北京城市公園春季人工聲景構(gòu)成及其變化

白梓彤

王 成*

趙伊琳

郝澤周

孫振凱

城市公園是城市重要的綠色生態(tài)空間和居民休閑場所，其生態(tài)系統(tǒng)受城市環(huán)境的影響很大，近年來有關(guān)城市公園聲景的研究成為一個新方向。聲景的概念是由默里·舍費爾(Murray Schafer)在1977年出版的《世界的音調(diào)》(The Tuning of the World)一書中首次提出[1-2]，是指“在一定背景下，被一個或一群人所感知、體驗、理解的聲環(huán)境”(ISO 12913-1-2014)。聲景由生物聲、地球物理聲與人工聲3種主要成分構(gòu)成[2-3]。其中，在城市環(huán)境下人工聲占據(jù)聲環(huán)境的絕大部分，是聲環(huán)境的重要成分，產(chǎn)生不可忽視的影響。人工聲是指由人類活動所產(chǎn)生的所有聲學(xué)信號[4-6]，絕大部分由隨機事件組成，具有頻譜分布范圍廣、持續(xù)時間長、均質(zhì)等聲學(xué)特點，這使常用的聲學(xué)方法無法很好地適用于人工聲研究。

國內(nèi)外對城市公園中人工聲進行獨立性研究的較少，缺少季節(jié)晝夜周期的連續(xù)觀測，分析公園樣本數(shù)量少，同時不同類型公園之間的對比不成體系。多數(shù)研究將人工聲與生物聲同時進行探討，或?qū)嶒灲⒃谌斯ぢ暸c景觀的交互評價上。因此，對城市公園中的人工聲進行全面綜合的研究具有重要意義。聲音也是生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，如何在城市地區(qū)反映人工聲變化特征、如何將人工聲在城市公園中進行表達設(shè)計是城市聲景發(fā)展中的一項重要內(nèi)容。本研究運用錄音設(shè)備和計算軟件分析人工聲景，得出聲源構(gòu)成和變化特征，不僅反映了公園聲景的特征，也同時反映了公園內(nèi)生物的生存環(huán)境及生存現(xiàn)狀。實驗結(jié)合聲景生態(tài)學(xué)，揭示了城市公園人工聲的構(gòu)成特征及其基本變化規(guī)律，以期為北京地區(qū)的聲景監(jiān)測管理、保護和公園的優(yōu)化建設(shè)提供幫助。

1 研究地概況與研究方法

1.1 樣地選擇

1.1.1 公園選擇

根據(jù)不同城市公園的地理位置、行政級別、公園面積、與市中心距離，結(jié)合《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 85—2017)劃分的專類公園、社區(qū)公園、游園、綜合公園、郊野公園等類型，選取了北京五環(huán)內(nèi)10個城市公園(圖1)。

1.1.2 觀測點設(shè)置

基于公園面積聚類結(jié)果，在公園內(nèi)分別設(shè)置1～5個樣地觀測點，共計36個。注意樣點周圍包含廣場、建筑、道路、水體、自然植被(包括喬木、灌木、草本不同群落結(jié)構(gòu))等不同景觀斑塊的分布。公園內(nèi)各樣點間至少相距200m，確保采集到的聲音能代表公園聲音的整體情況(表1)。

圖1 樣地分布圖

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

2019年4月10—20日，每處樣點內(nèi)放置1臺聲音自動采集器Zoom H5，選取晴朗微風(fēng)的6個晝夜進行24h連續(xù)監(jiān)測。設(shè)置采樣率44 100Hz，數(shù)據(jù)分辨率16bit，立體聲采樣，采集音頻格式為WAV。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 聲音處理及計算

利用Jupyter Notebook模塊程序包，自動截取音頻，數(shù)據(jù)每隔15min抽取1min聲音樣本，最終截取到13 824min的聲音文件。運用聲音處理軟件Adobe Audition對截取到的立體聲音頻進行音軌合并。采用R語言soundecology、tuneR及seewave程序包對數(shù)據(jù)進行聲景指數(shù)計算。

1.3.2 聲學(xué)鑒定分析

聲音語譜圖是一種描述聲音時間-頻率-能量譜密度變化的圖像，是聲音分析的重要方法[7]。通過聲譜圖可以將聲音事件可視化，越大的聲音(具有較大的能量)在光譜上具有越亮、越強烈的顏色[8]。為了準(zhǔn)確辨認春季每個公園的人工聲來源、種類及出現(xiàn)時長，本次實驗每30min聽取辨析1min音頻樣本，將每一次聲學(xué)信號出現(xiàn)至發(fā)聲結(jié)束稱為一次發(fā)聲事件，對聲譜圖和時域圖進行辨認，典型人工聲的聲音圖譜如圖2所示。在對音頻進行分類統(tǒng)計時，同一段音頻中不同種類的人工聲單獨統(tǒng)計頻率及時長，聲音種類可以互相重疊。

圖2 代表性人工聲聲譜圖[x軸(時間/s)，y軸(頻率/Hz)，矩形框內(nèi)為代表性聲學(xué)信號]

1.4 聲景指數(shù)選擇與量化

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)化差異指數(shù)(Normalized Difference Soundscape Index，NDSI)

在景觀尺度上描述人類活動對聲景干擾的指數(shù)?？捎糜谥甘救斯ぢ曉诼暰爸兴嫉谋壤軌蛴行е甘救祟悓ψ匀画h(huán)境的影響。NDSI指數(shù)適用于城市地區(qū)的聲音測量，數(shù)值分布在-1～1。公式如下：

NDSI＝(b－a)/(b＋a)

式中，a表示人工聲的頻率；b表示生物聲的頻率。人工聲增加，則數(shù)值越小，負值越大；人工聲衰減，則數(shù)值增大。

1.4.2 平均功率譜密度(Power Spectral Density，PSD)

采用由韋爾奇(Welch)在1967年創(chuàng)建的平均功率譜密度算法計算聲音所攜帶的能量。聲音的能量可以體現(xiàn)聲音的振幅變化，能量越大，振幅越大，則響度越大，被人感知到的聲音就越強烈。聲音所攜帶的能量可以通過功率譜密度圖來量化體現(xiàn)，將聲音離散為1kHz分辨率的頻率帶，量化聲音在各頻率范圍(每1kHz頻帶)內(nèi)的功率。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 北京城市公園人工聲景的構(gòu)成特征

聲景由許多元素共同構(gòu)成，在時間及空間上都是不斷變化的。人工聲作為城市公園聲景主要的組成成分之一，是指由人類活動所產(chǎn)生的所有聲學(xué)信號，包括人的聲音及人類活動產(chǎn)生的聲音[9]。在由人類主導(dǎo)的城市地區(qū)，人工聲將主導(dǎo)聲音景觀[10]，影響城市生物的活動。劉江等在金山公園的聲源構(gòu)成分類中，將人工聲分為人類活動聲、交通聲和機械聲3個亞類[11]；另外也有學(xué)者將公園中的人工聲分為交通聲、機械聲和非機械聲。在前人研究基礎(chǔ)上，本文依據(jù)人工聲的聲學(xué)特征及聲源影響對人工聲進行全面系統(tǒng)的分類。

通過Adobe Audition對音頻文件的辨析，共識別出37種人工聲。主要分為交通聲、話語聲、活動聲和機械電子聲(表2)，有部分無法識別的活動聲，統(tǒng)稱為其他活動聲。其中有交通聲6種、話語聲5種、機械電子聲8種及活動聲19種，話語聲出現(xiàn)最多。

交通聲出現(xiàn)在所有公園中，在人工聲中主要表現(xiàn)為消極的噪聲干擾；話語聲側(cè)面表現(xiàn)了游客的整體情緒及公園的游客量；機械電子聲表明了公園聲景受到施工作業(yè)產(chǎn)生的影響，同時包括積極的廣播聲；活動聲主要是由人類的游憩活動產(chǎn)生聲音，表明了游客對公園的使用情況。

另外，根據(jù)人工聲的持續(xù)性與完整性，又可以分為離散型人工聲和連續(xù)型人工聲。其中，離散型人工聲有13種，連續(xù)型人工聲有25種(表3)，以連續(xù)型為主，占總時長的94.74%。

2.2 春季人工聲景的聲源特征分析

2.2.1 人工聲聲源總體特征

本次抽取的音頻樣本中，共有38種人工聲(包括未識別的其他活動聲)，總計1 280次，總時長14 140.06s。將各公園樣點中出現(xiàn)的人工聲源種類的數(shù)據(jù)(包括各類人工聲出現(xiàn)的頻次和總時長)進行均值處理以代表該公園的人工聲構(gòu)成情況。

從38種人工聲出現(xiàn)頻率來看，歡笑講話聲出現(xiàn)150.20次，時長占38.06%，發(fā)生頻率最高；其次是車輛發(fā)動行駛聲，出現(xiàn)79.37次，時長占21.43%；最少的是手機鈴聲和自行車行駛聲。從38種人工聲單次時長來看，澆水聲最長，平均每次60.00s；敲撞聲最短，平均每次僅有0.60s。

從人工聲各聲源種類出現(xiàn)時長來看，話語聲出現(xiàn)的總時長最長，出現(xiàn)5 464.49s，占總時長的38.65%；其次是交通聲出現(xiàn)3 521.45s，占總時長的24.90%；第三是活動聲，出現(xiàn)2 608.90s，占22.40%；總時長最短的是機械電子聲，但與活動聲差距不大，出現(xiàn)2 545.23s，占總時長的18.00%。

整體來看，本次調(diào)查的10個公園的離散型聲音共出現(xiàn)811.37次，時長743.25s；連續(xù)性聲音出現(xiàn)468.83次，時長為13 396.85s。這表明北京城市公園離散型人工聲出現(xiàn)的頻次較多，但在聲音總時長上連續(xù)型人工聲占了94.74%。

2.2.2 不同種類公園的人工聲構(gòu)成差異

從不同種類公園的人工聲構(gòu)成來看，在綜合性公園、社區(qū)公園、專類公園及游園中，活動聲出現(xiàn)次數(shù)最多，話語聲出現(xiàn)時長最久；而在郊野公園中，交通聲出現(xiàn)頻率最多，出現(xiàn)時長也最久。

人工聲出現(xiàn)總時長的順序是：郊野公園＜社區(qū)公園＜綜合性公園＜游園＜專類公園；人工聲出現(xiàn)總頻次的順序是：郊野公園＜社區(qū)公園＜綜合性公園＜專類公園＜游園。這表明郊野公園無論在人工聲頻次或出現(xiàn)時長上均較其他公園少，而在專類公園及游園中人工聲存在較多。

通過對聲譜圖的分析發(fā)現(xiàn)，公園各時段的人工聲來源存在差異。上午在社區(qū)公園與專類公園中話語聲及活動聲最多，郊野公園及綜合性公園中活動聲最多；而下午在游園中話語聲及活動聲較多。北京公園開園時段(8：00—20：00)的人工聲構(gòu)成較閉園時段(20：00—次日8：00)的聲音構(gòu)成也有不同。在晚間公園關(guān)閉后，公園內(nèi)部的人工聲減少，主要由來自公園外部的交通聲、機械聲及建筑施工聲構(gòu)成。

表1 樣地信息概況

表2 人工聲聲音類型分類

表3 人工聲聲音特征分類

2.3 北京城市公園春季人工聲景的變化特征

2.3.1 春季城市公園人工聲總體特征

人工聲的頻次特征強調(diào)了離散型聲音的影響，時長特征強調(diào)了連續(xù)型聲音的影響。能量值可以排除人工聲出現(xiàn)頻率與時長等特征的影響，較好地反映各個公園生態(tài)系統(tǒng)中人工聲的相對值。

本次觀測的城市公園中人工聲普遍分布于低頻0.2～2.5kHz，生物聲通常分布于較高的2.5～9kHz頻率帶，其中1～2kHz低頻帶能量則包含了大部分人工聲的能量(不包括高頻段的飛機聲)。有研究表明，生物聲與人工聲呈負相關(guān)[5]，即人工聲與生物聲在人的感知上互相覆蓋。通過PSD結(jié)果對同類公園1～2kHz頻帶能量進行均值計算，代表不同種類公園的人工聲強度。基于對各城市公園春季音頻的計算表明，人工聲在城市公園聲景中占有主要地位，能量占比均在58%以上，而生物聲所占頻率帶則占有最少的能量。

各頻率帶的日均值顯示，在10個公園中，玲瓏公園的人工聲能量日均值最高為0.998Watts/kHz，玉東公園的人工聲能量日均值最低為0.954Watts/kHz。

各公園人工聲PSD值表明，玉東公園和天壇公園的頻譜帶不同于其他公園(圖3)。玉東公園高頻9～11kHz的能量明顯高于其他公園，達到0.032Watts/kHz，推測是公園上空出現(xiàn)飛機聲導(dǎo)致的；天壇公園的2～3kHz頻率帶在所有公園中最高，達到0.101Watts/kHz，可能是相比其他公園存在較多的話語聲，或是存在較多的生物聲。

2.3.2 春季城市公園人工聲日變化特征

1)春季各類公園人工聲晝夜存在差異，其中綜合性公園、游園與綜合性公園的晝間總能量值多于夜間，社區(qū)公園及郊野公園的晝間總能量值少于夜間，在日總能量值上表現(xiàn)為社區(qū)公園＞游園＞綜合性公園＞專類公園＞郊野公園(表4)。

圖3 春季2個代表性公園PSD柱狀圖圖3-1 春季玉東公園中各頻率范圍(每1kHz頻帶)聲音的占比情況圖3-2 春季天壇公園中各頻率范圍(每1kHz頻帶)聲音的占比情況

表4 各類公園人工聲晝夜PSD能量值

2)不同類型的城市公園中人工聲的日變化曲線多數(shù)呈“V”形，但各曲線的變化幅度不同，各類型公園不同時刻的人工聲PSD分布在0.88～1kHz(圖4)。北京的大部分公園都在夜晚關(guān)閉，因此夜間的居民活動對公園聲景的影響較弱，聲景主要受周邊交通聲及建筑施工聲的影響。在12：00—次日3：00，各種類公園的PSD分布情況基本表現(xiàn)為：社區(qū)公園＞游園＞綜合性公園＞專類公園＞郊野公園。

從具體變化過程來看，各類公園的變化曲線均在4：00開始降低，這與鳥類開始鳴唱的時間相符[12]。其中專類公園的變幅較為劇烈，導(dǎo)致這種變化趨勢的主要原因可能在于以下幾點。首先，本次實驗所選擇的專類公園均為歷史性專類公園，建成時間早，公園內(nèi)林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，棲息地存在時間較長。也有研究者認為，與最近被人類活動干擾或改變的棲息地相比，存在時間較久的棲息地，為本地物種提供了更多的時間來優(yōu)化選擇它們的發(fā)聲行為，在聲景上表現(xiàn)出更多的復(fù)雜性和多樣性[12-13]。其次，歷史性專類公園具有較高的文化價值，公園景觀管理水平較高，林分養(yǎng)護較好。因此，棲息地斑塊內(nèi)活動及定居的物種較多，生物多樣性較為豐富，在發(fā)聲物種開始鳴唱時，生物聲能量較大，同期被感知到的人工聲能量就會被削減。同時，由于歷史性專類公園特殊的參觀游覽性質(zhì)，游客量在日間多于其他公園，因此人工聲的能量均高于其他類型的公園，在發(fā)聲物種鳴唱結(jié)束后回彈波動較大。

3)不同類型的城市公園中人工聲的日變化具體過程存在差異。綜合性公園的曲線呈清晰的“V”形結(jié)構(gòu)，曲線從4：00開始下降，在7：00降至低谷并開始回升，11：00曲線回歸穩(wěn)定狀態(tài)。社區(qū)公園的曲線變化幅度較為平緩，分別在5：00和11：00降低。社區(qū)公園的公園面積較小，活動人群多數(shù)為周圍的老人及兒童，活動類型較為單一，活動時間較為密集。在中午人群活動結(jié)束后，人工聲開始減少。此時，即在人工聲減弱或結(jié)束時，發(fā)聲動物會開始鳴叫以削減聲音覆蓋對其信息交流帶來的負面影響[14]，產(chǎn)生錯峰鳴唱的現(xiàn)象。郊野公園的指數(shù)曲線波動頻繁，但波動幅度較小，整體變化不顯著。自然環(huán)境下的發(fā)聲生物，如鳥類，會在清晨與黃昏時分進行最集中的鳴唱活動[15-17]，即在5：00與18：00人工聲能量減弱可能是生物聲的能量升高所導(dǎo)致的。郊野公園的游人密度較低，植被結(jié)構(gòu)種類豐富且更加近自然形態(tài)，在多種因子共同影響下，人工聲在傳播過程中被削減的程度不同，導(dǎo)致被感知的人工聲波動較大。

另外，春季北京各種類城市公園聲景NDSI變化趨勢與人工聲PSD變化趨勢基本一致(圖5)，多呈單峰狀，表明生物聲對人工聲被感知的情況有影響。同時，NDSI數(shù)據(jù)整體趨勢變化波動不大，在-0.38～-0.84，均為負值，這與非城市地區(qū)及半城市化地區(qū)的NDSI結(jié)果有明顯區(qū)別。

2.3.3 不同公園的人工聲日變化及其差異

不同公園的人工聲日變化及其差異如圖6所示。19：00—次日4：00各公園人工聲能量曲線分布順序為：玲瓏公園＞老君堂公園＞四得公園＞豐益公園＞興隆公園＞中山公園＞奧森公園＞藺圃公園＞天壇公園＞玉東公園。

天壇公園的日變化曲線呈“W”形，是所有類型公園中最符合生物鳴唱規(guī)律的。在近自然的地區(qū)，鳥類存在合唱的現(xiàn)象，通常會在清晨及黃昏進行2次合唱。當(dāng)生物聲增加的時候，人工聲會在感知上被掩蓋，這也是人工聲出現(xiàn)“W”形曲線的主要原因。其余公園人工聲曲線呈“V”形，但是最低值出現(xiàn)的時間各有不同，這可能是受到不同居民活動影響產(chǎn)生的錯峰鳴唱。從春季各公園整體的人工聲日變化曲線來看，城市聲景中發(fā)聲鳥類有明顯的單次合唱傾向，即每天僅在清晨合唱，弱化黃昏合唱的強度，并縮減黃昏合唱時間，這很可能是城市人工聲對生物發(fā)聲時段的擠壓，可以推測為北京城市公園中背景噪聲(地球物理聲及不可辯背景音)過大，導(dǎo)致聲景指數(shù)計算上產(chǎn)生誤差。

圖4 春季不同種類公園人工聲PSD日變化

圖5 春季不同種類公園NDSI指數(shù)日變化

圖6 春季10個城市公園人工聲PSD值日變化

表5 春季10個城市公園人工聲晝夜PSD值

10個公園春季人工聲平均能量值順序為：玲瓏公園＞老君堂公園＞四得公園＞中山公園＞藺圃園＞豐益公園＞興隆公園＞奧森公園＞天壇公園＞玉東公園(表5)。其中，豐益公園、四得公園、玉東公園及老君堂公園的夜間人工聲能量值大于晝間，其余公園的夜間能量值小于晝間。這主要是由公園周邊地塊較豐富的交通聲導(dǎo)致的，如豐益公園與玉東公園是受到飛機聲的影響，老君堂是受到公園上空高鐵聲的影響。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)北京城市公園人工聲主要分布于低頻0.2～2.5kHz，在城市公園的整個聲景中占有主要地位。春季人工聲源主要有38種，來源廣泛，按照聲音來源類型分類，可以分為交通聲、話語聲、機械電子聲及活動聲；按照聲學(xué)特征分類，有離散型人工聲和連續(xù)型人工聲。

2)北京城市公園中人工聲以話語聲和活動聲為主。在綜合性公園、社區(qū)公園、游園及專類公園中，話語聲出現(xiàn)時長最久；而在郊野公園中，交通聲出現(xiàn)最多。不同公園之間人工聲的來源、出現(xiàn)頻次與時長均有不同。

3)從公園類型來看，郊野公園與專類公園的人工聲種類構(gòu)成較為復(fù)雜，但人工聲強度較小，社區(qū)公園的人工聲構(gòu)成單一且人工聲強度大。

4)不同公園的人工聲日變化規(guī)律基本一致。人工聲晝間出現(xiàn)的頻次及時長顯著多于夜間，但晝間能量值卻略少于夜間。其中晝間的人工聲以話語聲為主，夜晚的人工聲主要由來自公園外部的交通聲、機械電子聲及公園內(nèi)清晨、傍晚的活動聲構(gòu)成。

3.2 討論

城市公園人工聲的差異受公園面積、年齡、綠地狀況及地理位置的影響，但相關(guān)因子的關(guān)聯(lián)性分析需要更加深入的探討研究。公園外部的人工聲通常經(jīng)過公園的緩沖區(qū)域被削減后成為公園背景聲，具有較大公園邊緣面積的可以屏蔽掉一些外部聲音，使被人們感知到的周邊交通聲及活動聲減少。但較大的公園面積具有較大的游人容量，也會導(dǎo)致人工聲數(shù)值變化。

注：文中圖片均由白梓彤繪制。

致謝：感謝中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所國家林業(yè)和草原局城市森林研究中心提供的幫助；感謝博士趙伊琳及碩士程賀對數(shù)據(jù)收集提供的幫助。