“以人为中心”的噪声评价与控制

陈克安，赵焕绮

（西北工业大学航海学院，西安 710072）

噪声污染的影响分为对人、生物及非生物的影响三大类，而噪声对人的影响是人们关注和研究的主要对象。具体说来，噪声对人的影响分为听觉效应和非听觉效应两部分。听觉效应主要针对强声对人听觉器官和听觉系统带来的生理损伤，以及长时间作用带来的听觉功能退化；非听觉效应主要是指人长期暴露于高强度声环境下引起的生理或心理疾病，同时特别关注噪声污染对语言交流和语音通讯的干扰、对听觉注意力和工作效率的干扰和降低，以及带给人烦恼、不舒适、不愉悦等心理上的负面感受。由于上述原因，人作为噪声污染的主要受害者，其防治必须“以人为中心”。

2021 年12 月24 日，十三届全国人大常委会第三十二次会议审议通过了《中华人民共和国噪声污染防治法》（以下简称《噪声法》）。《噪声法》明确了“以人为中心”的指导思想和原则[1]，《噪声法》的出台是噪声污染治理领域的标志性事件，必将推动我国声环境保护事业向更高水平迈进。

《噪声法》第二十一条规定，编制声环境质量改善规划及其实施方案，制定、修订噪声污染防治相关标准，应当征求有关行业协会、企业事业单位、专家和公众等的意见。这一规定是噪声污染防治工作中“以人为中心”这一思想的具体体现，落实到技术层面，就是要求在噪声污染评价与控制中，将人的听觉感受作为出发点和落脚点。因此，大力开展基于感知的噪声污染评价与控制意义重大，具有强烈的现实性和急迫性。

1 噪声的评价及其度量

声波对人的影响一直是声学学科研究和考虑的重要因素。长期以来，为了兼顾便利性和实用性，评价噪声的客观参量一直以物理性指标为基础，沿“声压幅值→声压级→计权声压级→基于声压级的综合性指标”的路径不断发展。A 声级是声压级的频域加权形式，以1kHz、40dB 纯音等响曲线为基础对声压级进行修正，大致模拟了人耳对时间上连续、频谱比较均匀、无显著音调成分的宽带噪声响度的感受，其被认为是各种噪声评价的基础。在噪声防治活动中，常常以A 计权声级（A 声级）为主，同时也应用其他客观参量，如累计百分A 声级、噪度、噪声污染级等。

然而，人对声音的主观感觉与声信号的各种听觉属性密切相关，不仅仅取决于响度。实际环境中，各种噪声的感知特性千差万别，传统的以反映声音响度为主的计权声级不能完全表征人对噪声的主观感受。

为了充分反映噪声对人的影响，尤其是考虑噪声污染对人群的总体影响，在20 世纪70 年代，人们研究的重点转向以现场调查数据为主[2]，确定不同类型及场景下的环境噪声公众烦恼率，其目的在于研究噪声污染的剂量——效应关系（dosage-effect relationship），典型成果就是被广泛引用的“舒尔茨曲线”[3]，它开启了噪声烦恼感社会调查、量化及特性的新研究方向，其成果对环境声学研究产生了重大影响，一些结论被应用于交通噪声政策、标准和规范中。然而，烦恼感的影响因素众多，仅仅以部分场景和测量数据获得的结论不足以将烦恼度模型作为更高层面的噪声评价指标。

2 噪声污染的烦恼感评价

在Schultz 等[2]的研究之后的20 多年里，人们对噪声对人的影响进行了持续、系统和精细化的研究，针对不同噪声类型，考虑不同因素对烦恼感的影响，包括噪声声级大小、时频特性等声学因素的影响，以及听者社会人文特征、生理心理状况、对噪声的熟悉程度等非声学因素的影响，其中个体噪声敏感性的影响最为突出[4]。

在对噪声烦恼感的持续研究中，人们发现仅仅将噪声作为一种物理性刺激对待远远不够。在此基础上，开启了针对声品质的研究。20 世纪80 年代中后期，德国慕尼黑技术大学Aures 等[5]率先开始了声品质的研究；1994 年，Blauert[6]认为声品质是用于表述在特定的技术目标或任务内涵中声音的适宜性的。在声品质的语境中，“声”是指人耳的听觉感知，“品质”是指人耳对声事件的听觉感知过程并最终做出的主观判断。在声品质研究中，原来作为物理性刺激的声音被作为具有丰富生态含义的声音事件来对待，品质不仅仅指声音的质量，而是指与技术目标或特定任务之间的匹配程度。站在声品质这一新视角上，传统的噪声污染评价与控制的内涵及范畴发生了巨大变化，催生了对这一传统技术领域的新认识。

将声音的感知与声源和声环境联系在一起，声品质研究又可进一步细分为产品声品质和声景观[7]。声景观被定义为“特定场景下，一个人或一群人所感知、体验或理解的声环境”，在感知、体验及理解声环境的过程中，强调了场境、声源、声环境、听觉感受、对听觉感受的解释、响应、效果这7 个一般性的概念及其之间的关系。声景观这一概念的引入，打破了传统的基于声能量描述的“噪声污染”，以及基于能量降低的“噪声控制”基本模式，其不仅描述了声源及其在时空上的分布，而且将重点放在听觉感受及对其的解释上，将短期的反应、情绪和行为与整体的、长期的结果统筹考虑。因此，声景观对声环境的理解更加全面、丰富，更加接近真实感受。

3 产品声品质技术新进展

产品声品质是指人在功能性或偏好性方面对产品发出声音的一种主观认知。Lyon[8]在关于产品声品质的研究中详细描述了产品声品质分析的概念，认为其本质是基于客观测量来预测主观偏好的过程。

声音的评价是声品质研究的首要问题，分为主观评价和客观评价两种。主观评价致力于主观评价实验方法的研究，通过不断改进主观评价实验以获得更准确的声音偏好性评分。客观评价方法研究又分为两类：一类是对声品质量化方法的研究，通过提取声品质评价参量来客观描述声音的声品质；另一类是对声品质预测模型的研究，利用数学模型，建立主观评价值与描述声音信号的某种特征（特征参量）之间的关系，实现对声品质的预测，以此减少主观评价实验工作量，提高声品质评价效率。

声品质主观评价方法种类很多，主要包括排序法、评分法、成对比较法和语义细分法，这些方法各有利弊，适用于不同的评价任务。声品质客观评价方法包括对评价参量和声品质预测方法的研究。声品质评价参量是能对声品质进行衡量和描述的可测量的、客观的物理量，通常使用心理声学参量及音色参量。心理声学参量以响度、尖锐度、粗糙度、波动强度、语义清晰度等为主，音色参量可以从时域、频域、谐波参量、时频域等4 个方面展开。

对于声品质的预测，本质上是对产品辐射噪声偏好性的量化研究，主要内容是对噪声烦恼度的建模，分为线性和非线性两类。线性模型通常为显式模型，给出了烦恼度与所依赖的自变量之间的显性、线性关系，可以直观地观察、解释和量化烦恼度与噪声特征参量之间的关系。非线性模型基本上是隐式模型，常利用网络结构，采用机器学习方法建立烦恼度预测值与声样本数据或特征参量之间的非线性映射关系。与线性模型相比，这类模型具有精度高、泛化能力强等优点，但该类模型让使用者无法观察输入、输出之间的具体联系，更无法对其进行物理解释。目前，基于深度学习的建模方法已被研究和应用[9]，展现了巨大活力。

在获得产品声品质评分或预测值之后，如何科学准确地对产品声品质满意度进行分级是实际应用中一个非常重要的问题，虽然目前没有统一成熟的方法，但部分方法已获得应用。西北工业大学党博、陈克安等[10]结合相关标准及主观评价实验，以级别容量比为中间量构建声品质指数与分级限值之间的关系，实现了噪声声品质满意度的分级，为家用电器声品质评价与分级提供了科学依据。

在声品质技术的应用中，汽车产品是最先运用这一先进技术的产品类别，也是声品质应用的主要对象，目前公开发表的声品质文献中，超过90%是针对汽车的。此外，声品质的研究已扩展到高速列车、家用电器，以及航空、航天及船舶等领域。近年来，我国针对直升机、固定翼飞机舱室噪声声品质的研究取得了丰硕成果[11]。目前，越来越多的机电产品生产商将声品质作为产品设计和测试的必要环节，一些公司还推出了专业化的声品质评价与测试系统。

4 基于烦恼感抑制的噪声控制方法

在“以人为中心”的思想指导下，传统的声学设计与噪声控制工程成为基于感知的声音工程（PSE）[12]，其以听觉感知为导向，以声品质技术为核心，以声学结构的正向和反向设计为手段，以工程心理声学为基础、以声音舒适性为目标，是融合多学科知识的产品声音控制工程。

PSE 的核心问题是降噪。以往人们对降噪的理解就是通过各种手段实现噪声能量的降低，其分为无源控制和有源控制两大类，本质上均可归类于“减法”降噪措施，几乎涵盖了目前所有的噪声控制方法。然而，由于技术、经济、工程实施等多方面的原因，这些方法在有的场景下几乎是不可行的。

如果噪声作用的对象是人，那么降噪的目标就是减轻人的不良感受。为此，人们提出利用添加一种声音以改变另一种声音的听觉感受，从而使声音的总体品质（如舒适性、愉悦度等）得到改善的噪声控制方法，这种方法是一种“加法”降噪措施，也被称为音频注入法（AIM），该方法具有装置简单、实施方便、成本低等显著优点。

近10 年来，AIM 研究逐渐升温，针对的场景分为户外和室内噪声烦恼感抑制两方面。在户外，最早的研究主要针对城市开放空间（如城市广场、公园、交通干线两侧），人们观察到，原本在城市广场中发挥景观功能的喷泉，其声音与周围环境中的噪声叠加后在一定条件下会提高声景观品质[13]。在早期的研究中，人们主要是通过设计一系列主观评价实验，在实验室或现场观察并记录哪些噪声组合会发生烦恼感抑制现象。研究发现，可能出现这种现象的噪声种类很多。AIM 研究面临的首要问题是调控声类型的选择，研究表明，水流声、鸟鸣声、风声等自然声对噪声烦恼感的降低尤为明显[14]，水流声最受青睐[15]；人为设计的调幅声与调频声、带宽噪声等也可降低叠加后组合声音的烦恼感；音乐声作为调控声具有很大潜力，相关研究也十分有价值。

在室内，近年来人们重点关注的是开放办公室中的声舒适性控制[16]。实验表明：通过使用耳机传递的改良型棕色噪声，可以使开放办公室中员工的注意力和执行特定任务的能力得到提升；在大型开放式办公室角落或中心设置水景，其水流声可以明显减少注意力不集中等问题。室内噪声烦恼感抑制的其他重要对象是家电噪声、医疗设施噪声、交通工具舱内噪声等。此外，各类交通工具舱内的噪声抑制也是一个新的发展方向。

5 结语

《噪声法》着眼于实现人民群众对美好生活的向往与追求，着眼于提高人民群众的满意度，也就是坚持“以人为中心”，从技术层面讲就是在噪声污染评价与控制中以人的感知为评判标准。虽然目前在噪声评价与度量中仍然以计权声压级为基础，但以烦恼感、声品质、声景观等为核心要素的观察视角正在走向实际应用。《声学 应用社会调查和社会声学调查评价噪声烦恼度》（GB/Z 21233—2007）已经发挥了重要作用，噪声烦恼度的评价和预测方法的国家标准也在制定中，一些关于声品质测试与满意度分级的团体标准已经制定并在实际工作中发挥了作用[17]。基于感知的声音工程已得到相关领域科技工作者的重视，相关的科学研究和技术开发正在逐步走向深入，这些工作将进一步丰富噪声污染防治的内涵，不断推动噪声污染防治技术水平迈上新台阶。