臥室臨睡情境下聲光交互侵?jǐn)_對忍耐極限的影響

于 躍，張 昕，康 健

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；2.University of Sheffield，S10 2TN UK)

引言

聲與光污染是影響人類生活品質(zhì)的環(huán)境問題，日益成為自然環(huán)境和人類健康的嚴(yán)重威脅[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，夜間道路運輸、商業(yè)活動等經(jīng)濟(jì)行為所產(chǎn)生的聲光污染波及的區(qū)域不斷擴(kuò)大，城市居住環(huán)境夜間受聲光交互侵?jǐn)_的問題也日趨嚴(yán)重(圖1)。研究表明，環(huán)境噪聲污染可導(dǎo)致神經(jīng)、消化及免疫系統(tǒng)疾病，危及居住者生理及心理健康[2,3]。長期處于光污染環(huán)境中會擾亂人們正常的晝夜節(jié)律，引發(fā)機(jī)體器質(zhì)性疾病，危害健康[4]。

圖1 被聲光同時侵?jǐn)_的居住環(huán)境Fig.1 Example of residential environment disturbed by sound and light

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)計

實驗設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境中，模擬在臨睡狀態(tài)下，由室外聲、光及聲光交互侵?jǐn)_造成被試達(dá)到忍耐極限。實驗選取城市環(huán)境中常見的3種色溫的照明和3種類型的聲音作為侵?jǐn)_變量，其范圍及梯度由一系列預(yù)實驗確定，分別為33～50 dB-A和1～190 lx；強(qiáng)度梯度分別為8個和18個。

由于變量數(shù)量及梯度組合量過多(3×8×3×18)，本研究采用正交實驗設(shè)計，選擇對聲、光侵?jǐn)_及交互侵?jǐn)_的“忍耐極限”作為關(guān)鍵測試點，即容忍度評價表中的“Just intolerable”評價點位(圖2)。首先使用單一侵?jǐn)_變量按強(qiáng)度由弱至強(qiáng)的順序逐一對被試進(jìn)行測試，在被試口頭報告“無法忍受”后停止測試，則前一個可接受的最大侵?jǐn)_強(qiáng)度即為該被的忍耐極限值。記錄每個被試對各個單變量的忍耐極限后，進(jìn)行聲光交互侵?jǐn)_測試，即在一種屬性忍耐極限強(qiáng)度的侵?jǐn)_下加入另種屬性的侵?jǐn)_，逐級提高變量強(qiáng)度直至無法忍受，則可測定該被試對聲光交互侵?jǐn)_的忍耐極限值，比較單變量與雙變量交互侵?jǐn)_后的忍耐極限差異并進(jìn)行統(tǒng)計分析。

由于本次實驗主要針對測試變量的忍耐極限狀態(tài)進(jìn)行研究，這就意味人們對聲或光的變量在這種強(qiáng)度的侵?jǐn)_下都會呈現(xiàn)消極的評價，即使某些變量(如鳥鳴聲)在合適的強(qiáng)度下會有積極的評價。提出實驗假設(shè)：相比單變量侵?jǐn)_，人們在聲光交互侵?jǐn)_后的忍耐極限會降低。

圖2 “忍耐極限”與容忍度評價表中評價點位的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 The Corresponding Relationship Between “Endurance Limit” and Evaluation Points in the EnduranceEvaluation Form

1.2 實驗變量

實驗選取鳥鳴聲、交談言語聲和交通噪聲作為聲變量，分別錄制于北京動物園、北京市中關(guān)村3 W咖啡館及北京市北二環(huán)路，使用一臺高保真便攜式錄音機(jī)進(jìn)行錄音，錄音設(shè)備放置于距地面1.5 m的高度，每次錄音持續(xù)5 min。為了避免在樣本中出現(xiàn)巨大的頻譜差距，使用音頻編輯軟件剔除干擾聲。以交通噪聲為例，汽車的忽然鳴笛聲及急促剎車聲被剔除，保留頻譜平穩(wěn)的路面胎噪聲。

為了確定測試變量的強(qiáng)度及梯度，一個由25人組成的預(yù)實驗在正式實驗前完成。通過對 “忍耐極限”測試，測得被試對音量最小的平均A聲級容忍點為33 dB-A，最大為50 dB-A。正式實驗的聲級梯度調(diào)整為2.5 dB-A，總計8個梯度級。

圖3 靜態(tài)光侵?jǐn)_色溫Fig.3 Static light intrudes color temperature

1.3 光變量及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化計算

實驗選取2 700 K、4 000 K、6 500 K三種色溫的靜態(tài)LED光源作為光變量，均為城市環(huán)境中常見照明色溫(圖4)，在窗玻璃外表面通過12個點陣測得平均照度，用以控制光變量強(qiáng)度。在1.2節(jié)提到的預(yù)實驗中，被試的忍耐極限范圍為1～190 lx，多集中于1～5 lx(17/25),所以該區(qū)間范圍內(nèi)的變量梯度會更精密，為1 lx。為能涵蓋所有被試的忍耐極限，并結(jié)合此前相似實驗中選取的及照明規(guī)范中的關(guān)鍵點[6]，確定共計18個光變量梯度。

在被試觀察位置設(shè)置相機(jī)對每個強(qiáng)度梯度圖像進(jìn)行包圍曝光拍攝，使用亮度計記錄窗戶上的最大點亮度。使用“HDRScope”軟件處理相機(jī)拍攝的圖像，輔助亮度計測得的畫面亮度校對值，可測得不同光變量強(qiáng)度對應(yīng)的光源亮度Ls及背景亮度Lb。根據(jù)被試觀察點與光源的位置關(guān)系可得ω及P，并通過計算可得Ω。

根據(jù)Sim等[6]關(guān)于評價室內(nèi)受室外光侵?jǐn)_的DGInight指數(shù)公式，將實驗中的光環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DGInight指數(shù)，如下。

(1)

1.4 實驗設(shè)置及流程

被試人員以本地在校大學(xué)生為主，年齡21～30歲，平均年齡24歲，總?cè)藬?shù)28人，其中男性13人，女性15人。自述聽力、視力均正常，無精神疾病及妊娠，有償招募。所有參與者以互聯(lián)網(wǎng)或個人聯(lián)系的方式招募。

圖4 實驗布置平面Fig.4 Scene and Layout of the experiment

實驗設(shè)置在一層臥室環(huán)境，空間尺寸為6.0 m×3.4 m，實驗室各界面反射比為地面30%、墻面88%、天花88%。窗戶的尺寸為2.1 m×1.2 m，磨砂玻璃綜合透光率40%，模擬了典型的室內(nèi)空間及此前類似的實驗條件[6]。實驗區(qū)設(shè)置1個實驗床位，距窗戶3 m，被試以側(cè)臥姿面向磨砂玻璃(圖4)。在室外設(shè)置光源及音源，通過WIFI控制。為了避免饑餓感對測試結(jié)果的影響，實驗前組織用餐。用餐及休息時間為17:00—18:00，實驗時間為18:00～22:00，在實驗過程中門窗均關(guān)閉，環(huán)境溫度控制為21 ℃，環(huán)境基礎(chǔ)A聲級為32 dB-A。為避免實驗之外的聲光刺激對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，被試在準(zhǔn)備及實驗休息間隙均禁止使用手機(jī)、耳機(jī)等試聽設(shè)備。為避免實驗中的噪音對準(zhǔn)備及實驗休息間隙的被試產(chǎn)生影響，被試在此期間需使用實驗統(tǒng)一發(fā)放的耳塞。一名研究人員向被試簡要介紹實驗流程，實驗開始后研究人員和被試均留在實驗室中。每個被試需完成7組測試內(nèi)容，其中第1組為單變量測試實驗，其余6組為交互測試實驗。具體實驗流程如下：(1)第1組測試中被試會依次聽到3次聲音侵?jǐn)_(交通噪音、言語聲、鳥鳴聲)及看到3次光侵?jǐn)_(2 700 K、4 000 K、6 000 K)，按變量強(qiáng)度由弱至強(qiáng)的順序逐一播放，為避免重復(fù)的侵?jǐn)_變量對被試產(chǎn)生的疲勞感，每段侵?jǐn)_時長為20 s。之后被試需對該變量在該強(qiáng)度下的忍耐極限做出評價，如果可以接受當(dāng)前強(qiáng)度則向主試以口頭報告的形式反饋，主試?yán)^續(xù)進(jìn)行下個強(qiáng)度梯度的測試，直至到達(dá)不可接受的強(qiáng)度停止該變量的測試，依次測得被試對每個聲光單變量的忍耐極限。(2)第2～4組測試固定被試對聲侵?jǐn)_的忍耐極限侵?jǐn)_背景下再逐一對光侵?jǐn)_變量進(jìn)行忍耐極限。(3)第5～7組測試固定被試對光侵?jǐn)_的忍耐極限背景下再逐一對聲侵?jǐn)_變量進(jìn)行忍耐極限，分別記錄每個被試對每組單變量及交互侵?jǐn)_忍耐極限，在每組測試結(jié)束后被試進(jìn)入休息室?guī)隙菹ⅲ瑢嶒炛謺ㄖ乱粋€被試進(jìn)入實驗室。

2 實驗結(jié)果

2.1 單變量測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，被試對不同內(nèi)容聲變量的忍耐極限不同(圖5)，按由高到低的順序，分別為交通噪音、鳥鳴聲、交談言語聲(圖6)。此前學(xué)者對這三種聲音的舒適度、偏好度、熟悉度及響度進(jìn)行過研究[5]，結(jié)果表明，在舒適度和聲音的偏好度方面，對自然的聲音呈積極評價，而對機(jī)械的聲音呈消極評價，即鳥鳴聲最佳，交通噪聲最差，但此研究未涉及對忍耐極限的評價，與本實驗結(jié)果并無可比較性。

圖6 不同聲變量的忍耐極限均值比較Fig.6 Comparison of endurance limits for different acoustic variables

對被試的光侵?jǐn)_單變量忍耐極限測試結(jié)果統(tǒng)計分析表明，被試對不同色溫光變量的忍耐極限差異不顯著。

2.2 忍耐極限光侵?jǐn)_背景下引入聲侵?jǐn)_的極限測試

ANOVA分析表明，在固定被試對光侵?jǐn)_忍耐極限的背景下測試聲侵?jǐn)_忍耐極限沒有顯著性。

將被試對交互后的聲侵?jǐn)_的忍耐極限與聲侵?jǐn)_單變量相比較呈現(xiàn)變化的百分比進(jìn)行降序排列，基于圖7的觀察，侵?jǐn)_交互后忍耐下降的數(shù)量占比較少，因此光侵?jǐn)_的忍耐極限不會因變量的交互作用而顯著降低。

將該忍耐極限測試結(jié)果分為“提高”、“降低”、“混亂”三組，分類原則按單變量與變量交互忍耐極限的比較差異為依據(jù)，即變量交互后忍耐有提高且從未降低的被試歸為“提高”組，該組9人；變量交互后忍耐有降低且從未提高的被試歸為“降低”組，該組14人;變量交互后忍耐既有提高又有降低的被試歸為“混亂”組，該組5人。分別統(tǒng)計比較全部及三組被試對3種不同內(nèi)容的聲侵?jǐn)_忍耐極限平均值， “提高”組的單變量忍耐極限平均值小于全部被試的忍耐極限平均值；“降低”及“混亂”組大于總體平均值。因此，基于圖8的觀察，被試對聲侵?jǐn)_的忍耐極限越低，聲光交互后的忍耐極限會提高的可能性越高。

圖7 交互后對聲侵?jǐn)_的忍耐極限與聲侵?jǐn)_單變量相比較的百分比降序排列Fig.7 Comparison of the average values of acoustic intrusion endurance limit between the three groups of sounds and the Total Subjects.

圖8 三組與總體被試的聲侵?jǐn)_忍耐極限均值比較Fig.8 Comparison of the three groups’average acoustic invasion endurance limits with the population average

2.3 忍耐極限聲侵?jǐn)_背景下引入光侵?jǐn)_的極限測試

ANOVA分析表明，在固定被試對聲侵?jǐn)_忍耐極限的背景下測試光侵?jǐn)_忍耐極限沒有顯著性。

將被試對交互后的光侵?jǐn)_的忍耐極限與光侵?jǐn)_單變量相比較呈現(xiàn)變化的百分比進(jìn)行降序排列，基于圖9的觀察，侵?jǐn)_交互后忍耐下降的數(shù)量占比較少，因此聲侵?jǐn)_的忍耐極限不會因變量的交互作用而顯著降低。

同樣，將該忍耐極限測試結(jié)果分為“提高”、“降低”、“混亂”三組，分類原則按單變量與變量交互忍耐極限的比較差異為依據(jù)，即變量交互后忍耐有提高且從未降低的被試歸為“提高”組，該組15人；變量交互后忍耐有降低且從未提高的被試歸為“降低”組，該組8人;變量交互后忍耐既有提高又有降低的被試歸為“混亂”組，該組5人。分別統(tǒng)計比較全部及三組被試對3種不同色溫的光侵?jǐn)_忍耐極限平均值，“提高”組的單變量忍耐極限平均值小于全部被試的忍耐極限平均值；“降低”及“混亂”組大于總體平均值。因此，基于圖10的觀察，被試對光侵?jǐn)_的綜合忍耐極限越低，聲光交互后的忍耐極限會提高的可能性越高。

圖9 交互后對光侵?jǐn)_的忍耐極限與光侵?jǐn)_單變量相比較的百分比降序排列Fig.9 Descending order in percentage of the comparison between the edurance limit to the optical intrusion and the single variable of the optical intrusion after interaction

圖10 三組與總體被試的光侵?jǐn)_忍耐極限均值比較Fig.10 Comparison of the average values of optical intrusion endurance limit between the three groups of lights and the total subjects

由實驗結(jié)果可知，在城市環(huán)境中，光侵?jǐn)_對室內(nèi)居住者臨睡狀態(tài)下的主要影響因素是強(qiáng)度，色溫的影響沒有顯著性。宋捷翹[7]通過對室內(nèi)居住環(huán)境亮度閾值的研究發(fā)現(xiàn)色溫對亮度閾值影響不大，與本研究結(jié)論相似。但是，聲侵?jǐn)_對室內(nèi)居住者臨睡狀態(tài)下的影響因素除了聲壓級，還與聲音內(nèi)容等因素相關(guān)。實驗結(jié)果表明，人們對交通噪聲的忍耐極限最高，這與現(xiàn)實經(jīng)驗是相符的，城市中許多居住環(huán)境臨近車行道路，相比較鳥鳴聲及言語聲，居住者更加適應(yīng)在交通噪音的噪聲環(huán)境中入睡。Carles 等[8]的研究表明，當(dāng)聲音與呈現(xiàn)環(huán)境不匹配時，聲音就會被消極評價，這與本研究結(jié)論相符。吳穎姣[9]和段永光[10]的研究也與本研究結(jié)論具有相似性，他們的研究都表明，如果聲景觀增強(qiáng)了人們對這個地方的感覺，內(nèi)容、時間及場景均契合，那么就被認(rèn)為是相對積極的，“積極”的含義會隨著人們對聲景觀的參與程度而變化，人們對聲音環(huán)境的感知很大程度上取決于他們所從事活動的時間及作業(yè)狀態(tài)。

本實驗主要針對測試變量的忍耐極限狀態(tài)進(jìn)行研究，這就意味人們無論對聲變量還是光變量，在此強(qiáng)度的侵?jǐn)_狀態(tài)下都會呈現(xiàn)消極的評價。實驗結(jié)果表明，人們不會因兩種消極的忍耐極限疊加而顯著降低對聲或光的忍耐極限評價，即在一種消極因素疊加的情況下不會顯著惡化對另一種消極因素的評價，相反，如果被試者對其中一種消極因素的接受度很低，再另一種消極因素疊加后增加忍耐極限的可能性反而會提高，因此研究假設(shè)不成立。

由于實驗變量數(shù)量及梯度組合量過多(3×8×3×18)，應(yīng)對這種情況本研究使用正交實驗法進(jìn)行實驗設(shè)計，相比較多因素組合測試的方式，正交實驗法極大的減少了測試變量的組合量。雖然正交實驗對多因素交互影響相關(guān)評價研究具有高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，但不能把實驗過程中的因素水平變化所引起的數(shù)據(jù)波動與實驗誤差所引起的數(shù)據(jù)波動區(qū)分開來，也無法對因素影響的重要程度給出精確的定量評價。

3 結(jié)論

研究結(jié)果表明，聲光交互侵?jǐn)_并不會顯著降低各自的忍耐極限。人們對聲或光單變量侵?jǐn)_的忍耐極限越低，聲光交互后的忍耐極限會提高的可能性越高。此外還發(fā)現(xiàn)，影響光侵?jǐn)_的判定因素較為復(fù)雜，即使在相同光侵?jǐn)_條件下，評價結(jié)果也會隨評價時間、居住環(huán)境的布置情況及居住者作業(yè)狀態(tài)等因素發(fā)生變化。人們對不同內(nèi)容的聲侵?jǐn)_忍耐極限差異具有顯著性，即對交通噪聲的忍耐極限最高，鳥鳴聲的忍耐極限次之，談話言語聲的忍耐極限最低。