可聽化技術(shù)在地鐵聲環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用

王 帥

（上海大學(xué) 上海美術(shù)學(xué)院，上海 200072）

0 引言

如今，地鐵已成為全球各國爭相發(fā)展的重要交通工具。大部分地鐵是近乎全封閉的公共空間，容易使乘客產(chǎn)生壓抑煩躁、方向感不明等心理狀態(tài)[1]。以往，地鐵部門通常會采用燈光、導(dǎo)視等視覺手段提升地鐵的環(huán)境體驗，但地鐵站空間本身視覺信息繁復(fù)，很難起到良好的效果，因此需要從其他知覺通道進行優(yōu)化。

聽覺作為人的第二大感知通道，是除視覺外人類獲取外部環(huán)境信息的主要途徑[2]。在地鐵站空間體驗設(shè)計方面，聽覺主要局限在材料、空間走向等物理降噪手段，而在數(shù)據(jù)信息過載的時代背景下，基于聲學(xué)的可聽化技術(shù)憑借其特殊的信息傳達優(yōu)勢而興起。視聽聯(lián)覺打造一個舒適的、可交互的地鐵站聲環(huán)境，能夠成為地鐵空間人性化設(shè)計的有利突破口。

本文以國內(nèi)地鐵站為設(shè)計研究對象，針對地鐵站空間的聲場特點，結(jié)合信息可聽化以及空間設(shè)計等手段進行聯(lián)覺設(shè)計，探索聲學(xué)配合視覺傳達以及交互技術(shù)等進行聯(lián)覺設(shè)計的方法。

1 可聽化技術(shù)綜述

1.1 基于心理聲學(xué)的可聽化技術(shù)

可聽化是指利用非言語信號來表征信息，主要分為聽標(biāo)、耳標(biāo)以及參數(shù)化映射[3]三個部分。聽標(biāo)是用日?，F(xiàn)實世界的聲音來表征計算機信號事件，例如手機卸載App 對應(yīng)的聽標(biāo)是垃圾被清掃的聲音；耳標(biāo)是指用來表征信息的樂音，如Windows 系統(tǒng)用上升旋律和下降旋律分別對應(yīng)登錄和注銷操作；參數(shù)化映射，是指將數(shù)據(jù)的特性與心理聲學(xué)參數(shù)（頻率-音高、振幅-音響以及復(fù)合參數(shù)音色）形成映射關(guān)系，從而能夠表征連續(xù)、動態(tài)且多維的信息，例如微信小游戲“跳一跳”將按壓小人的力度大小映射到音高與響度的大小，使玩家能夠更準(zhǔn)確地把握力度。

現(xiàn)階段的理論中，完整的可聽化設(shè)計流程主要包含數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、聲音映射設(shè)計、聲音合成以及放音顯示五個部分，如圖1 所示。其中，最重要的環(huán)節(jié)是針對數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為聲音信號的映射規(guī)則設(shè)計。

圖1 可聽化設(shè)計流程

1.2 康定斯基聲音-圖形聯(lián)覺理論設(shè)計視覺輔助

可聽化擅長表現(xiàn)多維信息的變化，但人們并不能直接通過聽覺得到單維的精確值，因而與可視化設(shè)計配合，能夠?qū)?shù)據(jù)信息呈現(xiàn)最優(yōu)化。康定斯基的聲音-圖形通感理論，對于點、線、面等圖形元素的表現(xiàn)分析，能夠分別對應(yīng)到聲學(xué)的音節(jié)、旋律、乃至音響[4]，通過點線面的組合疏密變化映射到聲音的動態(tài)變化，是實現(xiàn)可聽化與可視化配合的有力支撐?？刀ㄋ够曇?圖形通感理論與可聽化技術(shù)的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 康定斯基聲音-圖形通感理論與可聽化技術(shù)的關(guān)系

1.3 現(xiàn)有可聽化設(shè)計作品

目前的可聽化技術(shù)主要應(yīng)用于航天、醫(yī)學(xué)、金融以及地理信息等數(shù)據(jù)量密集的領(lǐng)域，出現(xiàn)了宇宙量子口哨、心電腦電可聽化、蓋革計數(shù)器以及地質(zhì)信息可聽化等應(yīng)用。另外，可聽化技術(shù)主要還使用在藝術(shù)設(shè)計方面，以純藝術(shù)化的方式呈現(xiàn)居多，以下列舉部分作品及應(yīng)用。

1.3.1 聆聽維基百科

該作品基于維基百科的開放數(shù)據(jù)，每一個后臺改動都會自動生成一種聲音。例如，鐘聲代表新增詞條，音調(diào)越低沉表明改動范圍越大。在頁面的可視化上，綠色圓圈是非注冊用戶的編輯，紫色代表自動編輯，白色圓圈是注冊用戶的改動，圓圈大代表改動較大。該作品是數(shù)據(jù)可視化與可聽化結(jié)合的經(jīng)典案例，如圖3 所示。

圖3 聆聽維基百科

1.3.2 數(shù)據(jù)詮釋《四季》

2019 年，北德廣播易北愛樂樂團在漢堡易北愛樂音樂廳，將基于歷史氣候數(shù)據(jù)的算法應(yīng)用于樂譜中，重新演繹維瓦爾的《四季》。這些數(shù)據(jù)來自于研究機構(gòu)、環(huán)境機構(gòu)及大學(xué)。全球氣溫的升高、極端天氣的頻率增加等氣候演變以及鳥類、昆蟲種類的減少等，都在樂譜上得到了體現(xiàn)。

1.3.3 面向自然聲模擬的地震波數(shù)據(jù)可聽化

2016 年，北京大學(xué)國家虛擬仿真實驗室針對地震波中振幅、P 波以及S 波的不同特性，分別映射到雨聲、雷聲及風(fēng)聲等自然聲，將不可聽的地震波數(shù)據(jù)實現(xiàn)了可聽化處理，為地震監(jiān)測提供了新的有效途徑。

2 中國地鐵站聲環(huán)境分析

空間的聲環(huán)境基于其空間屬性。要了解一個空間區(qū)域的聲環(huán)境特性，必須先了解其空間構(gòu)成。

2.1 中國地鐵站的空間特征

2.1.1 中國地鐵站的空間構(gòu)成

國內(nèi)地鐵站空間主要由站臺和站廳兩部分組成，空間構(gòu)成有所不同。站臺是指乘客直接候車的空間區(qū)域，國內(nèi)的地鐵站臺主要分為島式站臺、側(cè)式站臺以及混合式站臺三類。站廳是乘客購票、分流等具備公共服務(wù)功能的空間區(qū)域，與地鐵站的類型、空間構(gòu)成有密切聯(lián)系，一般分為橋式站廳、樓層式站廳、夾層式站廳以及獨立式站廳四類。三類站臺樣式如圖4 所示，四類站廳樣式如圖5 所示。

圖4 三類地鐵站臺示意圖

圖5 四類地鐵站廳示意圖

2.1.2 地鐵站的空間尺度

地鐵站臺和地鐵站廳作為兩個具有不同功能的地鐵站空間，在空間尺度上有著各自的考量。國內(nèi)站臺一般跨距4～5 m，地面距離頂板4～5 m，站臺面至吊頂面約3 m，站臺總長60～140 m，屬于典型的長空間；而站廳的空間構(gòu)成則較為靈活多變，樓層式站廳最為常見，一般同為長空間，而其他站廳類型不受限制。

2.2 中國地鐵站的聲場特性

2.1.1 長空間聲學(xué)理論

長空間是指在一個空間的三維尺度中，其中一維的尺度遠遠大于另外兩個維度的尺度，且另外兩個維度的尺度仍大于聲波的長度。傳統(tǒng)的室內(nèi)空間屬于擴散聲場，各處的聲壓級較為均衡，但長空間屬于非擴散聲場，各處的聲壓級差距較大，因而傳統(tǒng)室內(nèi)聲學(xué)理論并不適用于長空間。

2.1.2 中國地鐵站空間聲場特點

地鐵站中的站臺空間多為長空間或者扁平空間，適合用長空間理論進行分析，而站廳空間則較為靈活，可參考傳統(tǒng)聲學(xué)理論。哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對地鐵站臺的聲場和混響時間做了相應(yīng)的“非擴散性聲場聲學(xué)實驗”，實驗結(jié)果表明中國地鐵站空間聲場具有以下特點：

（1）聲音在地鐵站臺中的衰減比在自由聲場中慢；

（2）混響時間隨距離增加而增長；

（3）長向墻面的吸聲能力與聲場傳播強度呈反比；

（4）多聲源情況下，聲源指向性和間距對聲場傳播的清晰度有影響。

3 地鐵站空間環(huán)境營造現(xiàn)狀

聲音是影響人對場所體驗的重要元素[5]，而如今地鐵環(huán)境場所的打造，主要停留在視或聽某個單一維度。韓國首爾地鐵在進站、到站均播放不同的動聽旋律，在傳達信息的同時，能夠舒緩乘客的身心狀態(tài)；斯德哥爾摩地鐵站結(jié)合站臺周邊景物，設(shè)計了極具特色的個性化空間，模擬了自然環(huán)境，使封閉的地鐵空間與外界環(huán)境產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)；上海地鐵漢中路站作為市區(qū)大型換乘車站，客流量巨大，為解決乘客易產(chǎn)生方向缺失感的問題，通過光影設(shè)計，以蝴蝶形態(tài)的LED 動態(tài)燈光來引導(dǎo)行人前往正確方向?？梢姡陕牷夹g(shù)在地鐵空間中的應(yīng)用并不多見。

4 可聽化設(shè)計在中國地鐵聲環(huán)境設(shè)計中的應(yīng)用探索

4.1 基于地鐵站聲環(huán)境特征的聲源設(shè)計啟發(fā)

站臺與站廳的聲場特點不盡相同，可分開選取典型的地鐵站進行區(qū)分設(shè)計。站廳可選擇具有人流導(dǎo)向性強的換乘站站廳，以最大化信息（方位）可聽化聲環(huán)境的設(shè)計作用；站臺可選取軌行區(qū)，結(jié)合運用地鐵進站等噪音進行設(shè)計。

可對聲源、揚聲器的指向性和排列方式、間距進行設(shè)計。多聲源情況下，聲源指向性和間距對聲場傳播的清晰度有影響，主要影響因素是聲場的傳播和混響。降噪方面，一般會為了更好的效果而減少混響，但信息可聽化需要一定程度上的混響效果。

4.2 視覺輔助下的可聽化設(shè)計方式

好的地鐵站空間環(huán)境體驗離不開視覺與聽覺的空間營造，可聽化技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)從聽覺和視覺兩方面展開。

聽覺方面，可以引入富有各類信息參數(shù)的樂音。在時間缺失感的補償上，可以將外部的天氣實時數(shù)據(jù)可聽化，結(jié)合早中晚不同時間段的自然元素，運用不同旋律，如上午節(jié)奏明快、中午悠揚、傍晚舒緩等引發(fā)聯(lián)想的樂音，在地鐵站內(nèi)作為背景音樂進行實時播放，幫助人們感知外界的時間變化、環(huán)境變化。在空間迷失感的問題上，可采用聲音導(dǎo)覽設(shè)計，即方位信息的可聽化，如基于地鐵站空間走向?qū)P聲器進行指向性排列組合，對播放順序、音色響度等進行參數(shù)化的設(shè)計，聽聲辨位，通過聲音提供給乘客直觀性的方向信息，起到聲音導(dǎo)覽的作用，減緩視覺引導(dǎo)的過載。同時在呈現(xiàn)形式上，可以通過檢測設(shè)備感知收集人流數(shù)據(jù)，根據(jù)人流狀態(tài)，將實時人流數(shù)據(jù)映射到聲環(huán)境的參數(shù)設(shè)計中，實現(xiàn)聲音導(dǎo)覽的多重互動，增加乘坐的出行樂趣。

視覺方面，主要在空間設(shè)計和燈光設(shè)計上，輔助可聽化技術(shù)提高時間缺失、方向迷失等問題解決的效果。在空間上，配合可聽化技術(shù)，設(shè)計與聽標(biāo)元素相匹配的的視覺元素，可直接作為公共藝術(shù)，如類似于同濟大學(xué)的Cymatic 聲音可視化作品，或者采用投影、燈光的形式與聲音相呼應(yīng)。針對聲音導(dǎo)覽設(shè)計，配合以視覺光影元素的動態(tài)呈現(xiàn)，將視覺導(dǎo)覽與聲音導(dǎo)覽相結(jié)合，并實現(xiàn)可聽化交互。具體的設(shè)計流程如圖5 所示。

圖5 地鐵站聲環(huán)境設(shè)計可聽化應(yīng)用流程

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)在地鐵站等公共封閉空間的聲環(huán)境設(shè)計上，主要局限在空間走向設(shè)計、裝修材料設(shè)計、頂棚構(gòu)造設(shè)計等物理手段。本文基于長空間聲學(xué)理論、心理學(xué)以及可聽化技術(shù)，對地鐵站的聲環(huán)境進行了分析與可聽化技術(shù)設(shè)計應(yīng)用探索。在未來的地鐵站設(shè)計中，將聲學(xué)信息可聽化與視覺空間導(dǎo)覽設(shè)計相結(jié)合，可以增強地鐵空間環(huán)境的互動性，改善地鐵聲環(huán)境，解決乘客空間迷失感與時間缺失感等心理問題，從而提升乘客出行體驗的附加值。