“以人為中心”的噪聲評價與控制

陳克安，趙煥綺

（西北工業(yè)大學航海學院，西安 710072）

噪聲污染的影響分為對人、生物及非生物的影響三大類，而噪聲對人的影響是人們關注和研究的主要對象。具體說來，噪聲對人的影響分為聽覺效應和非聽覺效應兩部分。聽覺效應主要針對強聲對人聽覺器官和聽覺系統(tǒng)帶來的生理損傷，以及長時間作用帶來的聽覺功能退化；非聽覺效應主要是指人長期暴露于高強度聲環(huán)境下引起的生理或心理疾病，同時特別關注噪聲污染對語言交流和語音通訊的干擾、對聽覺注意力和工作效率的干擾和降低，以及帶給人煩惱、不舒適、不愉悅等心理上的負面感受。由于上述原因，人作為噪聲污染的主要受害者，其防治必須“以人為中心”。

2021 年12 月24 日，十三屆全國人大常委會第三十二次會議審議通過了《中華人民共和國噪聲污染防治法》（以下簡稱《噪聲法》）?！对肼暦ā访鞔_了“以人為中心”的指導思想和原則[1]，《噪聲法》的出臺是噪聲污染治理領域的標志性事件，必將推動我國聲環(huán)境保護事業(yè)向更高水平邁進。

《噪聲法》第二十一條規(guī)定，編制聲環(huán)境質(zhì)量改善規(guī)劃及其實施方案，制定、修訂噪聲污染防治相關標準，應當征求有關行業(yè)協(xié)會、企業(yè)事業(yè)單位、專家和公眾等的意見。這一規(guī)定是噪聲污染防治工作中“以人為中心”這一思想的具體體現(xiàn)，落實到技術層面，就是要求在噪聲污染評價與控制中，將人的聽覺感受作為出發(fā)點和落腳點。因此，大力開展基于感知的噪聲污染評價與控制意義重大，具有強烈的現(xiàn)實性和急迫性。

1 噪聲的評價及其度量

聲波對人的影響一直是聲學學科研究和考慮的重要因素。長期以來，為了兼顧便利性和實用性，評價噪聲的客觀參量一直以物理性指標為基礎，沿“聲壓幅值→聲壓級→計權聲壓級→基于聲壓級的綜合性指標”的路徑不斷發(fā)展。A 聲級是聲壓級的頻域加權形式，以1kHz、40dB 純音等響曲線為基礎對聲壓級進行修正，大致模擬了人耳對時間上連續(xù)、頻譜比較均勻、無顯著音調(diào)成分的寬帶噪聲響度的感受，其被認為是各種噪聲評價的基礎。在噪聲防治活動中，常常以A 計權聲級（A 聲級）為主，同時也應用其他客觀參量，如累計百分A 聲級、噪度、噪聲污染級等。

然而，人對聲音的主觀感覺與聲信號的各種聽覺屬性密切相關，不僅僅取決于響度。實際環(huán)境中，各種噪聲的感知特性千差萬別，傳統(tǒng)的以反映聲音響度為主的計權聲級不能完全表征人對噪聲的主觀感受。

為了充分反映噪聲對人的影響，尤其是考慮噪聲污染對人群的總體影響，在20 世紀70 年代，人們研究的重點轉向以現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)為主[2]，確定不同類型及場景下的環(huán)境噪聲公眾煩惱率，其目的在于研究噪聲污染的劑量——效應關系（dosage-effect relationship），典型成果就是被廣泛引用的“舒爾茨曲線”[3]，它開啟了噪聲煩惱感社會調(diào)查、量化及特性的新研究方向，其成果對環(huán)境聲學研究產(chǎn)生了重大影響，一些結論被應用于交通噪聲政策、標準和規(guī)范中。然而，煩惱感的影響因素眾多，僅僅以部分場景和測量數(shù)據(jù)獲得的結論不足以將煩惱度模型作為更高層面的噪聲評價指標。

2 噪聲污染的煩惱感評價

在Schultz 等[2]的研究之后的20 多年里，人們對噪聲對人的影響進行了持續(xù)、系統(tǒng)和精細化的研究，針對不同噪聲類型，考慮不同因素對煩惱感的影響，包括噪聲聲級大小、時頻特性等聲學因素的影響，以及聽者社會人文特征、生理心理狀況、對噪聲的熟悉程度等非聲學因素的影響，其中個體噪聲敏感性的影響最為突出[4]。

在對噪聲煩惱感的持續(xù)研究中，人們發(fā)現(xiàn)僅僅將噪聲作為一種物理性刺激對待遠遠不夠。在此基礎上，開啟了針對聲品質(zhì)的研究。20 世紀80 年代中后期，德國慕尼黑技術大學Aures 等[5]率先開始了聲品質(zhì)的研究；1994 年，Blauert[6]認為聲品質(zhì)是用于表述在特定的技術目標或任務內(nèi)涵中聲音的適宜性的。在聲品質(zhì)的語境中，“聲”是指人耳的聽覺感知，“品質(zhì)”是指人耳對聲事件的聽覺感知過程并最終做出的主觀判斷。在聲品質(zhì)研究中，原來作為物理性刺激的聲音被作為具有豐富生態(tài)含義的聲音事件來對待，品質(zhì)不僅僅指聲音的質(zhì)量，而是指與技術目標或特定任務之間的匹配程度。站在聲品質(zhì)這一新視角上，傳統(tǒng)的噪聲污染評價與控制的內(nèi)涵及范疇發(fā)生了巨大變化，催生了對這一傳統(tǒng)技術領域的新認識。

將聲音的感知與聲源和聲環(huán)境聯(lián)系在一起，聲品質(zhì)研究又可進一步細分為產(chǎn)品聲品質(zhì)和聲景觀[7]。聲景觀被定義為“特定場景下，一個人或一群人所感知、體驗或理解的聲環(huán)境”，在感知、體驗及理解聲環(huán)境的過程中，強調(diào)了場境、聲源、聲環(huán)境、聽覺感受、對聽覺感受的解釋、響應、效果這7 個一般性的概念及其之間的關系。聲景觀這一概念的引入，打破了傳統(tǒng)的基于聲能量描述的“噪聲污染”，以及基于能量降低的“噪聲控制”基本模式，其不僅描述了聲源及其在時空上的分布，而且將重點放在聽覺感受及對其的解釋上，將短期的反應、情緒和行為與整體的、長期的結果統(tǒng)籌考慮。因此，聲景觀對聲環(huán)境的理解更加全面、豐富，更加接近真實感受。

3 產(chǎn)品聲品質(zhì)技術新進展

產(chǎn)品聲品質(zhì)是指人在功能性或偏好性方面對產(chǎn)品發(fā)出聲音的一種主觀認知。Lyon[8]在關于產(chǎn)品聲品質(zhì)的研究中詳細描述了產(chǎn)品聲品質(zhì)分析的概念，認為其本質(zhì)是基于客觀測量來預測主觀偏好的過程。

聲音的評價是聲品質(zhì)研究的首要問題，分為主觀評價和客觀評價兩種。主觀評價致力于主觀評價實驗方法的研究，通過不斷改進主觀評價實驗以獲得更準確的聲音偏好性評分?？陀^評價方法研究又分為兩類：一類是對聲品質(zhì)量化方法的研究，通過提取聲品質(zhì)評價參量來客觀描述聲音的聲品質(zhì)；另一類是對聲品質(zhì)預測模型的研究，利用數(shù)學模型，建立主觀評價值與描述聲音信號的某種特征（特征參量）之間的關系，實現(xiàn)對聲品質(zhì)的預測，以此減少主觀評價實驗工作量，提高聲品質(zhì)評價效率。

聲品質(zhì)主觀評價方法種類很多，主要包括排序法、評分法、成對比較法和語義細分法，這些方法各有利弊，適用于不同的評價任務。聲品質(zhì)客觀評價方法包括對評價參量和聲品質(zhì)預測方法的研究。聲品質(zhì)評價參量是能對聲品質(zhì)進行衡量和描述的可測量的、客觀的物理量，通常使用心理聲學參量及音色參量。心理聲學參量以響度、尖銳度、粗糙度、波動強度、語義清晰度等為主，音色參量可以從時域、頻域、諧波參量、時頻域等4 個方面展開。

對于聲品質(zhì)的預測，本質(zhì)上是對產(chǎn)品輻射噪聲偏好性的量化研究，主要內(nèi)容是對噪聲煩惱度的建模，分為線性和非線性兩類。線性模型通常為顯式模型，給出了煩惱度與所依賴的自變量之間的顯性、線性關系，可以直觀地觀察、解釋和量化煩惱度與噪聲特征參量之間的關系。非線性模型基本上是隱式模型，常利用網(wǎng)絡結構，采用機器學習方法建立煩惱度預測值與聲樣本數(shù)據(jù)或特征參量之間的非線性映射關系。與線性模型相比，這類模型具有精度高、泛化能力強等優(yōu)點，但該類模型讓使用者無法觀察輸入、輸出之間的具體聯(lián)系，更無法對其進行物理解釋。目前，基于深度學習的建模方法已被研究和應用[9]，展現(xiàn)了巨大活力。

在獲得產(chǎn)品聲品質(zhì)評分或預測值之后，如何科學準確地對產(chǎn)品聲品質(zhì)滿意度進行分級是實際應用中一個非常重要的問題，雖然目前沒有統(tǒng)一成熟的方法，但部分方法已獲得應用。西北工業(yè)大學黨博、陳克安等[10]結合相關標準及主觀評價實驗，以級別容量比為中間量構建聲品質(zhì)指數(shù)與分級限值之間的關系，實現(xiàn)了噪聲聲品質(zhì)滿意度的分級，為家用電器聲品質(zhì)評價與分級提供了科學依據(jù)。

在聲品質(zhì)技術的應用中，汽車產(chǎn)品是最先運用這一先進技術的產(chǎn)品類別，也是聲品質(zhì)應用的主要對象，目前公開發(fā)表的聲品質(zhì)文獻中，超過90%是針對汽車的。此外，聲品質(zhì)的研究已擴展到高速列車、家用電器，以及航空、航天及船舶等領域。近年來，我國針對直升機、固定翼飛機艙室噪聲聲品質(zhì)的研究取得了豐碩成果[11]。目前，越來越多的機電產(chǎn)品生產(chǎn)商將聲品質(zhì)作為產(chǎn)品設計和測試的必要環(huán)節(jié)，一些公司還推出了專業(yè)化的聲品質(zhì)評價與測試系統(tǒng)。

4 基于煩惱感抑制的噪聲控制方法

在“以人為中心”的思想指導下，傳統(tǒng)的聲學設計與噪聲控制工程成為基于感知的聲音工程（PSE）[12]，其以聽覺感知為導向，以聲品質(zhì)技術為核心，以聲學結構的正向和反向設計為手段，以工程心理聲學為基礎、以聲音舒適性為目標，是融合多學科知識的產(chǎn)品聲音控制工程。

PSE 的核心問題是降噪。以往人們對降噪的理解就是通過各種手段實現(xiàn)噪聲能量的降低，其分為無源控制和有源控制兩大類，本質(zhì)上均可歸類于“減法”降噪措施，幾乎涵蓋了目前所有的噪聲控制方法。然而，由于技術、經(jīng)濟、工程實施等多方面的原因，這些方法在有的場景下幾乎是不可行的。

如果噪聲作用的對象是人，那么降噪的目標就是減輕人的不良感受。為此，人們提出利用添加一種聲音以改變另一種聲音的聽覺感受，從而使聲音的總體品質(zhì)（如舒適性、愉悅度等）得到改善的噪聲控制方法，這種方法是一種“加法”降噪措施，也被稱為音頻注入法（AIM），該方法具有裝置簡單、實施方便、成本低等顯著優(yōu)點。

近10 年來，AIM 研究逐漸升溫，針對的場景分為戶外和室內(nèi)噪聲煩惱感抑制兩方面。在戶外，最早的研究主要針對城市開放空間（如城市廣場、公園、交通干線兩側），人們觀察到，原本在城市廣場中發(fā)揮景觀功能的噴泉，其聲音與周圍環(huán)境中的噪聲疊加后在一定條件下會提高聲景觀品質(zhì)[13]。在早期的研究中，人們主要是通過設計一系列主觀評價實驗，在實驗室或現(xiàn)場觀察并記錄哪些噪聲組合會發(fā)生煩惱感抑制現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象的噪聲種類很多。AIM 研究面臨的首要問題是調(diào)控聲類型的選擇，研究表明，水流聲、鳥鳴聲、風聲等自然聲對噪聲煩惱感的降低尤為明顯[14]，水流聲最受青睞[15]；人為設計的調(diào)幅聲與調(diào)頻聲、帶寬噪聲等也可降低疊加后組合聲音的煩惱感；音樂聲作為調(diào)控聲具有很大潛力，相關研究也十分有價值。

在室內(nèi)，近年來人們重點關注的是開放辦公室中的聲舒適性控制[16]。實驗表明：通過使用耳機傳遞的改良型棕色噪聲，可以使開放辦公室中員工的注意力和執(zhí)行特定任務的能力得到提升；在大型開放式辦公室角落或中心設置水景，其水流聲可以明顯減少注意力不集中等問題。室內(nèi)噪聲煩惱感抑制的其他重要對象是家電噪聲、醫(yī)療設施噪聲、交通工具艙內(nèi)噪聲等。此外，各類交通工具艙內(nèi)的噪聲抑制也是一個新的發(fā)展方向。

5 結語

《噪聲法》著眼于實現(xiàn)人民群眾對美好生活的向往與追求，著眼于提高人民群眾的滿意度，也就是堅持“以人為中心”，從技術層面講就是在噪聲污染評價與控制中以人的感知為評判標準。雖然目前在噪聲評價與度量中仍然以計權聲壓級為基礎，但以煩惱感、聲品質(zhì)、聲景觀等為核心要素的觀察視角正在走向?qū)嶋H應用?！堵晫W 應用社會調(diào)查和社會聲學調(diào)查評價噪聲煩惱度》（GB/Z 21233—2007）已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，噪聲煩惱度的評價和預測方法的國家標準也在制定中，一些關于聲品質(zhì)測試與滿意度分級的團體標準已經(jīng)制定并在實際工作中發(fā)揮了作用[17]?；诟兄穆曇艄こ桃训玫较嚓P領域科技工作者的重視，相關的科學研究和技術開發(fā)正在逐步走向深入，這些工作將進一步豐富噪聲污染防治的內(nèi)涵，不斷推動噪聲污染防治技術水平邁上新臺階。