北京城市公园春季人工声景构成及其变化

白梓彤

王 成*

赵伊琳

郝泽周

孙振凯

城市公园是城市重要的绿色生态空间和居民休闲场所，其生态系统受城市环境的影响很大，近年来有关城市公园声景的研究成为一个新方向。声景的概念是由默里·舍费尔(Murray Schafer)在1977年出版的《世界的音调》(The Tuning of the World)一书中首次提出[1-2]，是指“在一定背景下，被一个或一群人所感知、体验、理解的声环境”(ISO 12913-1-2014)。声景由生物声、地球物理声与人工声3种主要成分构成[2-3]。其中，在城市环境下人工声占据声环境的绝大部分，是声环境的重要成分，产生不可忽视的影响。人工声是指由人类活动所产生的所有声学信号[4-6]，绝大部分由随机事件组成，具有频谱分布范围广、持续时间长、均质等声学特点，这使常用的声学方法无法很好地适用于人工声研究。

国内外对城市公园中人工声进行独立性研究的较少，缺少季节昼夜周期的连续观测，分析公园样本数量少，同时不同类型公园之间的对比不成体系。多数研究将人工声与生物声同时进行探讨，或将实验建立在人工声与景观的交互评价上。因此，对城市公园中的人工声进行全面综合的研究具有重要意义。声音也是生态系统的组成部分，如何在城市地区反映人工声变化特征、如何将人工声在城市公园中进行表达设计是城市声景发展中的一项重要内容。本研究运用录音设备和计算软件分析人工声景，得出声源构成和变化特征，不仅反映了公园声景的特征，也同时反映了公园内生物的生存环境及生存现状。实验结合声景生态学，揭示了城市公园人工声的构成特征及其基本变化规律，以期为北京地区的声景监测管理、保护和公园的优化建设提供帮助。

1 研究地概况与研究方法

1.1 样地选择

1.1.1 公园选择

根据不同城市公园的地理位置、行政级别、公园面积、与市中心距离，结合《城市绿地分类标准》(CJJ/T 85—2017)划分的专类公园、社区公园、游园、综合公园、郊野公园等类型，选取了北京五环内10个城市公园(图1)。

1.1.2 观测点设置

基于公园面积聚类结果，在公园内分别设置1～5个样地观测点，共计36个。注意样点周围包含广场、建筑、道路、水体、自然植被(包括乔木、灌木、草本不同群落结构)等不同景观斑块的分布。公园内各样点间至少相距200m，确保采集到的声音能代表公园声音的整体情况(表1)。

图1 样地分布图

1.2 数据采集方法

2019年4月10—20日，每处样点内放置1台声音自动采集器Zoom H5，选取晴朗微风的6个昼夜进行24h连续监测。设置采样率44 100Hz，数据分辨率16bit，立体声采样，采集音频格式为WAV。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 声音处理及计算

利用Jupyter Notebook模块程序包，自动截取音频，数据每隔15min抽取1min声音样本，最终截取到13 824min的声音文件。运用声音处理软件Adobe Audition对截取到的立体声音频进行音轨合并。采用R语言soundecology、tuneR及seewave程序包对数据进行声景指数计算。

1.3.2 声学鉴定分析

声音语谱图是一种描述声音时间-频率-能量谱密度变化的图像，是声音分析的重要方法[7]。通过声谱图可以将声音事件可视化，越大的声音(具有较大的能量)在光谱上具有越亮、越强烈的颜色[8]。为了准确辨认春季每个公园的人工声来源、种类及出现时长，本次实验每30min听取辨析1min音频样本，将每一次声学信号出现至发声结束称为一次发声事件，对声谱图和时域图进行辨认，典型人工声的声音图谱如图2所示。在对音频进行分类统计时，同一段音频中不同种类的人工声单独统计频率及时长，声音种类可以互相重叠。

图2 代表性人工声声谱图[x轴(时间/s)，y轴(频率/Hz)，矩形框内为代表性声学信号]

1.4 声景指数选择与量化

1.4.1 标准化差异指数(Normalized Difference Soundscape Index，NDSI)

在景观尺度上描述人类活动对声景干扰的指数。可用于指示人工声在声景中所占的比例，能够有效指示人类对自然环境的影响。NDSI指数适用于城市地区的声音测量，数值分布在-1～1。公式如下：

NDSI＝(b－a)/(b＋a)

式中，a表示人工声的频率；b表示生物声的频率。人工声增加，则数值越小，负值越大；人工声衰减，则数值增大。

1.4.2 平均功率谱密度(Power Spectral Density，PSD)

采用由韦尔奇(Welch)在1967年创建的平均功率谱密度算法计算声音所携带的能量。声音的能量可以体现声音的振幅变化，能量越大，振幅越大，则响度越大，被人感知到的声音就越强烈。声音所携带的能量可以通过功率谱密度图来量化体现，将声音离散为1kHz分辨率的频率带，量化声音在各频率范围(每1kHz频带)内的功率。

2 实验结果与分析

2.1 北京城市公园人工声景的构成特征

声景由许多元素共同构成，在时间及空间上都是不断变化的。人工声作为城市公园声景主要的组成成分之一，是指由人类活动所产生的所有声学信号，包括人的声音及人类活动产生的声音[9]。在由人类主导的城市地区，人工声将主导声音景观[10]，影响城市生物的活动。刘江等在金山公园的声源构成分类中，将人工声分为人类活动声、交通声和机械声3个亚类[11]；另外也有学者将公园中的人工声分为交通声、机械声和非机械声。在前人研究基础上，本文依据人工声的声学特征及声源影响对人工声进行全面系统的分类。

通过Adobe Audition对音频文件的辨析，共识别出37种人工声。主要分为交通声、话语声、活动声和机械电子声(表2)，有部分无法识别的活动声，统称为其他活动声。其中有交通声6种、话语声5种、机械电子声8种及活动声19种，话语声出现最多。

交通声出现在所有公园中，在人工声中主要表现为消极的噪声干扰；话语声侧面表现了游客的整体情绪及公园的游客量；机械电子声表明了公园声景受到施工作业产生的影响，同时包括积极的广播声；活动声主要是由人类的游憩活动产生声音，表明了游客对公园的使用情况。

另外，根据人工声的持续性与完整性，又可以分为离散型人工声和连续型人工声。其中，离散型人工声有13种，连续型人工声有25种(表3)，以连续型为主，占总时长的94.74%。

2.2 春季人工声景的声源特征分析

2.2.1 人工声声源总体特征

本次抽取的音频样本中，共有38种人工声(包括未识别的其他活动声)，总计1 280次，总时长14 140.06s。将各公园样点中出现的人工声源种类的数据(包括各类人工声出现的频次和总时长)进行均值处理以代表该公园的人工声构成情况。

从38种人工声出现频率来看，欢笑讲话声出现150.20次，时长占38.06%，发生频率最高；其次是车辆发动行驶声，出现79.37次，时长占21.43%；最少的是手机铃声和自行车行驶声。从38种人工声单次时长来看，浇水声最长，平均每次60.00s；敲撞声最短，平均每次仅有0.60s。

从人工声各声源种类出现时长来看，话语声出现的总时长最长，出现5 464.49s，占总时长的38.65%；其次是交通声出现3 521.45s，占总时长的24.90%；第三是活动声，出现2 608.90s，占22.40%；总时长最短的是机械电子声，但与活动声差距不大，出现2 545.23s，占总时长的18.00%。

整体来看，本次调查的10个公园的离散型声音共出现811.37次，时长743.25s；连续性声音出现468.83次，时长为13 396.85s。这表明北京城市公园离散型人工声出现的频次较多，但在声音总时长上连续型人工声占了94.74%。

2.2.2 不同种类公园的人工声构成差异

从不同种类公园的人工声构成来看，在综合性公园、社区公园、专类公园及游园中，活动声出现次数最多，话语声出现时长最久；而在郊野公园中，交通声出现频率最多，出现时长也最久。

人工声出现总时长的顺序是：郊野公园＜社区公园＜综合性公园＜游园＜专类公园；人工声出现总频次的顺序是：郊野公园＜社区公园＜综合性公园＜专类公园＜游园。这表明郊野公园无论在人工声频次或出现时长上均较其他公园少，而在专类公园及游园中人工声存在较多。

通过对声谱图的分析发现，公园各时段的人工声来源存在差异。上午在社区公园与专类公园中话语声及活动声最多，郊野公园及综合性公园中活动声最多；而下午在游园中话语声及活动声较多。北京公园开园时段(8：00—20：00)的人工声构成较闭园时段(20：00—次日8：00)的声音构成也有不同。在晚间公园关闭后，公园内部的人工声减少，主要由来自公园外部的交通声、机械声及建筑施工声构成。

表1 样地信息概况

表2 人工声声音类型分类

表3 人工声声音特征分类

2.3 北京城市公园春季人工声景的变化特征

2.3.1 春季城市公园人工声总体特征

人工声的频次特征强调了离散型声音的影响，时长特征强调了连续型声音的影响。能量值可以排除人工声出现频率与时长等特征的影响，较好地反映各个公园生态系统中人工声的相对值。

本次观测的城市公园中人工声普遍分布于低频0.2～2.5kHz，生物声通常分布于较高的2.5～9kHz频率带，其中1～2kHz低频带能量则包含了大部分人工声的能量(不包括高频段的飞机声)。有研究表明，生物声与人工声呈负相关[5]，即人工声与生物声在人的感知上互相覆盖。通过PSD结果对同类公园1～2kHz频带能量进行均值计算，代表不同种类公园的人工声强度。基于对各城市公园春季音频的计算表明，人工声在城市公园声景中占有主要地位，能量占比均在58%以上，而生物声所占频率带则占有最少的能量。

各频率带的日均值显示，在10个公园中，玲珑公园的人工声能量日均值最高为0.998Watts/kHz，玉东公园的人工声能量日均值最低为0.954Watts/kHz。

各公园人工声PSD值表明，玉东公园和天坛公园的频谱带不同于其他公园(图3)。玉东公园高频9～11kHz的能量明显高于其他公园，达到0.032Watts/kHz，推测是公园上空出现飞机声导致的；天坛公园的2～3kHz频率带在所有公园中最高，达到0.101Watts/kHz，可能是相比其他公园存在较多的话语声，或是存在较多的生物声。

2.3.2 春季城市公园人工声日变化特征

1)春季各类公园人工声昼夜存在差异，其中综合性公园、游园与综合性公园的昼间总能量值多于夜间，社区公园及郊野公园的昼间总能量值少于夜间，在日总能量值上表现为社区公园＞游园＞综合性公园＞专类公园＞郊野公园(表4)。

图3 春季2个代表性公园PSD柱状图图3-1 春季玉东公园中各频率范围(每1kHz频带)声音的占比情况图3-2 春季天坛公园中各频率范围(每1kHz频带)声音的占比情况

表4 各类公园人工声昼夜PSD能量值

2)不同类型的城市公园中人工声的日变化曲线多数呈“V”形，但各曲线的变化幅度不同，各类型公园不同时刻的人工声PSD分布在0.88～1kHz(图4)。北京的大部分公园都在夜晚关闭，因此夜间的居民活动对公园声景的影响较弱，声景主要受周边交通声及建筑施工声的影响。在12：00—次日3：00，各种类公园的PSD分布情况基本表现为：社区公园＞游园＞综合性公园＞专类公园＞郊野公园。

从具体变化过程来看，各类公园的变化曲线均在4：00开始降低，这与鸟类开始鸣唱的时间相符[12]。其中专类公园的变幅较为剧烈，导致这种变化趋势的主要原因可能在于以下几点。首先，本次实验所选择的专类公园均为历史性专类公园，建成时间早，公园内林分结构稳定，栖息地存在时间较长。也有研究者认为，与最近被人类活动干扰或改变的栖息地相比，存在时间较久的栖息地，为本地物种提供了更多的时间来优化选择它们的发声行为，在声景上表现出更多的复杂性和多样性[12-13]。其次，历史性专类公园具有较高的文化价值，公园景观管理水平较高，林分养护较好。因此，栖息地斑块内活动及定居的物种较多，生物多样性较为丰富，在发声物种开始鸣唱时，生物声能量较大，同期被感知到的人工声能量就会被削减。同时，由于历史性专类公园特殊的参观游览性质，游客量在日间多于其他公园，因此人工声的能量均高于其他类型的公园，在发声物种鸣唱结束后回弹波动较大。

3)不同类型的城市公园中人工声的日变化具体过程存在差异。综合性公园的曲线呈清晰的“V”形结构，曲线从4：00开始下降，在7：00降至低谷并开始回升，11：00曲线回归稳定状态。社区公园的曲线变化幅度较为平缓，分别在5：00和11：00降低。社区公园的公园面积较小，活动人群多数为周围的老人及儿童，活动类型较为单一，活动时间较为密集。在中午人群活动结束后，人工声开始减少。此时，即在人工声减弱或结束时，发声动物会开始鸣叫以削减声音覆盖对其信息交流带来的负面影响[14]，产生错峰鸣唱的现象。郊野公园的指数曲线波动频繁，但波动幅度较小，整体变化不显著。自然环境下的发声生物，如鸟类，会在清晨与黄昏时分进行最集中的鸣唱活动[15-17]，即在5：00与18：00人工声能量减弱可能是生物声的能量升高所导致的。郊野公园的游人密度较低，植被结构种类丰富且更加近自然形态，在多种因子共同影响下，人工声在传播过程中被削减的程度不同，导致被感知的人工声波动较大。

另外，春季北京各种类城市公园声景NDSI变化趋势与人工声PSD变化趋势基本一致(图5)，多呈单峰状，表明生物声对人工声被感知的情况有影响。同时，NDSI数据整体趋势变化波动不大，在-0.38～-0.84，均为负值，这与非城市地区及半城市化地区的NDSI结果有明显区别。

2.3.3 不同公园的人工声日变化及其差异

不同公园的人工声日变化及其差异如图6所示。19：00—次日4：00各公园人工声能量曲线分布顺序为：玲珑公园＞老君堂公园＞四得公园＞丰益公园＞兴隆公园＞中山公园＞奥森公园＞蔺圃公园＞天坛公园＞玉东公园。

天坛公园的日变化曲线呈“W”形，是所有类型公园中最符合生物鸣唱规律的。在近自然的地区，鸟类存在合唱的现象，通常会在清晨及黄昏进行2次合唱。当生物声增加的时候，人工声会在感知上被掩盖，这也是人工声出现“W”形曲线的主要原因。其余公园人工声曲线呈“V”形，但是最低值出现的时间各有不同，这可能是受到不同居民活动影响产生的错峰鸣唱。从春季各公园整体的人工声日变化曲线来看，城市声景中发声鸟类有明显的单次合唱倾向，即每天仅在清晨合唱，弱化黄昏合唱的强度，并缩减黄昏合唱时间，这很可能是城市人工声对生物发声时段的挤压，可以推测为北京城市公园中背景噪声(地球物理声及不可辩背景音)过大，导致声景指数计算上产生误差。

图4 春季不同种类公园人工声PSD日变化

图5 春季不同种类公园NDSI指数日变化

图6 春季10个城市公园人工声PSD值日变化

表5 春季10个城市公园人工声昼夜PSD值

10个公园春季人工声平均能量值顺序为：玲珑公园＞老君堂公园＞四得公园＞中山公园＞蔺圃园＞丰益公园＞兴隆公园＞奥森公园＞天坛公园＞玉东公园(表5)。其中，丰益公园、四得公园、玉东公园及老君堂公园的夜间人工声能量值大于昼间，其余公园的夜间能量值小于昼间。这主要是由公园周边地块较丰富的交通声导致的，如丰益公园与玉东公园是受到飞机声的影响，老君堂是受到公园上空高铁声的影响。

3 结论与讨论

3.1 结论

1)北京城市公园人工声主要分布于低频0.2～2.5kHz，在城市公园的整个声景中占有主要地位。春季人工声源主要有38种，来源广泛，按照声音来源类型分类，可以分为交通声、话语声、机械电子声及活动声；按照声学特征分类，有离散型人工声和连续型人工声。

2)北京城市公园中人工声以话语声和活动声为主。在综合性公园、社区公园、游园及专类公园中，话语声出现时长最久；而在郊野公园中，交通声出现最多。不同公园之间人工声的来源、出现频次与时长均有不同。

3)从公园类型来看，郊野公园与专类公园的人工声种类构成较为复杂，但人工声强度较小，社区公园的人工声构成单一且人工声强度大。

4)不同公园的人工声日变化规律基本一致。人工声昼间出现的频次及时长显著多于夜间，但昼间能量值却略少于夜间。其中昼间的人工声以话语声为主，夜晚的人工声主要由来自公园外部的交通声、机械电子声及公园内清晨、傍晚的活动声构成。

3.2 讨论

城市公园人工声的差异受公园面积、年龄、绿地状况及地理位置的影响，但相关因子的关联性分析需要更加深入的探讨研究。公园外部的人工声通常经过公园的缓冲区域被削减后成为公园背景声，具有较大公园边缘面积的可以屏蔽掉一些外部声音，使被人们感知到的周边交通声及活动声减少。但较大的公园面积具有较大的游人容量，也会导致人工声数值变化。

注：文中图片均由白梓彤绘制。

致谢：感谢中国林业科学研究院林业研究所国家林业和草原局城市森林研究中心提供的帮助；感谢博士赵伊琳及硕士程贺对数据收集提供的帮助。