翠湖公園聲景聲學特征與聲景感知相關性研究

田麗麗，劉娟娟

(西南林業大學 園林園藝學院，云南 昆明 650224)

1 引言

城市公園是重要的城市公共空間，給人們提供了一個宜人的城市環境，促進了人們健康的城市生活和公共福利[1]。由于城市環境噪聲對城市居民的負面影響，因此聲音已經成為城市設計[2]的關鍵因素。在這種背景下，側重于人類對環境聲音的感知的聲景概念出現了。1976年，加拿大作曲家R. Murray Schafer教授在《世界的音調》(The Tuning of the World)一書中首次提出聲景(soundscape)的概念[3]。2014年，國際標準化組織(ISO)將聲景觀定義為“特定場景下，個人或群體所感知、體驗及(或)理解的聲環境”[4]，包含聲音要素、環境要素和人要素。

聲音的物理屬性包括響度、頻率和音色。大多數學者研究城市公園的聲景，主要關注聲音的響度即聲壓級[5]，忽略了聲音的其他聲音物理屬性的研究(如頻率等)。本文將聲音的聲壓級和頻率作為研究的客觀物理量，探討其內在規律。在以往基于頻譜分析的研究中，范圍大多是生物多樣性的監測[6]、電子技術[7]、機械[8]等，但使用聲音頻譜來分析城市公園的聲音仍缺乏研究。因此，本文通過聲音的時域信息的聲譜圖，可反映出不同聲源的頻率有所不同，同時也影響著人們對聲景的感知。

除了聲音的物理屬性外，聲環境的聲景感知也非常重要。聲景感知不僅受聲壓級和頻率的影響，而聲音的聲源類型也很重要[9]。Liu等[10]，研究發現在城市公園中，鳥鳴聲、噴泉和瀑布聲可以消除不愉快的噪音。Axelsson等[11]，研究發現鳥鳴聲和昆蟲聲在所有聲源中最受歡迎，而交通聲和施工聲最不受歡迎。

雖然城市公園的聲景受到了許多學者關注，但分析聲音的頻率特征以及與聲景感知結合仍缺乏研究。因此，本文以昆明市翠湖公園為研究對象，通過聲漫步實驗實地測量公園的聲壓級和頻率以及采集聲音音頻為客觀物理量，并使用問卷調查為主觀聲景感知數據。以“聲音—人—環境”為感知機制，探究翠湖公園聲景聲學特征與聲景感知的關系，其中景觀要素、聲源類型都是重要的影響因素。最后揭示聲學特征與聲景感知、聲源類型、景觀要素的內在聯系，以期為城市公園的聲景優化提供數據支撐。

2 研究地概況與研究方法

2.1 公園選擇

翠湖公園，位于云南省昆明市五華區，總面積約21.6 hm2，該公園歷史悠久，原名“菜海子”，始建于元朝末期，曾是滇池中的一個湖灣，后來因水位下降而成為一汪清湖，民國初年改辟為園，后定名為翠湖，享有"城中之玉"的美稱。

通過調研公園的景觀要素包括植被、水體、廣場、道路等，其中自然聲、生活聲、機械聲是翠湖公園主要的3類聲源(表1)。該公園人流量大、環境嘈雜，具有一定的代表性和典型性。

表1 翠湖公園聲源構成

2.2 數據采集方法

2.2.1 聲漫步

ISO 12913-2中提出，聲漫步是一種獲得人類感覺、反應和結果的方法[12]，同時也是環境聲學研究的重要方法[13]，通過聲漫步使調查者專注于聲音的構成，同時可以獲得人們的主觀感知和客觀數據。因此，本研究采用該實驗方法對翠湖公園進行聲景的主客觀評價。

在公園內根據聲源特征，選取了分布相對均勻的 10 個聲漫步測點(圖1)。聲漫步的時間和測量時間為2022年5月10～12日選擇在早上9:30～11:30，下午17:30～19:30，每個測量點使用AWA6228+多功能聲級計進行聲壓級和頻率測量以及采集聲音音頻，每次測量和采集時長均為3 min，實驗共收集20個音頻。同時邀請了20名被試者在10個節點中按數字從小到大的序號進行聲漫步，每個節點停留3 min，使用制定的問卷調查(使用ISO 12913-2問卷中的方法A)，其中20名被試者均為風景園林專業的學生(10名男性和10名女性)，年齡23～26歲，了解基本的聲學及景觀知識，且聽力正常。在實驗開始之前，需要對全部被試者們進行聲漫步的調查步驟以及評價方式的培訓。

圖1 公園聲漫步節點分布(作者自繪)

2.3 數據處理與分析

2.3.1 聲音處理

將收錄的聲漫步節點的20個音頻數據導入聲音處理軟件Adobe Audition，自動生成聲音信號的波形圖以及聲譜圖，并截取3 min的音頻進行分析(圖2)。將采樣率設置為44100 Hz，數據分辨率24bit，立體聲采用，WAV為采集的音頻格式。

2.3.2 聲學鑒定分析

聲音語譜圖是一種描述聲音時間-頻率-能量譜密度變化的圖像，是聲音分析的重要方法[14]。聲譜圖具有可識別性，可以通過提取時頻譜圖像的相關特征，比如輪廓、紋理特征、顏色矩等不同聲音的聲譜圖特征存在差異性[15]，從而實現對不同聲音事件的分類與識別。

本次實驗的聲音樣本都是公園中典型的聲源，如表2所示，考慮了日常生活中聲音場景中最常聽到的聲音源，即自然聲、生活聲、人工聲。本次實驗為3 min音頻樣本，將每一次聲學信號出現至發聲結束稱為一次發聲事件。在對音頻進行分類統計時，一段音頻中可能有不同種類的聲源互相重疊，如圖2所示。

2.3.2 公園聲景感知分析

要求被試者在9:30～11:30、17:30～19:30兩個時間段對每個漫步點填寫調查問卷評分(ISO 12913-2方法A)。為統計方便，將問卷結果根據5級李克特評分量表進行賦值(例如：1=非常不喜歡/強烈不同意/從未；2=不喜歡/不同意/偶爾；3=適中/一般；4=喜歡/同意/頻繁；5=非常喜歡/非常同意/一直存在)，采用Excel和SPSS24.0進行數據統計與處理，主要對客觀聲壓級和頻率與主觀感知數據進行皮爾遜相(Pearson)相關性分析。

3 結果

3.1 公園聲景聲學特征

3.1.1 聲壓級特征

表2所示，9:30～11:30聲壓級較高的是節點1、2、3、6、8、9，分別為 61.1 dB、60.6 dB、66.2 dB、59.0 dB、58.4 dB、60.4dB，其中測點1位于開敞的公園入口且緊鄰城市道路，交通產生的噪聲較大，其次是設備聲和說話聲；節點2、3、6、9分別位于半開敞的樹陣廣場、兒童娛樂區、文化墻周邊以及公園內主道路，人流量均較大，以設備聲、說話聲、娛樂設施聲為主導音，因此這些節點聲壓級偏高。聲壓級較低的是節點4和7，分別為 46.8 dB、48.3 dB，節點4和7人流量少，較為安靜，以樹葉聲、鳥鳴聲、昆蟲叫等為主，空間類型分別為垂直空間和封閉空間，有利于形成屏障，可阻擋外界不理想噪聲的介入。17:30～19:30這個時間段，除了節點1，其余節點聲壓級均比早上低。其中節點2和6與早上相比分別下降了9.8 dB和7.8 dB，這是由于減少了大量廣場舞設備聲、施工聲和說話聲，顯而易見，減少設備聲和施工聲能顯著降低聲壓級。綜上可得，聲壓級的大小與聲源類型、景觀要素及空間類型有關。

表2 聲漫步節點景觀要素、空間類型與聲壓級

3.1.2 頻率特征

聲音頻率可劃分為高頻、中頻和低頻，不同的聲源其聲音頻率分布區間及聲學特征也不同。人耳能聽到的聲音頻率為20～20kHz。用生物頻譜、地球頻譜、人類頻譜來分析聲景，其劃分的物理機理是頻率特征分布的差異[16]。通過Adobe Audition對采集的音頻文件進行分析，將聲音按聲學特征分為離散型和連續型。離散型是指完成一次聲音事件的時間較短且不連續發生，但可以成組反復發生；連續型是指一件聲音事件持續發生或連續發生，但不成組發生[17]。

由圖2所示，從整體的波形圖和聲譜圖分析，當能量波形圖變化越明顯，聲譜圖的顏色越亮越強烈；反之顏色越淡。從聲音的聲學特征分類角度分析，其中2-1、2-7、2-8、2-9、2-11、2-14、2-17和2-20均為離散型；連續型有2-2、2-3、2-13、2-15、2-16、2-18和2-19，其余無明顯特征。從不同聲源頻率分析，2-7是鳥鳴聲為主，可以看出聲音頻率集中在中頻4k～6kHz區間，該節點有層次豐富的喬灌草、長廊、道路和景觀空間較為封閉的景觀，為鳥類提供了良好的棲息地。2-15、2-16、2-18是水聲為主，頻率主要集中在低頻700～800Hz區間；以交通汽笛聲為主的2-1、2-11其頻率分布在200～4kHz，該節點位于公園入口靠近城市道路；以昆蟲叫聲為主的2-14其頻率分布在4k～5kHz區間。2-2、2-3、2-8、2-9、2-13、2-19、2-20是以說話聲、小孩嬉戲聲、設備聲為主的頻譜圖，其頻率集中在300～800Hz，這些節點位于廣場和建筑集中的地方，人流量較大。

圖2 10個聲漫步點的 9:30～11:30、17:30～19:30波形圖和聲譜

3.2 公園聲景感知

3.2.1 聲源類型與喜好度感知

由圖3所示，從聲源類型來看，自然聲、生活聲和機械聲的評分均值分別為4.08、2.72和1.63，自然聲評分顯著高于自然聲和機械聲評分。在所有聲音種類中，顯而易見，鳥鳴聲是喜好度評分均值最高為4.56，其次是水聲、樹葉聲等，喜好度評分均值最低的是機械施工聲為1.16。

圖3 各聲源類型喜好度評分

3.2.2 感知情感質量

根據ISO 1291-3中附件A.3提供了計算感知情感質量的方法及公式[18]，該方法已經有學者在聲景研究中使用[19]。通過8個維度衡量人們對聲景的感知，根據感知平均分結果繪制出情感質量的二維模型圖，圖中的散點代表每個節點(圖4)。

由圖4所示，從整體來看，只有節點1、9在兩個時間段均為煩人和混亂，其余節點均為愉悅和充滿活力或平靜的。這是由于節點1、9分別位于公園主入口和公園游客中心，人流量較為集中，以說話聲、設備聲、交通聲、機械施工聲為主且聲壓級均偏高，因此，引起了人們較為負面的情感感知。結果發現，而其余節點均引起人們正面的情感感知由以下幾點因素影響：

(1)良好的視覺體驗顯著影響人們的主觀感知。節點6盡管聲壓級偏高為59.0 dB、聲譜圖上能量顏色較亮，但結果顯示為一個充滿活力和愉快的聲音景觀，該節點景觀優美、植被層次豐富，由此可見，優美的視覺環境對人們的主觀情感感知有積極的影響；節點5也是類似的情況。

(2)聲源類型和聲譜類型的不同會影響人們的感知結果。節點3從聲源類型的角度分析，早上是以大量設備聲、娛樂設施聲、小孩嬉戲聲和說話聲為主，而下午減少了大量設備聲和說話聲，增加了鳥鳴聲；因此，在下午該節點結果顯示引起人們愉悅和有活力的感知。其中節點8，由圖2顯示，從聲譜類型的角度來看，早上以說話聲為主的離散型聲譜圖，顏色偏亮且能量偏高；下午是以水聲為主的連續型聲譜圖，顏色統一且連續，能量變化偏低。由此可見，與說話聲相比水聲更能使人們的情感感知到平靜和愉悅。

圖4 10個聲漫步點的 9:30～11:30、17:30～19:3的聲景感知情感質量二維模型

3.3 聲學特征與聲景感知

通過對聲漫步實驗所獲得的主觀感知平均值數據與客觀聲壓級、頻率數據進行皮爾遜(Pearson)相關分析，得出聲壓級、頻率與8個感知情感維度和聲源類型之間的相關性分析結果如表 3 所示。其中，聲壓級與愉快的(-0.750**)、平靜的(-0.821**)和自然聲感知程度(-0.769**)呈顯著負相關；與無事件感的(0.683**)、討厭的(0.847**)、生活聲感知程度(0.868**)和機械聲感知程度(0.852**)呈顯著正相關。頻率與無事件感的(0.697*)呈顯著正相關；與討厭的(-0.709*)、生活聲感知程度(-0.740*)和機械聲感知程度(-0.668*)呈顯著負相關，由此可得，當聲音頻率越高，討厭的情感反應越低；而其他感知維度與頻率沒有表現出相關性，說明與聲壓級相比，頻率不容易被人們所感知到。

由此可知，當生活聲和機械聲的出現越頻繁，即聲壓級變高，會減少人們對自然聲的感知程度，說明公園中的自然聲容易受到人們活動聲以及外界的機械聲干擾，同時還會引起人們煩人和混亂的情感反應。反之，則減少人們對生活聲和機械聲的感知程度，引起人們愉快和平靜的情感反應。

表3 聲壓級、頻率與8個感知情感維度、聲源類型感知的相關性

4 結論與討論

研究以昆明翠湖公園為例，基于“人—聲音—環境”的感知機制，通過前期調研和聲漫步實驗，獲取客觀數據即聲壓級和頻率以及主觀感知數據，主觀感知通過感知情感質量的二維模型可視化的展現出人們的心理指標，最后將主客觀數據之間進行相關性分析。得出了聲壓級、頻率與主觀聲景感知的關系，以及聲源類型、景觀要素是重要的影響因素。得到的主要結論有以下3點。

4.1 聲壓級的大小受聲源類型、景觀要素及空間類型的影響

聲壓級與自然聲感知程度呈顯著負相關，與生活聲感知和機械聲感知程度呈顯著正相關(P<0.01)。由此說明，在公園當人們的活動聲以及外界的機械聲越大時，聲壓級也隨之增高。有研究表明，利用景觀要素可降低一定的聲壓級，例如，在北京奧林匹克森林公園中，利用起伏的地形來隔離噪聲。在本研究中節點7則是如此，利用植被層次豐富且較為封閉的空間，對聲波進行吸收、反射等一系列物理反應來降低噪聲從而提升聲景質量。

4.2 聲音的頻率分布以及分類受不同聲音類型和聲壓級的影響

將聲音按聲學特征可分為連續型聲音有6種(說話聲、水聲、設備聲、施工聲、娛樂設施聲、風吹樹葉聲)和離散型聲音有6種(交通汽笛聲、鳥鳴聲、小孩嬉戲聲、腳步聲、昆蟲叫聲、鵝叫聲)。翠湖公園各類聲音主要分布在200～6 kHz區間。其中鳥鳴聲和昆蟲叫聲頻率分布較高4k～6 kHz，而設備聲、說話聲以及施工聲分布較低300～800 kHz。同時研究發現，聲壓級大小也會影響聲譜圖，響度(聲壓級)與振幅有關，振幅越大，響度越大；反之，越小。而振幅決定能量的大小，能量越大波形變化幅度越明顯，能量越小波形變化幅度越弱。聲譜圖的顏色亮與淺的變化隨能量大小而變化，聲音的能量越高，在聲譜圖上的顏色也越亮，反之越淺。

4.3 聲壓級、頻率影響人們的主觀聲景感知

本研究基于8個維度的情感質量來衡量人們的主觀感知，研究發現，聲壓級影響聲景感知。聲壓級與愉快的、平靜的和自然聲感知程度呈顯著負相關(P<0.01)；與無事件感的、討厭的、生活聲和機械聲感知程度呈顯著正相關(P<0.01)。一般聲壓級偏高的節點，會引起人們的混亂且不悅的情感反應。但視覺景觀也會影響聲景的主觀感知，如節點2、6、8即使聲壓級偏高，但在感知情感質量的結果中仍顯示出愉悅和有活力的，是因為良好的視覺景觀可掩蔽令人不悅的聲音(設備聲、交通聲等)對人們感知的影響。頻率和不同聲源類型影響聲景感知。頻率與討厭的呈顯著負相關(P<0.05)，由此說明，鳥鳴聲的頻率即使較高，但仍是人們喜好度評價最高的一類聲音，因為它能夠喚起人們平靜的和愉悅的情感反應；然而喜好度偏低的是說話聲、設備聲和施工聲，其頻率較低，會引起人們消極的情感反應。根據此結果，在節點1公園入口引入自然聲可遮蔽不理想的交通或施工噪聲，如播放昆蟲鳴叫或流水的錄音。

除上述結論外，本研究在一定程度上為城市公園聲景研究提供了新的思路，從聲音頻率的角度來研究，今后還可以涉及聲音的音色。未來可在測量時間上增加不同的季節進行對比，同時考慮更多不同人群以及其社會屬性對聲景感知的影響，以更加全面地了解城市公園的聲景，以期為城市公園改善聲環境提供數據支撐。