可听化技术在地铁声环境设计中的应用

王 帅

（上海大学 上海美术学院，上海 200072）

0 引言

如今，地铁已成为全球各国争相发展的重要交通工具。大部分地铁是近乎全封闭的公共空间，容易使乘客产生压抑烦躁、方向感不明等心理状态[1]。以往，地铁部门通常会采用灯光、导视等视觉手段提升地铁的环境体验，但地铁站空间本身视觉信息繁复，很难起到良好的效果，因此需要从其他知觉通道进行优化。

听觉作为人的第二大感知通道，是除视觉外人类获取外部环境信息的主要途径[2]。在地铁站空间体验设计方面，听觉主要局限在材料、空间走向等物理降噪手段，而在数据信息过载的时代背景下，基于声学的可听化技术凭借其特殊的信息传达优势而兴起。视听联觉打造一个舒适的、可交互的地铁站声环境，能够成为地铁空间人性化设计的有利突破口。

本文以国内地铁站为设计研究对象，针对地铁站空间的声场特点，结合信息可听化以及空间设计等手段进行联觉设计，探索声学配合视觉传达以及交互技术等进行联觉设计的方法。

1 可听化技术综述

1.1 基于心理声学的可听化技术

可听化是指利用非言语信号来表征信息，主要分为听标、耳标以及参数化映射[3]三个部分。听标是用日常现实世界的声音来表征计算机信号事件，例如手机卸载App 对应的听标是垃圾被清扫的声音；耳标是指用来表征信息的乐音，如Windows 系统用上升旋律和下降旋律分别对应登录和注销操作；参数化映射，是指将数据的特性与心理声学参数（频率-音高、振幅-音响以及复合参数音色）形成映射关系，从而能够表征连续、动态且多维的信息，例如微信小游戏“跳一跳”将按压小人的力度大小映射到音高与响度的大小，使玩家能够更准确地把握力度。

现阶段的理论中，完整的可听化设计流程主要包含数据获取、数据处理、声音映射设计、声音合成以及放音显示五个部分，如图1 所示。其中，最重要的环节是针对数据信息转换为声音信号的映射规则设计。

图1 可听化设计流程

1.2 康定斯基声音-图形联觉理论设计视觉辅助

可听化擅长表现多维信息的变化，但人们并不能直接通过听觉得到单维的精确值，因而与可视化设计配合，能够将数据信息呈现最优化。康定斯基的声音-图形通感理论，对于点、线、面等图形元素的表现分析，能够分别对应到声学的音节、旋律、乃至音响[4]，通过点线面的组合疏密变化映射到声音的动态变化，是实现可听化与可视化配合的有力支撑。康定斯基声音-图形通感理论与可听化技术的关系如图2 所示。

图2 康定斯基声音-图形通感理论与可听化技术的关系

1.3 现有可听化设计作品

目前的可听化技术主要应用于航天、医学、金融以及地理信息等数据量密集的领域，出现了宇宙量子口哨、心电脑电可听化、盖革计数器以及地质信息可听化等应用。另外，可听化技术主要还使用在艺术设计方面，以纯艺术化的方式呈现居多，以下列举部分作品及应用。

1.3.1 聆听维基百科

该作品基于维基百科的开放数据，每一个后台改动都会自动生成一种声音。例如，钟声代表新增词条，音调越低沉表明改动范围越大。在页面的可视化上，绿色圆圈是非注册用户的编辑，紫色代表自动编辑，白色圆圈是注册用户的改动，圆圈大代表改动较大。该作品是数据可视化与可听化结合的经典案例，如图3 所示。

图3 聆听维基百科

1.3.2 数据诠释《四季》

2019 年，北德广播易北爱乐乐团在汉堡易北爱乐音乐厅，将基于历史气候数据的算法应用于乐谱中，重新演绎维瓦尔的《四季》。这些数据来自于研究机构、环境机构及大学。全球气温的升高、极端天气的频率增加等气候演变以及鸟类、昆虫种类的减少等，都在乐谱上得到了体现。

1.3.3 面向自然声模拟的地震波数据可听化

2016 年，北京大学国家虚拟仿真实验室针对地震波中振幅、P 波以及S 波的不同特性，分别映射到雨声、雷声及风声等自然声，将不可听的地震波数据实现了可听化处理，为地震监测提供了新的有效途径。

2 中国地铁站声环境分析

空间的声环境基于其空间属性。要了解一个空间区域的声环境特性，必须先了解其空间构成。

2.1 中国地铁站的空间特征

2.1.1 中国地铁站的空间构成

国内地铁站空间主要由站台和站厅两部分组成，空间构成有所不同。站台是指乘客直接候车的空间区域，国内的地铁站台主要分为岛式站台、侧式站台以及混合式站台三类。站厅是乘客购票、分流等具备公共服务功能的空间区域，与地铁站的类型、空间构成有密切联系，一般分为桥式站厅、楼层式站厅、夹层式站厅以及独立式站厅四类。三类站台样式如图4 所示，四类站厅样式如图5 所示。

图4 三类地铁站台示意图

图5 四类地铁站厅示意图

2.1.2 地铁站的空间尺度

地铁站台和地铁站厅作为两个具有不同功能的地铁站空间，在空间尺度上有着各自的考量。国内站台一般跨距4～5 m，地面距离顶板4～5 m，站台面至吊顶面约3 m，站台总长60～140 m，属于典型的长空间；而站厅的空间构成则较为灵活多变，楼层式站厅最为常见，一般同为长空间，而其他站厅类型不受限制。

2.2 中国地铁站的声场特性

2.1.1 长空间声学理论

长空间是指在一个空间的三维尺度中，其中一维的尺度远远大于另外两个维度的尺度，且另外两个维度的尺度仍大于声波的长度。传统的室内空间属于扩散声场，各处的声压级较为均衡，但长空间属于非扩散声场，各处的声压级差距较大，因而传统室内声学理论并不适用于长空间。

2.1.2 中国地铁站空间声场特点

地铁站中的站台空间多为长空间或者扁平空间，适合用长空间理论进行分析，而站厅空间则较为灵活，可参考传统声学理论。哈尔滨工业大学针对地铁站台的声场和混响时间做了相应的“非扩散性声场声学实验”，实验结果表明中国地铁站空间声场具有以下特点：

（1）声音在地铁站台中的衰减比在自由声场中慢；

（2）混响时间随距离增加而增长；

（3）长向墙面的吸声能力与声场传播强度呈反比；

（4）多声源情况下，声源指向性和间距对声场传播的清晰度有影响。

3 地铁站空间环境营造现状

声音是影响人对场所体验的重要元素[5]，而如今地铁环境场所的打造，主要停留在视或听某个单一维度。韩国首尔地铁在进站、到站均播放不同的动听旋律，在传达信息的同时，能够舒缓乘客的身心状态；斯德哥尔摩地铁站结合站台周边景物，设计了极具特色的个性化空间，模拟了自然环境，使封闭的地铁空间与外界环境产生了关联；上海地铁汉中路站作为市区大型换乘车站，客流量巨大，为解决乘客易产生方向缺失感的问题，通过光影设计，以蝴蝶形态的LED 动态灯光来引导行人前往正确方向。可见，可听化技术在地铁空间中的应用并不多见。

4 可听化设计在中国地铁声环境设计中的应用探索

4.1 基于地铁站声环境特征的声源设计启发

站台与站厅的声场特点不尽相同，可分开选取典型的地铁站进行区分设计。站厅可选择具有人流导向性强的换乘站站厅，以最大化信息（方位）可听化声环境的设计作用；站台可选取轨行区，结合运用地铁进站等噪音进行设计。

可对声源、扬声器的指向性和排列方式、间距进行设计。多声源情况下，声源指向性和间距对声场传播的清晰度有影响，主要影响因素是声场的传播和混响。降噪方面，一般会为了更好的效果而减少混响，但信息可听化需要一定程度上的混响效果。

4.2 视觉辅助下的可听化设计方式

好的地铁站空间环境体验离不开视觉与听觉的空间营造，可听化技术的应用应从听觉和视觉两方面展开。

听觉方面，可以引入富有各类信息参数的乐音。在时间缺失感的补偿上，可以将外部的天气实时数据可听化，结合早中晚不同时间段的自然元素，运用不同旋律，如上午节奏明快、中午悠扬、傍晚舒缓等引发联想的乐音，在地铁站内作为背景音乐进行实时播放，帮助人们感知外界的时间变化、环境变化。在空间迷失感的问题上，可采用声音导览设计，即方位信息的可听化，如基于地铁站空间走向对扬声器进行指向性排列组合，对播放顺序、音色响度等进行参数化的设计，听声辨位，通过声音提供给乘客直观性的方向信息，起到声音导览的作用，减缓视觉引导的过载。同时在呈现形式上，可以通过检测设备感知收集人流数据，根据人流状态，将实时人流数据映射到声环境的参数设计中，实现声音导览的多重互动，增加乘坐的出行乐趣。

视觉方面，主要在空间设计和灯光设计上，辅助可听化技术提高时间缺失、方向迷失等问题解决的效果。在空间上，配合可听化技术，设计与听标元素相匹配的的视觉元素，可直接作为公共艺术，如类似于同济大学的Cymatic 声音可视化作品，或者采用投影、灯光的形式与声音相呼应。针对声音导览设计，配合以视觉光影元素的动态呈现，将视觉导览与声音导览相结合，并实现可听化交互。具体的设计流程如图5 所示。

图5 地铁站声环境设计可听化应用流程

5 结语

目前，国内在地铁站等公共封闭空间的声环境设计上，主要局限在空间走向设计、装修材料设计、顶棚构造设计等物理手段。本文基于长空间声学理论、心理学以及可听化技术，对地铁站的声环境进行了分析与可听化技术设计应用探索。在未来的地铁站设计中，将声学信息可听化与视觉空间导览设计相结合，可以增强地铁空间环境的互动性，改善地铁声环境，解决乘客空间迷失感与时间缺失感等心理问题，从而提升乘客出行体验的附加值。