泄水聲景的美化分析

范建強，陳晉琪，李鳳濱

(福建水利電力職業技術學院，福建 永安 366000)

如今，人們對景觀的美好追求日趨增長，這是當下工程規劃與建設階段不可忽視的因素。景觀工程涉及的領域眾多，如河流景觀[1-3]、濕地景觀[4]、建筑景觀[5]等。工程景觀設計不只是自然、生態、技術的綜合，同時也體現在其與人文、心理等交叉融合。聲景也屬于景觀設計的領域，它包含了聲音品質及聽眾的心理反饋兩方面，自2004年引入中國以來，便得到了極大的推廣。目前國內聲景多見于公園與交通聲景[6-7]，水利工程泄水聲景研究較少。作為城市旅游熱點區域的濱水河道，其泄水聲景美化與工程規劃建設、游憩民眾密切相關，探討其美化思路對濱河水利的規劃建設、提升民眾環境體驗質量等皆具有重要意義。

1 泄水聲景的美化思路

聲音是聲景研究的重要組成部分，是聲景量化、提升研究的基礎。一般認為，可以使用響度(振幅)、音調(頻率)、音色3個指標來研究聲音。其中，響度大小表征聲音的強弱，音調側重聲音音調的高低、粗細、清脆程度，音色與發聲的材質有關。普遍認為人耳所能聽到的聲音是由多種不同振幅、頻率的純音疊加而成，從這一角度上考慮，泄水聲景也可以通過聲音響度、頻譜監測來進行量化分析。由于天然泄水水體接觸邊界相對固定，泄水聲景的音色分析暫不在本文展開。

2 泄水聲音響度特性及分析

聲音響度是衡量聲音強弱的重要指標，響度值的大小與環境質量密切相關。針對環境噪音的標準眾多，常見的有GB 22337—2008《社會生活噪音排放標準》、GB 3096—2008《聲環境質量標準》、《工業企業噪音衛生標準》、國際化標準組織ISO推薦的基數、美國環境保護局(EPA)標準等。泄水響度與環境密切相關，其響度調控應嚴格執行參照以上標準執行。

泄水響度的影響因子很多，比如傳聲的環境氣候條件、傳播方向、聽者距離、是否受阻隔等，其中影響泄水最主要的水力指標為泄水流量、跌水高度。結合巴溪河段3處泄水顯著異響斷面進行聲音測量，斷面特征如下：

異響斷面1：斜坡跌水，坡度約30°，跌水高度為1.2m；

異響河段2：長陡坡泄水，坡度約5°，跌水長度為10m；

異常斷面3：垂向高跌水(橡膠壩)，坡度約90°，跌水高度2.65m。

以上斷面之間無明顯的水流流入流出，聲音測量過程擯棄了周邊環境、氣候干擾；聲音測點布設在泄水斷面左岸、長陡坡的中間位置；響度測值單位為聲壓級分貝值(dB)。

如圖1所示，在18～30m3/s泄水流量區間內，3個斷面泄水響度均隨流量Q增加而增加；在同一泄水流量下，泄水響度值大小關系為高跌水>斜坡>長陡坡。

圖1 不同泄水流量與泄水響度關系散點圖

因而，跌水落差、流量均可視為泄水響度的影響因子，但這兩種因素對響度的影響程度是不同的，分析方法如下：

3 泄水聲音頻譜分析

除了響度之外，聲音的品質衡量也可以從突出率、粗糙度、尖銳度等指標進行衡量，而這些指標與聲音頻譜密切相關。

泄水聲音的頻譜常見兩種類型：一種是頻譜相對穩定的穩態頻譜圖，一種是動態頻譜圖。當水流流態相對穩定，即水流受邊界影響較小時，大多呈現固定頻譜，當水流流態極度不穩定或邊界異常復雜時，頻譜動態實時變動，此時呈現的為動態頻譜。

3.1 穩態頻譜圖工況

選擇巴溪河段長陡坡泄水、高跌水兩種工況，流量測值約為20m3/s，同時選取背景環境音頻譜，可以得到如圖2所示不同的穩態頻譜圖。

圖2 不同泄水工況下的頻譜對比圖

需要說明一點，由于水流時刻處于流動狀態，完全穩態的頻譜是不存在的，但是當組成聲音的各純音的振幅波動幅度較小，且在采集周期內相對穩定，可做均值化處理，亦可視為穩態。由圖2對比可知，響度越大，各頻率振幅差別越大。

3.1.1跌水穩態頻譜圖

跌水是指具有一定跌落高度、跌落角度近似垂直的工況，常見壩體溢流泄水。巴溪河測驗河段有橡膠壩、砌石壩兩種常見的跌水水工，其中橡膠壩的跌水高度是可變的，視水情人為控制，砌石壩有固定的跌水高度。通過多次測驗，繪制得到多個跌水工況下的頻譜圖(如圖3所示)，圖中Leq(C)為C計權下的等效聲級強度值。

圖3 巴溪河段跌水泄水聲音頻譜

由圖3可知，這兩處跌水水工的聲音頻譜趨勢大致相同，中高頻段(250～8000Hz)振幅較大。同時結合問卷調查表明，圖示4種跌水工況Leq(C)=70dB聲景相對較優，且分貝值越高跌水水工越嘈雜，評分越低。

3.1.2陡坡泄水穩態頻譜圖

陡坡泄水是指具有一定坡角或比降的泄水，通常坡角較小，泄水距離較長，聲音測驗選擇河段居中位置。測驗數據表明，巴溪河河段跌水頻譜圖與陡坡頻譜圖是不同的，存在著較為明顯差異，如圖4所示。

圖4 巴溪河段陡坡泄水頻譜

由圖4可知，陡坡泄水的聲級強度值Leq(C)介于61～67dB區間，高出測音背景8～14dB，可忽略環境對泄水音頻干擾，同時相比跌水工況，陡坡泄水響度有所減小；陡坡泄水頻譜在低頻區間31～125Hz范圍有所交叉，且在其他頻段的振幅差異并不明顯。

根據聲景問卷測驗，民眾對陡坡泄水比跌水具有更高的喜歡程度，跌水工況下，只有當跌水高度小于某值時，才會為民眾認可，而陡坡泄水的工況認可度很高，各陡坡泄水聲景得分接近，甚至難以區分最佳陡坡泄水頻譜。

3.2 動態頻譜工況

相比穩態頻譜工況，若水流連續性出現較大變化、或邊界的復雜程度較高，使得聲音監測出現偶發性、間斷性的變化，此時泄水頻譜則呈現動態變化。

動態變化頻譜圖是不能做均化平衡處理的，由于其展現出的聲景復雜性，豐富化，量化分析研究要求更高。動態頻譜像是跳動的音樂節奏，其探討應更具細致化，對問卷的要求也會更高。

4 結論

泄水聲景的優化設計可以從響度、頻譜兩個角度進行展開，本文通過對巴溪河段的跌水、陡坡的聲景展開系列調研和分析，得到結論如下：

(1)響度既是泄水聲景的美化指標，又受環境要素制約，其優化設計宜重點參照環境噪音規范。

(2)跌水落差、泄水流量為影響響度的兩個重要水力指標，相比泄水流量，跌水落差對響度的影響更為明顯，可優先作為響度控制的指標。

(3)跌水與陡坡泄水的頻譜圖是不同的，跌水頻譜圖形態相似程度較高，且等效聲級強度Leq(C)值越低的頻譜，更能為聽眾接受，更符合美化標準；陡坡泄水的頻譜圖在低頻段有交叉，相比之下，陡坡泄水普遍為民眾接受。