一種適用于竹林空間的聲景協調度評價模型

洪昕晨， 潘明慧， 袁軼男， 王亞蕾， 吳沙沙， 蘭思仁

(1. 福建農林大學 園林學院， 福州 350002； 2. 國家林業局 森林公園工程技術研究中心， 福州 350002)

隨著城市生活節奏的愈發加快，城市居民對休憩放松的場所需求也不斷增加。森林空間作為具有良好生態環境的半開敞空間，不僅提供了城市居民日常游憩和減緩壓力的場所，還提高了人們的生活質量[1]。這些功能離不開園內諸多的森林景觀構成要素，而聲景作為森林中重要的景觀資源之一，時刻影響著空間內使用者的聽覺體驗。在各類林地類型中，竹林空間的聽覺感受古往今來一直被人們所提起[2]，正如王昌齡詩中“閑堂閉空陰，竹林但清響”，以及孟浩然詩中“荷風送香氣，竹露滴清響”等，說明竹林空間為人們提供了一處兼有游憩、療養、避暑等多功能的放松身心的場所。

在聲景研究方面，Fastl[3]通過對含語義聲音和物理特征相同的無語義聲音進行研究，發現人對兩者的主觀評價存在明顯差異；Blesser等[4]通過對聲景的心理因素與時空變化進行研究，發現空間不僅能改變聲音傳播，還能賦予人以對聲景的情感與相應的行為意識；Aylor[5]通過對松樹的葉聲進行研究，表明葉聲能提高動物交流中的信號，并且這一特性可以適用于所有其他的植物類型中；Southworth[6]通過對評價因素的相關性研究，表明聲景評價的基本要素由聲景的語義性和物理屬性共同構成；Viollon等[7]通過對聲音和圖像的組合，在實驗室對一組受試者給予照片展示和聽覺刺激，進而對城市聲景進行評估，結果表明城市化高的視覺環境的聲景評價較低；Lercher等[8]對社區聲景的研究結果表明社區聲景評價越好，住戶的聲煩惱度就越低；李國棋[9]以主觀問卷調查的形式調查了北京望京小區聲景的聲源權重和好感度；邰惠鑫[10]構建了從城市住區角度出發的聲景描述和評價的基本體系，包括了整體舒適性、空間特性、聲源特性和動態變化四方面；趙志軍等[11]通過比較有無視覺刺激下人耳對聲音的主觀聽感的差別閾限差異，表明視覺刺激越舒適，聽感的差別閾限變化越小。這些成果豐富了聲景方面的研究，但從結合聲景生態學與心理物理學角度構建聲景評價模型的研究尚鮮有報道。

因此，本研究以竹林空間中的聲景為主要研究對象，并基于聲景生態學對地球物理聲、生物聲和人工聲的定義，對三者的協調度進行主觀評價，同時測量評價位置的客觀物理指標，再根據心理物理學法則對評價數據進行擬合，最后建立了適用于竹林空間的聲景協調度評價模型(Coordinating Evaluation of Bamboo Garden Soundscape, CEBGS)。以期在實際應用中通過該模型將竹林空間中的聲級數據近似轉化為相應的協調度主觀評價得分，進而模擬出游客在此時的心理感受狀態，為森林公園、自然保護區乃至風景名勝區中的竹林空間建設和提升提供了參考，同時也為今后科學和系統的進行聲景研究提供理論依據和有效方法。

1 相關理論與法則

1.1 聲景生態學

聲景生態學[12]將聲景定義為一種能使人產生心理感知的聲能量，它由景觀中的地球物理聲(Geophonies)、生物聲(Biophonies)和人工聲(Anthrophonies)3種不同的聲源疊加影響。

地球物理聲指非生物的自然狀況(如風、瀑布、降雨和閃電等)所產生的聲音，同時也表現為背景聲并與其他聲音的相互疊加、混合和掩蔽；生物聲指生物群體中生物體產生的聲音(鳴叫聲、交流聲、警報聲和合唱等)，表現出復雜性和可塑性的特質[13]；人工聲指人造設備(如交通工具、鐘和廣播等)所產生的聲音，在聲景空間中表現出侵略性和事件性的特征。聲景生態學理論認為，地球物理聲、生物聲和人工聲之間的相互作用決定了聲景空間中的特殊格局[14]。

1.2 心理物理學

1.2.1 韋伯法則

解剖學和生理學家韋伯(Weber)通過對重量差別閾限的研究，發現受試者的重量變化感受閾值與物體的初始重量成正比關系，即韋伯法則[15]。通過將I代表原來的物理刺激量，將ΔI代表恰好能引起較強感覺的物理刺激增加量，那么韋伯法則(Weber’s Law)就可以用公式k=ΔI/I來表示，其中常數k為韋伯分數?？紤]到感受系統的內在噪聲I0，后又提出了修正的韋伯法則[16]

(1)

1.2.2 費希納法則

心理物理學家費希納(Fechner)通過一個對數函數將物理刺激量I與心理感受量s聯系起來，在韋伯法則的基礎上建立了心理感受標尺和物理刺激強度標尺之間的轉換關系，即費希納法則(Fechner’s Law)

(2)

式中:Δs為心理感受幅度的等大小增量或最小可覺差；k′為用于正確表示心理感受幅度增量單位的常量。

對式(2)兩邊同時積分，得到符合費希納法則的心理感受量為

(3)

式中:a和b為常數。

1.2.3 斯蒂文斯法則

斯蒂文斯(Stevens)通過幅值估計法研究了不同的物理刺激強度與心理感受量之間的關系，并提出了不同于費希納法則的基于指數的心理感受量的函數表達式，即斯蒂文斯指數法則(Stevens’ Power Law)

s(I)=aIp+b

(4)

式中：a和b為常數；p為由感覺類型和刺激量決定的指數。

1.3 理論模型

基于聲景生態學和心理物理學的相關理論，竹林聲景協調度評價模型(CEBGS模型)應結合地球物理聲、生物聲和人工聲三者各自的協調度評價模型，則竹林聲景協調度的心理感受量sCEBGS與各聲元素心理感受量的關系可表示為

sCEBGS(I)=sgeo+sbio+sant

(5)

式中:sgeo、sbio和sant分別為地球物理聲、生物聲和人工聲協調度的主觀評價得分;I為聽覺物理刺激量。至此，構建本模型的關鍵在于確定竹林空間中地球物理聲、生物聲和人工聲各自對應的心理物理學法則及相關系數。

2 竹林聲景評價實驗

2.1 研究區域概況

研究區域位于福建省福州市晉安區新店鎮的福州國家森林公園的竹園內，公園東側以福飛路為界限，西側延伸至湖頂與葉洋村接壤，南側為八一水庫，與福州動物園相鄰，北側與筆架山毗鄰[17]。地理坐標為東經119°16′，北緯 26°07′，屬于亞熱帶海洋性季風氣候，年平均降雨量約1 438.5 mm，無霜期328 d，平均風速1.8 m/s，相對濕度75%，平均日照1 848 h[18]。

竹園位于公園入口景觀區的中部，面積約15 000 m2，是福州國家森林公園中的精品專類園。園內現有竹類約215種，主要有花竹(Bambusa albo-lineata)、湘妃竹(Phyllostachys bambusoides)、人面竹(Phyllostachys aurea)、紫竹(Phyllostachys nigra)、粉單竹(Bambusa chungii)、佛肚竹(Bambusa ventricosa)、黃金間碧竹(Bambusa vulgaris)等，具有豐富的竹類資源。在竹園研究區域內選擇了具有代表性且分布相對均勻的30個調查點，如圖1所示。

圖1 研究區域位置與30個測點的分布

2.2 評價過程

本研究中的主觀評價實驗采用語義差異法衡量評價者對竹林空間的聲元素協調度評價情況。語義差異法(Semantic Differential Method，SD)是C.E.奧斯顧德于1957年提出的一種心理測定方法，又稱感受記錄法，即通過言語尺度進行心理感受的測定[19]。通過這種方法，研究者可以將評價者的感受定量化地被記錄下來。

首先需要確定與評價模型相關的形容詞對，用于表示評價者對所描述對象的心理感受強度，進而得出語義差別量化表，可以更加準確的把握評價者對竹林聲景的心理量大小。因此，本研究采取問卷調查的方式，選擇了“協調的-失調的”這對形容詞作為問卷中的調查內容，用于反映聲景的協調程度，包括了聲景的響度、尖銳度、粗糙度、起伏度以及音高等協調度衡量因素[20-21]，以度量某一聲元素相對于總體聲景情況的和諧一致程度。在此基礎上，確定主觀評價等級為5級[22]，并使用很協調、較協調、一般協調、較失調、很失調來區分，并從左到右分別賦值2、1、0、-1、-2，用于定量分析。

根據GB/T 10220《感官分析方法總論》對評價者人數的規定，從曾參與過聲景主觀評價實驗并對研究區域環境較為熟悉的人員中挑選18位年齡在20～35歲、身體健康、聽力正常的人員作為本次實驗的評價者，其中男性、女性各9人[23]。為了避免個人因素對評價結果產生的偏差影響，根據GB/T 14195《感官分析：評價員選拔與培訓，感官分析優選評價員導則》和GB/T 16291《感官分析：專家的選拔、培訓和管理導則》，對18位評價者進行了統一培訓，包括調查問卷中的各聲景元素(地球物理聲、生物聲和人工聲)的含義、協調度含義和評分方式等[24-25]。調查時間選擇非節假日的晴天，讓受過培訓的18位評價者在圖1所示的30個測點進行每次5 min的獨立聲景協調度主觀評價，同時使用I級聲級計進行5 min的等效A聲級測試。

3 結果與分析

3.1 評價數據分布

3.1.1 地球物理聲

從圖2可以看出評價者在竹林空間中對地球物理聲的心理量分布在區間[-1,2]內。隨著客觀測得的聲壓級上升，心理量分布從區間[0,2]內，下降到區間[-1,1]，說明竹林空間下的地球物理聲在較安靜時可以使評價者產生較好或一般的協調感受，但聲壓級增大后會產生一定的失調感。主要歸因于研究區域內竹子種類繁多，雖然豐富了評價者的聽覺感受，但竹林空間中的風吹樹葉聲和樹枝聲常作為掩蔽聲使評價者難以捕捉鳥鳴聲等生物聲的聲信號。尤其當風速過大時，產生更為顯著的掩蔽效應，進而影響了評價者對總體聲景的協調感受。

3.1.2 生物聲

從圖3可以看出評價者在竹林空間中對生物聲的心理量總體分布在區間[-1,2]內。隨著客觀測得的聲壓級上升，心理量的最大值開始下降而最小值較為穩定，說明竹林空間下的生物聲可以使評價者產生較為穩定的協調感受，并且在聲壓級增大后也不會造成顯著的失調感受。主要歸因于竹林空間中有著豐富的鳥類和昆蟲在此棲息繁衍，進而營造了一種親近自然的氣氛吸引著評價者的注意力并使其感受協調和舒適。

3.1.3 人工聲

從圖4可以看出評價者在竹林空間中對人工聲的心理量分布在[-2,1]區間內。隨著客觀測得的聲壓級上升，心理量緩慢下降，說明竹林空間下的人工聲會使評價者產生較失調的心理感受。主要歸因于人工聲具有事件性的特征并與地球物理聲和生物聲相沖突，進而造成顯著的失調感。

圖2 地球物理聲評價數據分布

圖3 生物聲評價數據分布

圖4 人工聲評價數據分布

3.2 聲景元素協調度評價的數據擬合

對協調度評價總分的最大值進行歸一化處理，并分別采用具有心理物理學意義的費希納法則式(3)和斯蒂文斯法則式(4)對協調度評價總分歸一化值和客觀測得的聲壓級進行數據擬合。

3.2.1 地球物理聲協調度評價擬合分析

通過對地球物理聲的協調度評價的數據擬合，如圖5所示。結果表明式(3)的擬合優度R2值為0.911，式(4)擬合優度R2值為0.906，即地球物理聲的協調度評價結果符合上述心理物理學法則，相對更傾向于費希納法則。說明其具有實際的心理物理學意義，則竹林空間中地球物理聲的協調度心理感受量sgeo與客觀測得的聲壓級I的關系可表示為

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

(6)

圖5 地球物理聲曲線擬合結果

3.2.2 生物聲協調度評價曲線擬合

通過對生物聲的協調度評價的數據擬合，如圖6所示。結果表明式(3)的擬合優度R2值為0.979，式(4)擬合優度R2值為0.975，即生物聲的協調度評價結果符合上述心理物理學法則，相對更傾向于費希納法則。說明其具有實際的心理物理學意義，則竹林空間中生物聲的協調度心理感受量sbio與客觀測得的聲壓級I的關系可表示為

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

(7)

圖6 生物聲曲線擬合結果

3.2.3 人工聲評價擬合分析

通過對生物聲的協調度評價的數據擬合，如圖7所示。結果表明式(3)的擬合優度R2值為0.962，式(4)擬合優度R2值為0.977，即人工聲的協調度評價結果符合上述心理物理學法則，相對更傾向于斯蒂文斯法則。說明其具有實際的心理物理學意義，則竹林空間中人工聲的協調度心理感受量sant與客觀測得的聲壓級I的關系可表示為

sant(I)=0.07-5.38I2.64

(8)

圖7 人工聲曲線擬合結果

3.3 構建竹林聲景評價模型

綜上，由式(5)～式(8)可以得到適合于竹林空間下的聲景協調度評價模型(CEBGS模型)的表達式為

sCEBGS(I)=sgeo+sbio+sant=

5.38I2.64+6.85

(9)

式中：sgeo、sbio和sant分別為地球物理聲、生物聲和人工聲協調度的主觀評價得分歸一化值；I為客觀測得的聲壓級。在實際應用中，通過CEBGS模型可將竹林空間中的聲壓級數據近似轉化為相應的聲景協調度主觀評價得分，進而模擬出游客在此時的心理感受狀態，為森林公園、自然保護區乃至風景名勝區中的竹林空間建設和開發提供了參考依據。

4 結 論

古人常以“林海松濤”“落木蕭蕭”“林籟泉韻”等景觀藝術形態來描繪森林空間中聲景獨特的聽覺體驗。竹林作為森林中重要的景觀資源，為人們提供了一處放松身心的場所。本研究通過聲景生態學和心理物理學相關理論構建了一種適用于竹林空間的聲景協調度評價模型(CEBGS模型)，分析了影響竹林聲景協調性評價的地球物理聲、生物聲和人工聲三者各自對應的物理量和心理量之間的協調關系。得出的主要結論有：

(1) 地球物理聲在較安靜時可以使評價者產生較好或一般的協調感受，但聲壓級增大后會產生一定的失調感，主要歸因于研究區域內竹子種類繁多，進而了豐富了評價者的聽覺感受，但在聲壓級較大時易產生掩蔽效應。

(2) 生物聲能使評價者產生較為穩定的協調感受，并且在聲壓級增大后也不會造成顯著的失調感受，主要歸因于竹林空間中有著豐富的鳥類和昆蟲在此棲息繁衍。

(3) 人工聲會使評價者產生較失調的心理感受，主要歸因于人工聲具有事件性的特征，并與地球物理聲和生物聲相沖突。

(4) 地球物理聲、生物聲和人工聲的協調度評價數據擬合趨勢符合心理物理學法則，其中地球物理聲和生物聲相對傾向于費希納法則，而人工聲傾向于斯蒂文斯法則。

(5) 最后綜合竹林空間中的地球物理聲、生物聲和人工聲的協調度評價模型得到竹林聲景協調度評價模型(CEBGS模型)。

聲景的量化評價是今后景觀規劃和開發的應用趨勢，聲景生態學和心理物理學的相關理論能巧妙的將聲景的諸多要素進行分類和定性定量分析，本研究充實了聲景評價的理論基礎，以期為深入和全面的聲景觀資源管理提供有效方法，同時為建設聲景優美、全方位適宜的人居環境做出新的貢獻。

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