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声景中声掩蔽效应导向的规划设计蒿奕颖康健YiyingHaoJianKangUrbandesignandplanningfromtheperspectiveof“maskingeffects”insoundscape摘要声掩蔽效应在新兴的声景研究和设计中得到了广泛的发展和应用。自然声可以通过声掩蔽降低人们对城市噪声的感知。本研究采用听音测试和噪声图模拟的方法，旨在探讨发现何种物理环境因素可对声景中的声掩蔽产生显著影响，以及利用规划设计手段增强积极声掩蔽效应的可能性和途径。研究表明，通过调整特定的可控城市形态参数值可降低噪声传播，扩大自然声的影响范围，增强积极声掩蔽效应，实现规划设计的整体优化。关键词城市设计声掩蔽效应声景城市形态参数ABSTRACTTheconceptofmaskingeffectshasbeenrecentlydevelopedandappliedintheemergingresearchonsoundscape.Humanperceptiononurbannoisecanbemaskedbynaturalsounds.Theaimofthestudyistoexplorethedifferentphysicalconditionscansignificantlyinfluencemaskingeffectsinsoundscape,andthepotentialsandapproachesonenhancingpositivemaskingeffectsbymeansofurbandesignandplanning.Psychologicallisteningtestandnoisemappingtechniquesareemployedinthestudy.Theresultsshowthatitisfeasibletoachievenoiseattenuationandenlargementofdistributionofnaturalsoundsbycontrollingurbanmorphologicalparameters,enhancingpositivemaskingeffectsandrealisingoveralloptimisationdesign.KEYWORDSUrbandesignMaskingeffectsSoundscapeUrbanmorphologicalparameters声掩蔽现象是指某种声音的出现造成了人们对另外一种声音的感知能力下降[1]，其作为一种日常生活中十分重要的听觉现象，在声学和心理声学研究中得到广泛关注[2][3]。早期，声掩蔽的研究主要基于对纯音和噪声的实验[3]。近期，涉及较多的声掩蔽可分为两类：“能量掩蔽”和“信息屏蔽”。传统意义上，“信息屏蔽”涉及更高层次的中枢神经系统的处理过程，而“能量掩蔽”被认为是周围神经系统的处理过程[4]。沃森（Watson）将基于物理特征的声音干扰定义为“能量掩蔽”，而将由刺激源背景产生的掩蔽或者干扰定义为“信息屏蔽”[5]。随着声景研究的兴起，声掩蔽效应成为了研究影响声景质量评估和优化声景设计的新兴课题。但是，传统声学和心理声学中研究的声掩蔽的现象缺少对心理因素和声音信息本身的考虑，从而忽视了社会和个人作为声景中主动感知者的作用，因此，这些传统概念并不适用于声景的研究。在本研究中，声掩蔽被首次定义为一种声景特征被某个（或者某些）干扰声音的出现而改变的听觉现象。城市形态学涉及空间、社会、文化和历史等因素，是城市化和城市设计的根源。在环境质量、景观设计、土地利用、大气和风环境等方面的研究中，已探讨和发展了大量的城市形态参数。在声景研究中，城市形态被用来描述声景的场地背景特征[6]，并且以空间结构和城市形态参数的形式被应用在城市声传播的研究中[7]。另外，当水景和植被等被视为“被动声源”时，城市形态也以景观元素的形式和声景产生紧密联系[8]。因此，城市形态可在设计实践和声景研究之间起到桥梁的作用。因此，本文首先探讨了各种城市声音的物理特征和感知评估，以及这些声音之间的声掩蔽效应；其次，从声掩蔽的角度，进一步探讨了如何通过调整城市形态降低噪声的危害，增强自然声的可闻度和影响范围，进而提高声景和整体环境的质量。一．多样的城市声音及其之间的声掩蔽效应本研究在荷兰北部的省会城市阿森（Assen）和英国的中部重镇谢菲尔德（Sheffield）两个典型的中等欧洲城市收录了四种主要城市声源（即车辆交通、低空飞行飞机、水景和鸟鸣）发出的多种声音（图1），建立了城市声音数据库，并对所收录的声音进行声学分析，获得每个声音的频谱和音量时间关系图用以描述其声学特性，结果显示了城市声音在物理上的多样性。同时，研究选取了不同频谱和音量的交通噪声、飞机噪声、水景声以及鸟鸣声，进行了听音测试，对每段声音的声景四大特征，包括感知响度、自然性、烦躁度和愉快度进行了主观评价。除此之外，对系列不同物理参数的鸟鸣声和车辆交通噪声的混合声进行了同样的听音测试，从而探讨物理参数（包括车辆噪声频谱、鸟鸣声音量、鸟鸣发生频率和声源可视性）对声景中声掩蔽效应的影响。[9]1车辆交通噪声的录音位置和周边情况[9]阿森谢菲尔德1.车辆交通噪声研究结果显示，相对来说，交通噪声音量高且宽频，所以对其实现能量掩蔽是较为困难的，而且在距离交通五十米的位置依然有低频声导致的高烦躁度的问题。另外，在对交通噪声的主观评价中，烦躁度和感知响度呈现出很高的相关性，所以降低交通噪声危害的最基本和重要的措施依然是对音量本身的降低。而且，虽然随着距离交通越来越远，愉快度也呈上升趋势，但是在0-10的主观评价范围内，车辆交通噪声环境的愉快度最高不超过2，说明仅仅降低车辆交通噪声的音量虽然可以降低烦躁度，但是不能有效提高其愉快度。因而，实验在交通噪声中添加了鸟鸣声，结果显示，交通噪声环境的感知响度并没有明显变化，但是自然性大幅度提高。当距离交通较远（大约20米）时，鸟鸣声的声掩蔽有效的降低了交通噪声环境的烦躁度，提高了其愉快度（图2）。实验结果也表明，在声源可见的条件下，鸟鸣声对交通噪声环境的掩蔽效应明显增加，愉快度的增加幅度，烦躁度的降低幅度，均大于声源不可见时。2在有鸟鸣（52.5dBA）和无鸟鸣状态下，主观评价中距离交通1,4,9,19,50米的车辆交通噪声环境的愉快度平均值。2.飞机噪声低空飞行飞机所带来的飞机噪声呈现出非常不同的频谱和音量大小。相对于车辆交通噪声来说，由于声源高度较高，飞机噪声的传播范围更大，但是实验表明当人们听到同样音量的飞机噪声和车辆交通噪声，飞机噪声的烦躁度比车辆噪声要低。当在飞机噪声中添加鸟鸣声时，飞机噪声的感知响度被鸟鸣声掩蔽，显著下降，但是其他三种声景特征没有显著变化，只有当飞机噪声音量大幅度降低时（大于15分贝），自然性和愉快度才会明显升高，烦躁度显著降低。因此，和车辆交通噪声一样，降低飞机噪声的音量是提高声景质量的根本。3.水景声分析表明，本研究所收录的水景声都是宽频声，而且各声音间频谱和音量的动态变化差异性很大，距离水景1米处的音量差高达15分贝，显示了水景声作为城市噪声的声屏蔽的有效性和潜在的适应性。同时，由于水景声在较短的距离内物理特性变化较大，所以水景的设计可以极大的丰富特定区域内的声景。本研究也表明水景声的自然性与愉快度显著正相关，与烦躁度负相关，证实了提高水景声的自然性对提高水景环境质量的重要性，而增大水景声的音量动态变化，增高其高频声部分的能量，是提高其自然性的重要途径。另外，水景的可视性可以大幅度的提高其愉快度，所以在考虑创造积极的水景声声掩蔽时，声源的可视性应该作为一个重要的因素来考虑。4.鸟鸣声通过研究发现城市中的鸟鸣声主要由高于2K赫兹的高频声组成，所以通过“能量掩蔽”无法实现鸟鸣声对交通噪声的有效声掩蔽。但是，鸟鸣声的频谱和音量动态变化很大，在0-10的主观评价范围内，其自然性为9.4，愉快度为7.7，均高于水景声，所以，鸟鸣声可以看做是城市声景中自然性的“声标”，并且，鸟鸣声可以通过对人们对城市噪声注意力的分散来实现声掩蔽，进而提高声景的自然性和愉快度。音量较高的鸟鸣声对交通噪声有较强的声掩蔽效应，可以显著影响其自然性，烦躁度和愉快度。但是，无论鸟鸣声音量多高，当交通噪声高于47.5分贝时，声景的烦躁度都会急剧增高，愉快度急剧降低。当交通噪声高于57.5分贝时，鸟鸣声音量的增高不会降低反而会增高烦躁度（图2），所以从这个角度看，降低交通噪声仍然是提高声景质量的基础。类似于鸟鸣声音量，鸟鸣发生频率同样影响了交通噪声环境的自然性、烦躁度和愉快度上。在交通噪声音量为47.5分贝时，当鸟鸣发生频率从30秒钟2次增加到6次，自然性的评估值可从4.7上升到6.4，烦躁度从2.3降低到1.3，而愉快度从2.7大幅度提高到6.7。然而，对于交通噪声为62.5分贝的声环境，鸟鸣发生频率对声掩蔽效应几乎没有影响。二．城市形态背景下的交通噪声如上所述，无论是从声音本身的物理特性出发，还是从声音间的相互作用出发（声掩蔽）来考虑，降低噪声的音量，并且提高自然声的可闻度和影响范围才可以有效实现声景整体质量的提高。因此，本研究进一步探讨了如何利用调整城市形态达到这些目。为了获得多样的城市形态，研究首次建立了一个与建筑密度和声源分布相关的阿森地理信息系统的数据库。数据库包括763个250*250m2的坐标网格（图3）。城市形态的样本从数据库中随机抽取。基于已有的研究成果，借用和发展了一系列的城市形态参数。在对抽取的样本的城市形态参数进行计算的同时，绘制样本的噪声地图，并使用用于计算空间噪声分贝值的Matlab应用程序获取城市开敞空间和建筑表面的空间噪声指标。数据分析的结果显示了城市噪声分布与城市形态间十分显著的相关性和变化趋势。3阿森的地理信息[10]抽取的坐标网格样本建筑布局与道路交通1.车辆交通噪声在车辆交通噪声的研究中，采用的城市形态参数包括建筑规划面积分数、道路面积分数、首排建筑与道路间距离、完整长宽比、建筑表面积与规划面积比、建筑额叶面积指数和建筑高宽比[10]。结果表明，车辆交通噪声的衰减主要发生在嘈杂的建筑表面和开敞空间。建筑规划面积分数的增高会升高嘈杂建筑表面的噪声值，即升高了室内的噪声值。完整长宽比和建筑额叶面积指数对开敞空间的噪声衰减会产生显著影响，不同城市形态的差值大于10分贝。当完整长宽比大于1.42，或者建筑额叶面积指数大于0.11，随着两个参数的升高，距离道路较远的开场空间的噪声值持续增高（图4）。随着首排建筑与道路间距离的减小或建筑额叶面积指数的增大，嘈杂的开敞空间占总开敞空间的比例呈持续减少的趋势。2.低空飞行的飞机噪声在低空飞行的飞机噪声的研究中，采用的城市形态参数分为两类，一类是独立参数，包括建筑规划面积分数、完整长宽比、建筑表面积与规划面积比；一类是声源应变参数，包括建筑额叶面积指数、建筑高宽比和首排建筑与飞行轨迹间水平距离[11]。研究表明当飞行轨迹和场地间的水平距离大于等于1000米时，城市形态对飞机噪声的衰减的作用更为显著，但是建筑对声音的反射会减弱这种衰减作用。即使飞行高度从200英尺升到400英尺，飞机噪声并不能得到显著地衰减。相比于建筑表面，城市形态对开敞空间的噪声衰减作用要更为明显。相对于嘈杂区域，城市形态对较安静区域和整体区域起着更重要的作用。相比于独立参数，声源应变参数与飞机噪声空间噪声值指标的关系更为密切，其中建筑额叶面积指数和首排建筑与飞行轨迹间水平距离对飞机噪声衰减的影响最为显著，可以达到10分贝以上。减小首排建筑与飞行轨迹间水平距离能够有效的降低场地整体的平均噪声值（图4）。由于声音的反射作用，在安静的开敞空间，完整长宽比增长时，噪声衰减值也同时升高，但当其到达大约1.4时，随着其增长，衰减值趋于稳定。但是，建筑规划面积分数和建筑高宽比对低空飞行的飞机噪声的衰减基本上没有作用。4低空飞行飞机噪声的开敞空间噪声指数L50的分贝值与首排建筑与飞行轨迹间水平距离间的关系[11]三．城市形态背景下的鸟