一种适用于竹林空间的声景协调度评价模型

洪昕晨， 潘明慧， 袁轶男， 王亚蕾， 吴沙沙， 兰思仁

(1. 福建农林大学 园林学院， 福州 350002； 2. 国家林业局 森林公园工程技术研究中心， 福州 350002)

随着城市生活节奏的愈发加快，城市居民对休憩放松的场所需求也不断增加。森林空间作为具有良好生态环境的半开敞空间，不仅提供了城市居民日常游憩和减缓压力的场所，还提高了人们的生活质量[1]。这些功能离不开园内诸多的森林景观构成要素，而声景作为森林中重要的景观资源之一，时刻影响着空间内使用者的听觉体验。在各类林地类型中，竹林空间的听觉感受古往今来一直被人们所提起[2]，正如王昌龄诗中“闲堂闭空阴，竹林但清响”，以及孟浩然诗中“荷风送香气，竹露滴清响”等，说明竹林空间为人们提供了一处兼有游憩、疗养、避暑等多功能的放松身心的场所。

在声景研究方面，Fastl[3]通过对含语义声音和物理特征相同的无语义声音进行研究，发现人对两者的主观评价存在明显差异；Blesser等[4]通过对声景的心理因素与时空变化进行研究，发现空间不仅能改变声音传播，还能赋予人以对声景的情感与相应的行为意识；Aylor[5]通过对松树的叶声进行研究，表明叶声能提高动物交流中的信号，并且这一特性可以适用于所有其他的植物类型中；Southworth[6]通过对评价因素的相关性研究，表明声景评价的基本要素由声景的语义性和物理属性共同构成；Viollon等[7]通过对声音和图像的组合，在实验室对一组受试者给予照片展示和听觉刺激，进而对城市声景进行评估，结果表明城市化高的视觉环境的声景评价较低；Lercher等[8]对社区声景的研究结果表明社区声景评价越好，住户的声烦恼度就越低；李国棋[9]以主观问卷调查的形式调查了北京望京小区声景的声源权重和好感度；邰惠鑫[10]构建了从城市住区角度出发的声景描述和评价的基本体系，包括了整体舒适性、空间特性、声源特性和动态变化四方面；赵志军等[11]通过比较有无视觉刺激下人耳对声音的主观听感的差别阈限差异，表明视觉刺激越舒适，听感的差别阈限变化越小。这些成果丰富了声景方面的研究，但从结合声景生态学与心理物理学角度构建声景评价模型的研究尚鲜有报道。

因此，本研究以竹林空间中的声景为主要研究对象，并基于声景生态学对地球物理声、生物声和人工声的定义，对三者的协调度进行主观评价，同时测量评价位置的客观物理指标，再根据心理物理学法则对评价数据进行拟合，最后建立了适用于竹林空间的声景协调度评价模型(Coordinating Evaluation of Bamboo Garden Soundscape, CEBGS)。以期在实际应用中通过该模型将竹林空间中的声级数据近似转化为相应的协调度主观评价得分，进而模拟出游客在此时的心理感受状态，为森林公园、自然保护区乃至风景名胜区中的竹林空间建设和提升提供了参考，同时也为今后科学和系统的进行声景研究提供理论依据和有效方法。

1 相关理论与法则

1.1 声景生态学

声景生态学[12]将声景定义为一种能使人产生心理感知的声能量，它由景观中的地球物理声(Geophonies)、生物声(Biophonies)和人工声(Anthrophonies)3种不同的声源叠加影响。

地球物理声指非生物的自然状况(如风、瀑布、降雨和闪电等)所产生的声音，同时也表现为背景声并与其他声音的相互叠加、混合和掩蔽；生物声指生物群体中生物体产生的声音(鸣叫声、交流声、警报声和合唱等)，表现出复杂性和可塑性的特质[13]；人工声指人造设备(如交通工具、钟和广播等)所产生的声音，在声景空间中表现出侵略性和事件性的特征。声景生态学理论认为，地球物理声、生物声和人工声之间的相互作用决定了声景空间中的特殊格局[14]。

1.2 心理物理学

1.2.1 韦伯法则

解剖学和生理学家韦伯(Weber)通过对重量差别阈限的研究，发现受试者的重量变化感受阈值与物体的初始重量成正比关系，即韦伯法则[15]。通过将I代表原来的物理刺激量，将ΔI代表恰好能引起较强感觉的物理刺激增加量，那么韦伯法则(Weber’s Law)就可以用公式k=ΔI/I来表示，其中常数k为韦伯分数。考虑到感受系统的内在噪声I0，后又提出了修正的韦伯法则[16]

(1)

1.2.2 费希纳法则

心理物理学家费希纳(Fechner)通过一个对数函数将物理刺激量I与心理感受量s联系起来，在韦伯法则的基础上建立了心理感受标尺和物理刺激强度标尺之间的转换关系，即费希纳法则(Fechner’s Law)

(2)

式中:Δs为心理感受幅度的等大小增量或最小可觉差；k′为用于正确表示心理感受幅度增量单位的常量。

对式(2)两边同时积分，得到符合费希纳法则的心理感受量为

(3)

式中:a和b为常数。

1.2.3 斯蒂文斯法则

斯蒂文斯(Stevens)通过幅值估计法研究了不同的物理刺激强度与心理感受量之间的关系，并提出了不同于费希纳法则的基于指数的心理感受量的函数表达式，即斯蒂文斯指数法则(Stevens’ Power Law)

s(I)=aIp+b

(4)

式中：a和b为常数；p为由感觉类型和刺激量决定的指数。

1.3 理论模型

基于声景生态学和心理物理学的相关理论，竹林声景协调度评价模型(CEBGS模型)应结合地球物理声、生物声和人工声三者各自的协调度评价模型，则竹林声景协调度的心理感受量sCEBGS与各声元素心理感受量的关系可表示为

sCEBGS(I)=sgeo+sbio+sant

(5)

式中:sgeo、sbio和sant分别为地球物理声、生物声和人工声协调度的主观评价得分;I为听觉物理刺激量。至此，构建本模型的关键在于确定竹林空间中地球物理声、生物声和人工声各自对应的心理物理学法则及相关系数。

2 竹林声景评价实验

2.1 研究区域概况

研究区域位于福建省福州市晋安区新店镇的福州国家森林公园的竹园内，公园东侧以福飞路为界限，西侧延伸至湖顶与叶洋村接壤，南侧为八一水库，与福州动物园相邻，北侧与笔架山毗邻[17]。地理坐标为东经119°16′，北纬 26°07′，属于亚热带海洋性季风气候，年平均降雨量约1 438.5 mm，无霜期328 d，平均风速1.8 m/s，相对湿度75%，平均日照1 848 h[18]。

竹园位于公园入口景观区的中部，面积约15 000 m2，是福州国家森林公园中的精品专类园。园内现有竹类约215种，主要有花竹(Bambusa albo-lineata)、湘妃竹(Phyllostachys bambusoides)、人面竹(Phyllostachys aurea)、紫竹(Phyllostachys nigra)、粉单竹(Bambusa chungii)、佛肚竹(Bambusa ventricosa)、黄金间碧竹(Bambusa vulgaris)等，具有丰富的竹类资源。在竹园研究区域内选择了具有代表性且分布相对均匀的30个调查点，如图1所示。

图1 研究区域位置与30个测点的分布

2.2 评价过程

本研究中的主观评价实验采用语义差异法衡量评价者对竹林空间的声元素协调度评价情况。语义差异法(Semantic Differential Method，SD)是C.E.奥斯顾德于1957年提出的一种心理测定方法，又称感受记录法，即通过言语尺度进行心理感受的测定[19]。通过这种方法，研究者可以将评价者的感受定量化地被记录下来。

首先需要确定与评价模型相关的形容词对，用于表示评价者对所描述对象的心理感受强度，进而得出语义差别量化表，可以更加准确的把握评价者对竹林声景的心理量大小。因此，本研究采取问卷调查的方式，选择了“协调的-失调的”这对形容词作为问卷中的调查内容，用于反映声景的协调程度，包括了声景的响度、尖锐度、粗糙度、起伏度以及音高等协调度衡量因素[20-21]，以度量某一声元素相对于总体声景情况的和谐一致程度。在此基础上，确定主观评价等级为5级[22]，并使用很协调、较协调、一般协调、较失调、很失调来区分，并从左到右分别赋值2、1、0、-1、-2，用于定量分析。

根据GB/T 10220《感官分析方法总论》对评价者人数的规定，从曾参与过声景主观评价实验并对研究区域环境较为熟悉的人员中挑选18位年龄在20～35岁、身体健康、听力正常的人员作为本次实验的评价者，其中男性、女性各9人[23]。为了避免个人因素对评价结果产生的偏差影响，根据GB/T 14195《感官分析：评价员选拔与培训，感官分析优选评价员导则》和GB/T 16291《感官分析：专家的选拔、培训和管理导则》，对18位评价者进行了统一培训，包括调查问卷中的各声景元素(地球物理声、生物声和人工声)的含义、协调度含义和评分方式等[24-25]。调查时间选择非节假日的晴天，让受过培训的18位评价者在图1所示的30个测点进行每次5 min的独立声景协调度主观评价，同时使用I级声级计进行5 min的等效A声级测试。

3 结果与分析

3.1 评价数据分布

3.1.1 地球物理声

从图2可以看出评价者在竹林空间中对地球物理声的心理量分布在区间[-1,2]内。随着客观测得的声压级上升，心理量分布从区间[0,2]内，下降到区间[-1,1]，说明竹林空间下的地球物理声在较安静时可以使评价者产生较好或一般的协调感受，但声压级增大后会产生一定的失调感。主要归因于研究区域内竹子种类繁多，虽然丰富了评价者的听觉感受，但竹林空间中的风吹树叶声和树枝声常作为掩蔽声使评价者难以捕捉鸟鸣声等生物声的声信号。尤其当风速过大时，产生更为显著的掩蔽效应，进而影响了评价者对总体声景的协调感受。

3.1.2 生物声

从图3可以看出评价者在竹林空间中对生物声的心理量总体分布在区间[-1,2]内。随着客观测得的声压级上升，心理量的最大值开始下降而最小值较为稳定，说明竹林空间下的生物声可以使评价者产生较为稳定的协调感受，并且在声压级增大后也不会造成显著的失调感受。主要归因于竹林空间中有着丰富的鸟类和昆虫在此栖息繁衍，进而营造了一种亲近自然的气氛吸引着评价者的注意力并使其感受协调和舒适。

3.1.3 人工声

从图4可以看出评价者在竹林空间中对人工声的心理量分布在[-2,1]区间内。随着客观测得的声压级上升，心理量缓慢下降，说明竹林空间下的人工声会使评价者产生较失调的心理感受。主要归因于人工声具有事件性的特征并与地球物理声和生物声相冲突，进而造成显著的失调感。

图2 地球物理声评价数据分布

图3 生物声评价数据分布

图4 人工声评价数据分布

3.2 声景元素协调度评价的数据拟合

对协调度评价总分的最大值进行归一化处理，并分别采用具有心理物理学意义的费希纳法则式(3)和斯蒂文斯法则式(4)对协调度评价总分归一化值和客观测得的声压级进行数据拟合。

3.2.1 地球物理声协调度评价拟合分析

通过对地球物理声的协调度评价的数据拟合，如图5所示。结果表明式(3)的拟合优度R2值为0.911，式(4)拟合优度R2值为0.906，即地球物理声的协调度评价结果符合上述心理物理学法则，相对更倾向于费希纳法则。说明其具有实际的心理物理学意义，则竹林空间中地球物理声的协调度心理感受量sgeo与客观测得的声压级I的关系可表示为

sgeo(I)=3.78-2.35log(I-14.98)

(6)

图5 地球物理声曲线拟合结果

3.2.2 生物声协调度评价曲线拟合

通过对生物声的协调度评价的数据拟合，如图6所示。结果表明式(3)的拟合优度R2值为0.979，式(4)拟合优度R2值为0.975，即生物声的协调度评价结果符合上述心理物理学法则，相对更倾向于费希纳法则。说明其具有实际的心理物理学意义，则竹林空间中生物声的协调度心理感受量sbio与客观测得的声压级I的关系可表示为

sbio(I)=3.00-1.75log(I-14.34)

(7)

图6 生物声曲线拟合结果

3.2.3 人工声评价拟合分析

通过对生物声的协调度评价的数据拟合，如图7所示。结果表明式(3)的拟合优度R2值为0.962，式(4)拟合优度R2值为0.977，即人工声的协调度评价结果符合上述心理物理学法则，相对更倾向于斯蒂文斯法则。说明其具有实际的心理物理学意义，则竹林空间中人工声的协调度心理感受量sant与客观测得的声压级I的关系可表示为

sant(I)=0.07-5.38I2.64

(8)

图7 人工声曲线拟合结果

3.3 构建竹林声景评价模型

综上，由式(5)～式(8)可以得到适合于竹林空间下的声景协调度评价模型(CEBGS模型)的表达式为

sCEBGS(I)=sgeo+sbio+sant=

5.38I2.64+6.85

(9)

式中：sgeo、sbio和sant分别为地球物理声、生物声和人工声协调度的主观评价得分归一化值；I为客观测得的声压级。在实际应用中，通过CEBGS模型可将竹林空间中的声压级数据近似转化为相应的声景协调度主观评价得分，进而模拟出游客在此时的心理感受状态，为森林公园、自然保护区乃至风景名胜区中的竹林空间建设和开发提供了参考依据。

4 结 论

古人常以“林海松涛”“落木萧萧”“林籁泉韵”等景观艺术形态来描绘森林空间中声景独特的听觉体验。竹林作为森林中重要的景观资源，为人们提供了一处放松身心的场所。本研究通过声景生态学和心理物理学相关理论构建了一种适用于竹林空间的声景协调度评价模型(CEBGS模型)，分析了影响竹林声景协调性评价的地球物理声、生物声和人工声三者各自对应的物理量和心理量之间的协调关系。得出的主要结论有：

(1) 地球物理声在较安静时可以使评价者产生较好或一般的协调感受，但声压级增大后会产生一定的失调感，主要归因于研究区域内竹子种类繁多，进而了丰富了评价者的听觉感受，但在声压级较大时易产生掩蔽效应。

(2) 生物声能使评价者产生较为稳定的协调感受，并且在声压级增大后也不会造成显著的失调感受，主要归因于竹林空间中有着丰富的鸟类和昆虫在此栖息繁衍。

(3) 人工声会使评价者产生较失调的心理感受，主要归因于人工声具有事件性的特征，并与地球物理声和生物声相冲突。

(4) 地球物理声、生物声和人工声的协调度评价数据拟合趋势符合心理物理学法则，其中地球物理声和生物声相对倾向于费希纳法则，而人工声倾向于斯蒂文斯法则。

(5) 最后综合竹林空间中的地球物理声、生物声和人工声的协调度评价模型得到竹林声景协调度评价模型(CEBGS模型)。

声景的量化评价是今后景观规划和开发的应用趋势，声景生态学和心理物理学的相关理论能巧妙的将声景的诸多要素进行分类和定性定量分析，本研究充实了声景评价的理论基础，以期为深入和全面的声景观资源管理提供有效方法，同时为建设声景优美、全方位适宜的人居环境做出新的贡献。

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