翠湖公园声景声学特征与声景感知相关性研究

田丽丽，刘娟娟

(西南林业大学 园林园艺学院，云南 昆明 650224)

1 引言

城市公园是重要的城市公共空间，给人们提供了一个宜人的城市环境，促进了人们健康的城市生活和公共福利[1]。由于城市环境噪声对城市居民的负面影响，因此声音已经成为城市设计[2]的关键因素。在这种背景下，侧重于人类对环境声音的感知的声景概念出现了。1976年，加拿大作曲家R. Murray Schafer教授在《世界的音调》(The Tuning of the World)一书中首次提出声景(soundscape)的概念[3]。2014年，国际标准化组织(ISO)将声景观定义为“特定场景下，个人或群体所感知、体验及(或)理解的声环境”[4]，包含声音要素、环境要素和人要素。

声音的物理属性包括响度、频率和音色。大多数学者研究城市公园的声景，主要关注声音的响度即声压级[5]，忽略了声音的其他声音物理属性的研究(如频率等)。本文将声音的声压级和频率作为研究的客观物理量，探讨其内在规律。在以往基于频谱分析的研究中，范围大多是生物多样性的监测[6]、电子技术[7]、机械[8]等，但使用声音频谱来分析城市公园的声音仍缺乏研究。因此，本文通过声音的时域信息的声谱图，可反映出不同声源的频率有所不同，同时也影响着人们对声景的感知。

除了声音的物理属性外，声环境的声景感知也非常重要。声景感知不仅受声压级和频率的影响，而声音的声源类型也很重要[9]。Liu等[10]，研究发现在城市公园中，鸟鸣声、喷泉和瀑布声可以消除不愉快的噪音。Axelsson等[11]，研究发现鸟鸣声和昆虫声在所有声源中最受欢迎，而交通声和施工声最不受欢迎。

虽然城市公园的声景受到了许多学者关注，但分析声音的频率特征以及与声景感知结合仍缺乏研究。因此，本文以昆明市翠湖公园为研究对象，通过声漫步实验实地测量公园的声压级和频率以及采集声音音频为客观物理量，并使用问卷调查为主观声景感知数据。以“声音—人—环境”为感知机制，探究翠湖公园声景声学特征与声景感知的关系，其中景观要素、声源类型都是重要的影响因素。最后揭示声学特征与声景感知、声源类型、景观要素的内在联系，以期为城市公园的声景优化提供数据支撑。

2 研究地概况与研究方法

2.1 公园选择

翠湖公园，位于云南省昆明市五华区，总面积约21.6 hm2，该公园历史悠久，原名“菜海子”，始建于元朝末期，曾是滇池中的一个湖湾，后来因水位下降而成为一汪清湖，民国初年改辟为园，后定名为翠湖，享有"城中之玉"的美称。

通过调研公园的景观要素包括植被、水体、广场、道路等，其中自然声、生活声、机械声是翠湖公园主要的3类声源(表1)。该公园人流量大、环境嘈杂，具有一定的代表性和典型性。

表1 翠湖公园声源构成

2.2 数据采集方法

2.2.1 声漫步

ISO 12913-2中提出，声漫步是一种获得人类感觉、反应和结果的方法[12]，同时也是环境声学研究的重要方法[13]，通过声漫步使调查者专注于声音的构成，同时可以获得人们的主观感知和客观数据。因此，本研究采用该实验方法对翠湖公园进行声景的主客观评价。

在公园内根据声源特征，选取了分布相对均匀的 10 个声漫步测点(图1)。声漫步的时间和测量时间为2022年5月10～12日选择在早上9:30～11:30，下午17:30～19:30，每个测量点使用AWA6228+多功能声级计进行声压级和频率测量以及采集声音音频，每次测量和采集时长均为3 min，实验共收集20个音频。同时邀请了20名被试者在10个节点中按数字从小到大的序号进行声漫步，每个节点停留3 min，使用制定的问卷调查(使用ISO 12913-2问卷中的方法A)，其中20名被试者均为风景园林专业的学生(10名男性和10名女性)，年龄23～26岁，了解基本的声学及景观知识，且听力正常。在实验开始之前，需要对全部被试者们进行声漫步的调查步骤以及评价方式的培训。

图1 公园声漫步节点分布(作者自绘)

2.3 数据处理与分析

2.3.1 声音处理

将收录的声漫步节点的20个音频数据导入声音处理软件Adobe Audition，自动生成声音信号的波形图以及声谱图，并截取3 min的音频进行分析(图2)。将采样率设置为44100 Hz，数据分辨率24bit，立体声采用，WAV为采集的音频格式。

2.3.2 声学鉴定分析

声音语谱图是一种描述声音时间-频率-能量谱密度变化的图像，是声音分析的重要方法[14]。声谱图具有可识别性，可以通过提取时频谱图像的相关特征，比如轮廓、纹理特征、颜色矩等不同声音的声谱图特征存在差异性[15]，从而实现对不同声音事件的分类与识别。

本次实验的声音样本都是公园中典型的声源，如表2所示，考虑了日常生活中声音场景中最常听到的声音源，即自然声、生活声、人工声。本次实验为3 min音频样本，将每一次声学信号出现至发声结束称为一次发声事件。在对音频进行分类统计时，一段音频中可能有不同种类的声源互相重叠，如图2所示。

2.3.2 公园声景感知分析

要求被试者在9:30～11:30、17:30～19:30两个时间段对每个漫步点填写调查问卷评分(ISO 12913-2方法A)。为统计方便，将问卷结果根据5级李克特评分量表进行赋值(例如：1=非常不喜欢/强烈不同意/从未；2=不喜欢/不同意/偶尔；3=适中/一般；4=喜欢/同意/频繁；5=非常喜欢/非常同意/一直存在)，采用Excel和SPSS24.0进行数据统计与处理，主要对客观声压级和频率与主观感知数据进行皮尔逊相(Pearson)相关性分析。

3 结果

3.1 公园声景声学特征

3.1.1 声压级特征

表2所示，9:30～11:30声压级较高的是节点1、2、3、6、8、9，分别为 61.1 dB、60.6 dB、66.2 dB、59.0 dB、58.4 dB、60.4dB，其中测点1位于开敞的公园入口且紧邻城市道路，交通产生的噪声较大，其次是设备声和说话声；节点2、3、6、9分别位于半开敞的树阵广场、儿童娱乐区、文化墙周边以及公园内主道路，人流量均较大，以设备声、说话声、娱乐设施声为主导音，因此这些节点声压级偏高。声压级较低的是节点4和7，分别为 46.8 dB、48.3 dB，节点4和7人流量少，较为安静，以树叶声、鸟鸣声、昆虫叫等为主，空间类型分别为垂直空间和封闭空间，有利于形成屏障，可阻挡外界不理想噪声的介入。17:30～19:30这个时间段，除了节点1，其余节点声压级均比早上低。其中节点2和6与早上相比分别下降了9.8 dB和7.8 dB，这是由于减少了大量广场舞设备声、施工声和说话声，显而易见，减少设备声和施工声能显著降低声压级。综上可得，声压级的大小与声源类型、景观要素及空间类型有关。

表2 声漫步节点景观要素、空间类型与声压级

3.1.2 频率特征

声音频率可划分为高频、中频和低频，不同的声源其声音频率分布区间及声学特征也不同。人耳能听到的声音频率为20～20kHz。用生物频谱、地球频谱、人类频谱来分析声景，其划分的物理机理是频率特征分布的差异[16]。通过Adobe Audition对采集的音频文件进行分析，将声音按声学特征分为离散型和连续型。离散型是指完成一次声音事件的时间较短且不连续发生，但可以成组反复发生；连续型是指一件声音事件持续发生或连续发生，但不成组发生[17]。

由图2所示，从整体的波形图和声谱图分析，当能量波形图变化越明显，声谱图的颜色越亮越强烈；反之颜色越淡。从声音的声学特征分类角度分析，其中2-1、2-7、2-8、2-9、2-11、2-14、2-17和2-20均为离散型；连续型有2-2、2-3、2-13、2-15、2-16、2-18和2-19，其余无明显特征。从不同声源频率分析，2-7是鸟鸣声为主，可以看出声音频率集中在中频4k～6kHz区间，该节点有层次丰富的乔灌草、长廊、道路和景观空间较为封闭的景观，为鸟类提供了良好的栖息地。2-15、2-16、2-18是水声为主，频率主要集中在低频700～800Hz区间；以交通汽笛声为主的2-1、2-11其频率分布在200～4kHz，该节点位于公园入口靠近城市道路；以昆虫叫声为主的2-14其频率分布在4k～5kHz区间。2-2、2-3、2-8、2-9、2-13、2-19、2-20是以说话声、小孩嬉戏声、设备声为主的频谱图，其频率集中在300～800Hz，这些节点位于广场和建筑集中的地方，人流量较大。

图2 10个声漫步点的 9:30～11:30、17:30～19:30波形图和声谱

3.2 公园声景感知

3.2.1 声源类型与喜好度感知

由图3所示，从声源类型来看，自然声、生活声和机械声的评分均值分别为4.08、2.72和1.63，自然声评分显著高于自然声和机械声评分。在所有声音种类中，显而易见，鸟鸣声是喜好度评分均值最高为4.56，其次是水声、树叶声等，喜好度评分均值最低的是机械施工声为1.16。

图3 各声源类型喜好度评分

3.2.2 感知情感质量

根据ISO 1291-3中附件A.3提供了计算感知情感质量的方法及公式[18]，该方法已经有学者在声景研究中使用[19]。通过8个维度衡量人们对声景的感知，根据感知平均分结果绘制出情感质量的二维模型图，图中的散点代表每个节点(图4)。

由图4所示，从整体来看，只有节点1、9在两个时间段均为烦人和混乱，其余节点均为愉悦和充满活力或平静的。这是由于节点1、9分别位于公园主入口和公园游客中心，人流量较为集中，以说话声、设备声、交通声、机械施工声为主且声压级均偏高，因此，引起了人们较为负面的情感感知。结果发现，而其余节点均引起人们正面的情感感知由以下几点因素影响：

(1)良好的视觉体验显著影响人们的主观感知。节点6尽管声压级偏高为59.0 dB、声谱图上能量颜色较亮，但结果显示为一个充满活力和愉快的声音景观，该节点景观优美、植被层次丰富，由此可见，优美的视觉环境对人们的主观情感感知有积极的影响；节点5也是类似的情况。

(2)声源类型和声谱类型的不同会影响人们的感知结果。节点3从声源类型的角度分析，早上是以大量设备声、娱乐设施声、小孩嬉戏声和说话声为主，而下午减少了大量设备声和说话声，增加了鸟鸣声；因此，在下午该节点结果显示引起人们愉悦和有活力的感知。其中节点8，由图2显示，从声谱类型的角度来看，早上以说话声为主的离散型声谱图，颜色偏亮且能量偏高；下午是以水声为主的连续型声谱图，颜色统一且连续，能量变化偏低。由此可见，与说话声相比水声更能使人们的情感感知到平静和愉悦。

图4 10个声漫步点的 9:30～11:30、17:30～19:3的声景感知情感质量二维模型

3.3 声学特征与声景感知

通过对声漫步实验所获得的主观感知平均值数据与客观声压级、频率数据进行皮尔逊(Pearson)相关分析，得出声压级、频率与8个感知情感维度和声源类型之间的相关性分析结果如表 3 所示。其中，声压级与愉快的(-0.750**)、平静的(-0.821**)和自然声感知程度(-0.769**)呈显著负相关；与无事件感的(0.683**)、讨厌的(0.847**)、生活声感知程度(0.868**)和机械声感知程度(0.852**)呈显著正相关。频率与无事件感的(0.697*)呈显著正相关；与讨厌的(-0.709*)、生活声感知程度(-0.740*)和机械声感知程度(-0.668*)呈显著负相关，由此可得，当声音频率越高，讨厌的情感反应越低；而其他感知维度与频率没有表现出相关性，说明与声压级相比，频率不容易被人们所感知到。

由此可知，当生活声和机械声的出现越频繁，即声压级变高，会减少人们对自然声的感知程度，说明公园中的自然声容易受到人们活动声以及外界的机械声干扰，同时还会引起人们烦人和混乱的情感反应。反之，则减少人们对生活声和机械声的感知程度，引起人们愉快和平静的情感反应。

表3 声压级、频率与8个感知情感维度、声源类型感知的相关性

4 结论与讨论

研究以昆明翠湖公园为例，基于“人—声音—环境”的感知机制，通过前期调研和声漫步实验，获取客观数据即声压级和频率以及主观感知数据，主观感知通过感知情感质量的二维模型可视化的展现出人们的心理指标，最后将主客观数据之间进行相关性分析。得出了声压级、频率与主观声景感知的关系，以及声源类型、景观要素是重要的影响因素。得到的主要结论有以下3点。

4.1 声压级的大小受声源类型、景观要素及空间类型的影响

声压级与自然声感知程度呈显著负相关，与生活声感知和机械声感知程度呈显著正相关(P<0.01)。由此说明，在公园当人们的活动声以及外界的机械声越大时，声压级也随之增高。有研究表明，利用景观要素可降低一定的声压级，例如，在北京奥林匹克森林公园中，利用起伏的地形来隔离噪声。在本研究中节点7则是如此，利用植被层次丰富且较为封闭的空间，对声波进行吸收、反射等一系列物理反应来降低噪声从而提升声景质量。

4.2 声音的频率分布以及分类受不同声音类型和声压级的影响

将声音按声学特征可分为连续型声音有6种(说话声、水声、设备声、施工声、娱乐设施声、风吹树叶声)和离散型声音有6种(交通汽笛声、鸟鸣声、小孩嬉戏声、脚步声、昆虫叫声、鹅叫声)。翠湖公园各类声音主要分布在200～6 kHz区间。其中鸟鸣声和昆虫叫声频率分布较高4k～6 kHz，而设备声、说话声以及施工声分布较低300～800 kHz。同时研究发现，声压级大小也会影响声谱图，响度(声压级)与振幅有关，振幅越大，响度越大；反之，越小。而振幅决定能量的大小，能量越大波形变化幅度越明显，能量越小波形变化幅度越弱。声谱图的颜色亮与浅的变化随能量大小而变化，声音的能量越高，在声谱图上的颜色也越亮，反之越浅。

4.3 声压级、频率影响人们的主观声景感知

本研究基于8个维度的情感质量来衡量人们的主观感知，研究发现，声压级影响声景感知。声压级与愉快的、平静的和自然声感知程度呈显著负相关(P<0.01)；与无事件感的、讨厌的、生活声和机械声感知程度呈显著正相关(P<0.01)。一般声压级偏高的节点，会引起人们的混乱且不悦的情感反应。但视觉景观也会影响声景的主观感知，如节点2、6、8即使声压级偏高，但在感知情感质量的结果中仍显示出愉悦和有活力的，是因为良好的视觉景观可掩蔽令人不悦的声音(设备声、交通声等)对人们感知的影响。频率和不同声源类型影响声景感知。频率与讨厌的呈显著负相关(P<0.05)，由此说明，鸟鸣声的频率即使较高，但仍是人们喜好度评价最高的一类声音，因为它能够唤起人们平静的和愉悦的情感反应；然而喜好度偏低的是说话声、设备声和施工声，其频率较低，会引起人们消极的情感反应。根据此结果，在节点1公园入口引入自然声可遮蔽不理想的交通或施工噪声，如播放昆虫鸣叫或流水的录音。

除上述结论外，本研究在一定程度上为城市公园声景研究提供了新的思路，从声音频率的角度来研究，今后还可以涉及声音的音色。未来可在测量时间上增加不同的季节进行对比，同时考虑更多不同人群以及其社会属性对声景感知的影响，以更加全面地了解城市公园的声景，以期为城市公园改善声环境提供数据支撑。