)每個(gè)聲光單變量的忍耐極限。(2)第2～4組測試固定被試對(duì)聲侵?jǐn)_的忍耐極限侵?jǐn)_背景下再逐一對(duì)光侵?jǐn)_變量進(jìn)行忍耐極限。(3)第5～7組測試固定被試對(duì)光侵?jǐn)_的忍耐極限背景下再逐一對(duì)聲侵?jǐn)_變量進(jìn)行忍耐極限，分別記錄每個(gè)被試對(duì)每組單變量及交互侵?jǐn)_忍耐極限，在每組測試結(jié)束后被試進(jìn)入休息室?guī)隙菹ⅲ瑢?shí)驗(yàn)助手會(huì)通知下一個(gè)被試進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 單變量測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，被試對(duì)不同內(nèi)容聲變量的忍耐極限不同(圖5)，按由高到低的順序，分別為交通噪音、鳥鳴聲、交談言語聲(圖6)。此前學(xué)者對(duì)這三種聲音的舒適度、偏好度、熟悉度及響度進(jìn)行過研究[5]，結(jié)果表明，在舒適度和聲音的偏好度方面，對(duì)自然的聲音呈積極評(píng)價(jià)，而對(duì)機(jī)械的聲音呈消極評(píng)價(jià)，即鳥鳴聲最佳，交通噪聲最差，但此研究未涉及對(duì)忍耐極限的評(píng)價(jià)，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果并無可比較性。

圖6 不同聲變量的忍耐極限均值比較Fig.6 Comparison of endurance limits for different acoustic variables

對(duì)被試的光侵?jǐn)_單變量忍耐極限測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，被試對(duì)不同色溫光變量的忍耐極限差異不顯著。

2.2 忍耐極限光侵?jǐn)_背景下引入聲侵?jǐn)_的極限測試

ANOVA分析表明，在固定被試對(duì)光侵?jǐn)_忍耐極限的背景下測試聲侵?jǐn)_忍耐極限沒有顯著性。

將被試對(duì)交互后的聲侵?jǐn)_的忍耐極限與聲侵?jǐn)_單變量相比較呈現(xiàn)變化的百分比進(jìn)行降序排列，基于圖7的觀察，侵?jǐn)_交互后忍耐下降的數(shù)量占比較少，因此光侵?jǐn)_的忍耐極限不會(huì)因變量的交互作用而顯著降低。

將該忍耐極限測試結(jié)果分為“提高”、“降低”、“混亂”三組，分類原則按單變量與變量交互忍耐極限的比較差異為依據(jù)，即變量交互后忍耐有提高且從未降低的被試歸為“提高”組，該組9人；變量交互后忍耐有降低且從未提高的被試歸為“降低”組，該組14人;變量交互后忍耐既有提高又有降低的被試歸為“混亂”組，該組5人。分別統(tǒng)計(jì)比較全部及三組被試對(duì)3種不同內(nèi)容的聲侵?jǐn)_忍耐極限平均值， “提高”組的單變量忍耐極限平均值小于全部被試的忍耐極限平均值；“降低”及“混亂”組大于總體平均值。因此，基于圖8的觀察，被試對(duì)聲侵?jǐn)_的忍耐極限越低，聲光交互后的忍耐極限會(huì)提高的可能性越高。

圖7 交互后對(duì)聲侵?jǐn)_的忍耐極限與聲侵?jǐn)_單變量相比較的百分比降序排列Fig.7 Comparison of the average values of acoustic intrusion endurance limit between the three groups of sounds and the Total Subjects.

圖8 三組與總體被試的聲侵?jǐn)_忍耐極限均值比較Fig.8 Comparison of the three groups’average acoustic invasion endurance limits with the population average

2.3 忍耐極限聲侵?jǐn)_背景下引入光侵?jǐn)_的極限測試

ANOVA分析表明，在固定被試對(duì)聲侵?jǐn)_忍耐極限的背景下測試光侵?jǐn)_忍耐極限沒有顯著性。

將被試對(duì)交互后的光侵?jǐn)_的忍耐極限與光侵?jǐn)_單變量相比較呈現(xiàn)變化的百分比進(jìn)行降序排列，基于圖9的觀察，侵?jǐn)_交互后忍耐下降的數(shù)量占比較少，因此聲侵?jǐn)_的忍耐極限不會(huì)因變量的交互作用而顯著降低。

同樣，將該忍耐極限測試結(jié)果分為“提高”、“降低”、“混亂”三組，分類原則按單變量與變量交互忍耐極限的比較差異為依據(jù)，即變量交互后忍耐有提高且從未降低的被試歸為“提高”組，該組15人；變量交互后忍耐有降低且從未提高的被試歸為“降低”組，該組8人;變量交互后忍耐既有提高又有降低的被試歸為“混亂”組，該組5人。分別統(tǒng)計(jì)比較全部及三組被試對(duì)3種不同色溫的光侵?jǐn)_忍耐極限平均值，“提高”組的單變量忍耐極限平均值小于全部被試的忍耐極限平均值；“降低”及“混亂”組大于總體平均值。因此，基于圖10的觀察，被試對(duì)光侵?jǐn)_的綜合忍耐極限越低，聲光交互后的忍耐極限會(huì)提高的可能性越高。

圖9 交互后對(duì)光侵?jǐn)_的忍耐極限與光侵?jǐn)_單變量相比較的百分比降序排列Fig.9 Descending order in percentage of the comparison between the edurance limit to the optical intrusion and the single variable of the optical intrusion after interaction

圖10 三組與總體被試的光侵?jǐn)_忍耐極限均值比較Fig.10 Comparison of the average values of optical intrusion endurance limit between the three groups of lights and the total subjects

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在城市環(huán)境中，光侵?jǐn)_對(duì)室內(nèi)居住者臨睡狀態(tài)下的主要影響因素是強(qiáng)度，色溫的影響沒有顯著性。宋捷翹[7]通過對(duì)室內(nèi)居住環(huán)境亮度閾值的研究發(fā)現(xiàn)色溫對(duì)亮度閾值影響不大，與本研究結(jié)論相似。但是，聲侵?jǐn)_對(duì)室內(nèi)居住者臨睡狀態(tài)下的影響因素除了聲壓級(jí)，還與聲音內(nèi)容等因素相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人們對(duì)交通噪聲的忍耐極限最高，這與現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)是相符的，城市中許多居住環(huán)境臨近車行道路，相比較鳥鳴聲及言語聲，居住者更加適應(yīng)在交通噪音的噪聲環(huán)境中入睡。Carles 等[8]的研究表明，當(dāng)聲音與呈現(xiàn)環(huán)境不匹配時(shí)，聲音就會(huì)被消極評(píng)價(jià)，這與本研究結(jié)論相符。吳穎姣[9]和段永光[10]的研究也與本研究結(jié)論具有相似性，他們的研究都表明，如果聲景觀增強(qiáng)了人們對(duì)這個(gè)地方的感覺，內(nèi)容、時(shí)間及場景均契合，那么就被認(rèn)為是相對(duì)積極的，“積極”的含義會(huì)隨著人們對(duì)聲景觀的參與程度而變化，人們對(duì)聲音環(huán)境的感知很大程度上取決于他們所從事活動(dòng)的時(shí)間及作業(yè)狀態(tài)。

本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)測試變量的忍耐極限狀態(tài)進(jìn)行研究，這就意味人們無論對(duì)聲變量還是光變量，在此強(qiáng)度的侵?jǐn)_狀態(tài)下都會(huì)呈現(xiàn)消極的評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人們不會(huì)因兩種消極的忍耐極限疊加而顯著降低對(duì)聲或光的忍耐極限評(píng)價(jià)，即在一種消極因素疊加的情況下不會(huì)顯著惡化對(duì)另一種消極因素的評(píng)價(jià)，相反，如果被試者對(duì)其中一種消極因素的接受度很低，再另一種消極因素疊加后增加忍耐極限的可能性反而會(huì)提高，因此研究假設(shè)不成立。

由于實(shí)驗(yàn)變量數(shù)量及梯度組合量過多(3×8×3×18)，應(yīng)對(duì)這種情況本研究使用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，相比較多因素組合測試的方式，正交實(shí)驗(yàn)法極大的減少了測試變量的組合量。雖然正交實(shí)驗(yàn)對(duì)多因素交互影響相關(guān)評(píng)價(jià)研究具有高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但不能把實(shí)驗(yàn)過程中的因素水平變化所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)與實(shí)驗(yàn)誤差所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)分開來，也無法對(duì)因素影響的重要程度給出精確的定量評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，聲光交互侵?jǐn)_并不會(huì)顯著降低各自的忍耐極限。人們對(duì)聲或光單變量侵?jǐn)_的忍耐極限越低，聲光交互后的忍耐極限會(huì)提高的可能性越高。此外還發(fā)現(xiàn)，影響光侵?jǐn)_的判定因素較為復(fù)雜，即使在相同光侵?jǐn)_條件下，評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)隨評(píng)價(jià)時(shí)間、居住環(huán)境的布置情況及居住者作業(yè)狀態(tài)等因素發(fā)生變化。人們對(duì)不同內(nèi)容的聲侵?jǐn)_忍耐極限差異具有顯著性，即對(duì)交通噪聲的忍耐極限最高，鳥鳴聲的忍耐極限次之，談話言語聲的忍耐極限最低。