一類(lèi)機(jī)械噪聲對(duì)全身振動(dòng)不舒適度的正負(fù)掩蔽效應(yīng)

劉李娜，何 穎，黃 煜，張 建，李聰聰

（1.中國(guó)人民解放軍海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所，上海 200240；3.海軍青島特勤療養(yǎng)中心，山東 青島 266072）

0 引 言

噪聲和振動(dòng)是車(chē)輛、船舶和飛機(jī)艙室內(nèi)部影響人體舒適性的兩個(gè)重要環(huán)境因素[1-4]。當(dāng)人們同時(shí)暴露于噪聲和振動(dòng)時(shí)，其中一種環(huán)境壓力（例如噪聲或振動(dòng)）引起的主觀感覺(jué)可能受到另一種環(huán)境壓力的影響（例如振動(dòng)或噪聲）[5]。這種影響包括了噪聲或振動(dòng)在舒適性主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中的拮抗或協(xié)同作用[5-9]。有學(xué)者提出，當(dāng)噪聲的聲壓級(jí)大于65 dB（A）（歐盟環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的白天噪聲水平）[10]或振動(dòng)的加速度大于 0.32 m·s-2（BS6841:1987,ISO2631-1:1997）[11-12]時(shí)，噪聲對(duì)振動(dòng)引起的不舒適度具有“掩蔽效應(yīng)”，而振動(dòng)對(duì)噪聲引起的不舒適度沒(méi)有影響[9]。另一方面，部分學(xué)者觀察到噪聲在振動(dòng)不舒適度評(píng)價(jià)過(guò)程中的協(xié)同作用，這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中噪聲激勵(lì)相對(duì)于振動(dòng)激勵(lì)的幅值較大[13-14]。

噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度的掩蔽比起能量掩蔽更像是一種信息掩蔽[15]。能量掩蔽可以等同于一種外周掩蔽，例如噪聲抑制了音調(diào)的聽(tīng)覺(jué)。信息掩蔽則可以等同于中樞掩蔽，例如噪聲引起的不舒適度和振動(dòng)引起的不適感可能通過(guò)不同的感知機(jī)制，然后在神經(jīng)中樞進(jìn)行判斷。信息掩蔽是一種正反兩方面的掩蔽，包括一種刺激對(duì)另一種刺激的抑制（即正掩蔽），和一種刺激對(duì)另一種刺激的增強(qiáng)（即負(fù)掩蔽）。前人研究發(fā)現(xiàn)，噪聲對(duì)其他感知通道的弱激勵(lì)（例如手指觸覺(jué)）具有負(fù)掩蔽（增強(qiáng)）效應(yīng)，而對(duì)強(qiáng)激勵(lì)的感知可能具有正掩蔽（抑制）效應(yīng)，并且當(dāng)其他感知通道的激勵(lì)幅值較大時(shí)，噪聲的負(fù)向掩蔽效應(yīng)會(huì)消失[16-18]。然而，并沒(méi)有明確證據(jù)表明噪聲對(duì)振動(dòng)舒適性的負(fù)掩蔽效應(yīng)。在以往的研究中，通常使用相對(duì)幅值較高的噪聲激勵(lì)和幅值較低的振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。本文擬在研究中采用幅值較高的振動(dòng)激勵(lì)（加速度均方根值為 1.5～2.5 m·s-2），通過(guò)主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)確定噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度是否具有正負(fù)掩蔽效應(yīng)。

1 方 法

1.1 被 試

12位平均年齡24歲（年齡范圍22～30歲），平均身高 171 cm（身高范圍 162～180 cm），平均體重60 kg（體重范圍從 48～72 kg）且聽(tīng)力正常的被試自愿參與這次實(shí)驗(yàn)。被試均為上海交通大學(xué)的學(xué)生，所有被試均提交了參與實(shí)驗(yàn)的知情同意書(shū)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。帶有垂直平靠背的剛性鋼制座椅通過(guò)剛性連接安裝于最大位移為±0.5 m的電磁垂直振動(dòng)器（LDS，英國(guó)，型號(hào)V8-640T LPT1220/SPA56K）上。被試保持正坐，雙腳平踩在振動(dòng)臺(tái)面上，如圖1所示。

圖1 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的被試者Fig.1 Subject on the experiment rig

振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)LMS SCADASIII系統(tǒng)產(chǎn)生并控制（SIEMENS，德國(guó)，型號(hào) SC310），采樣頻率為512 Hz。垂直振動(dòng)加速度通過(guò)安裝在座椅上的壓阻式加速度傳感器（無(wú)錫厚德，中國(guó)，型號(hào) HD-YD-216）進(jìn)行檢測(cè)。

噪聲激勵(lì)通過(guò) Adobe Audition 6（Adobe Systems，美國(guó)）軟件和MAYA44 USB2.0音頻/MIDI界面（ESI Audiotechnik，德國(guó)）生成和控制，再通過(guò)一副耳機(jī)（Etymotic er4p，美國(guó)）傳入至被試耳中。通過(guò)ArtimiS SUITE軟件（Head Acoustics,Germany）的HEAD HMS IV假人和Brüel & Kj?r聲級(jí)計(jì)（Type 2250）對(duì)回放設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)室中的背景噪聲進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，背景噪聲的聲壓級(jí)大約為 78 dB（A），而耳罩和耳機(jī)的降噪等級(jí)分別為22 dB（A）和25 dB（A）。

1.3 實(shí)驗(yàn)激勵(lì)

實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)械噪聲激勵(lì)錄制于有電磁機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的某工作艙內(nèi)，頻譜如圖2所示，主要為500 Hz以下低頻寬帶噪聲?；诓杉降脑肼暭?lì)頻譜，將聲壓級(jí)（Sound pressure level,SPL）[19]幅值設(shè)置為70和85 dB（A）。振動(dòng)激勵(lì)為5～10 Hz低頻窄帶隨機(jī)振動(dòng)，其Wk計(jì)權(quán)[12]幅值分別為1.5、2.0和2.5 m·s-2。噪聲和振動(dòng)激勵(lì)的持續(xù)時(shí)間為120 s，在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都有2 s的正弦衰減。當(dāng)受測(cè)者坐于實(shí)驗(yàn)裝置上并佩戴耳機(jī)和耳罩時(shí)，背景振動(dòng)無(wú)法察覺(jué)。通過(guò)人工頭佩戴耳塞和降噪耳機(jī)測(cè)得，耳部位置的背景噪聲約為60 dB（A），其頻譜如圖2所示，由此可見(jiàn) 500 Hz以下背景噪聲的聲壓級(jí)遠(yuǎn)小于激勵(lì)聲壓級(jí)。

圖2 聲音激勵(lì)及背景噪聲頻譜（A計(jì)權(quán)）Fig.2 Frequency spectrums of the sound excitation and the background noise（A-weighted）

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

被試以舒適的正坐姿勢(shì)，采用絕對(duì)幅度估計(jì)法（Absolute Magnitude Estimate,AME）評(píng)價(jià)不舒適度，即可以使用任何正數(shù)評(píng)價(jià)振動(dòng)激勵(lì)引起的不舒適度[20]。

對(duì)每個(gè)被試進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。被試隨機(jī)經(jīng)歷3個(gè)振幅（加速度均方根值 1.5、2.0和 2.5 m·s-2）的振動(dòng)激勵(lì)與3個(gè)聲壓級(jí)（無(wú)噪聲、70和85 dB（A））的噪聲激勵(lì)組成的9組激勵(lì)組合。對(duì)于每組組合激勵(lì)，被試在第 30、60、90、120 s時(shí)給出振動(dòng)的不舒適度幅值。判斷時(shí)機(jī)由研究人員通過(guò)高舉寫(xiě)字板提醒被試。值得注意的是，0 dB（A）噪聲激勵(lì)條件下，被試實(shí)際上暴露于約60 dB（A）的背景噪聲中。

在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，研究人員向被試提供書(shū)面說(shuō)明，并通過(guò)判斷線(xiàn)條長(zhǎng)短以及低、中、高三組激勵(lì)組合來(lái)對(duì)被試進(jìn)行培訓(xùn)。當(dāng)被試準(zhǔn)備好后，實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始。

1.5 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)斯蒂文斯冪定律[21]，振動(dòng)不舒適度的主觀評(píng)價(jià)值ψv與振動(dòng)的物理振幅φv關(guān)系為

其中，kv是常數(shù)，nv是不舒適度的增長(zhǎng)率。以對(duì)數(shù)形式表示，式（1）可以寫(xiě)成如下形式：

其中：arms是Wk計(jì)權(quán)的加速度均方根值[12]。

針對(duì)小樣本被試情況，采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法分析數(shù)據(jù)以避免正態(tài)分布的假設(shè)。通過(guò)中位數(shù)（Median）和四分位距（InterQuartile Range,IQR），即上四分位數(shù)QU與下四分位數(shù)QL之差確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散程度。將每位被試的每個(gè)不舒適度評(píng)價(jià)值除以所有被試不舒適度評(píng)價(jià)值的中位數(shù)，并乘以倍率系數(shù)進(jìn)行歸一化[22]。假設(shè)振動(dòng)不舒適度相對(duì)于加速度均方根值的增長(zhǎng)率為 0.97[9]，此時(shí) 1.5、2.0、2.5 m·s-2的振動(dòng)加速度均方根值對(duì)應(yīng)的不舒適度幅度的比率為3:4:5。因此將倍率系數(shù)設(shè)定為“100”。通過(guò)數(shù)據(jù)歸一化，將每個(gè)被試的幅度估計(jì)值放在相似的范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和比較。

2 結(jié) 果

在無(wú)噪聲、70和90 dBA的3種不同噪聲條件下，加速度均方根值為1.5、2.0和2.5 m·s-2的振動(dòng)激勵(lì)在不同時(shí)刻引起的不舒適度的中位數(shù)如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)每種條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的上四分位數(shù)（QU）、下四分位數(shù)（QL）及IQR，剔除異常值，即小于（QL－1.5IQR）或大于（QU＋1.5IQR）的值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共計(jì)432個(gè)（12名被試，9種激勵(lì)組合，4個(gè)時(shí)長(zhǎng)），剔除3個(gè)異常點(diǎn)，占所有數(shù)據(jù)的0.7%。將不舒適度值作為應(yīng)變量，持續(xù)時(shí)間lg（t/t0）作為自變量，在圖3的對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸中表示，其中t0=1 s。

表1 伴隨不同噪聲情況下振動(dòng)引起的不舒適度值ψv（12位被試的中位數(shù)）Table 1 Estimates of the discomfort magnitude caused by vibration under accompanying different noises（ψv-medians for 12 subjects）

圖3 不同噪聲組合下的振動(dòng)不舒適度（lg（ψv））隨暴露時(shí)長(zhǎng)（lg（t/t0））的變化Fig.3 Variations of the discomfort magnitude（lg（ψv））for different combinations of vibration and noise with exposure time（lg（t/t0））

將不舒適度以及持續(xù)時(shí)間t/ t0在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中進(jìn)行線(xiàn)性回歸，可以得到斜率、截距以及振動(dòng)不舒適度的對(duì)數(shù)值（即lg（ψv））和持續(xù)時(shí)間的對(duì)數(shù)值（即lg（t / t0））之間的相關(guān)系數(shù)。對(duì)每個(gè)被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行上述線(xiàn)性回歸處理，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示出隨著激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)的增加，振動(dòng)不舒適度顯著增加（p＜0.01,Friedman檢驗(yàn)），并且在每對(duì)振動(dòng)（1.5、2.0和 2.5 m·s-2）和噪聲（70和85 dB（A）以及無(wú)噪聲）激勵(lì)組合的斜率沒(méi)有顯著區(qū)別（p＞0.22,Wilcoxon檢驗(yàn)）。群體斜率的中位數(shù)為 0.3，與標(biāo)準(zhǔn)中振動(dòng)劑量值（Vibration Dose Value,VDV）定義的時(shí)間增長(zhǎng)率0.25（即時(shí)長(zhǎng)每增加一倍，提高1.5 dB）基本一致[11-12]。

分別檢驗(yàn)不同持續(xù)時(shí)長(zhǎng)（即 30、60、90和120 s），不同噪聲激勵(lì)組合下每個(gè)振動(dòng)激勵(lì)（即1.5、2.0和 2.5 m·s-2）引起的不舒適度的區(qū)別。結(jié)果顯示出 70dB（A）的噪聲顯著提高了所有時(shí)長(zhǎng)下 1.5和2.0 m·s-2的振動(dòng)激勵(lì)引起的不舒適度（p＜0.5,Wilcoxon），但 2.0m·s-2120 s的振動(dòng)不舒適度除外（p=0.13,Wilcoxon）。盡管從表 1中可以看出，70 dB（A）噪聲組合下的振動(dòng)不舒適度中值略大于無(wú)噪聲下的振動(dòng)不舒適度，但 70 dB（A）的噪聲對(duì)于2.5 m·s-2的振動(dòng)不舒適度沒(méi)有顯著的影響（p＞0.2,Wilcoxon）。除 2.5 m·s-2、120 s的振動(dòng)不舒適度外（p=0.11,Wilcoxon），85 dB（A）的噪聲顯著降低了在其他所有時(shí)長(zhǎng)下1.5、2.0和2.5 m·s-2的振動(dòng)激勵(lì)引起的不舒適度（p＜0.05,Wilcoxon）。

3 討 論

圖3以及統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)被試在較高幅值的噪聲中（85 dB（A）），振動(dòng)引起的不舒適度減?。划?dāng)被試在較低幅值的噪聲中（即 70 dB（A）），振動(dòng)引起的不舒適度增大。這可以用掩蔽效應(yīng)解釋?zhuān)寒?dāng)被試專(zhuān)注于判斷振動(dòng)不舒適度時(shí)，較高的噪聲水平可能掩蔽了被試對(duì)振動(dòng)不舒適度的感知，而較低的噪聲水平則可能增強(qiáng)了他們對(duì)振動(dòng)不舒適度的感知。這說(shuō)明噪聲可以對(duì)垂直全身振動(dòng)產(chǎn)生抑制或增強(qiáng)的正反兩方面作用，可視為噪聲對(duì)振動(dòng)的正反掩蔽效應(yīng)。

噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度的抑制或增強(qiáng)作用分別與前人研究一致[5-6,9]。Howarth等指出了噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度的協(xié)同效應(yīng)（即“負(fù)向掩蔽”），即較低幅值的噪聲（如 65 dB（A））增加了較低幅值振動(dòng)（如0.125 m·s-2）的不舒適度[6]。Huang 等[5,9]指出了噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度的拮抗效應(yīng)（即“正掩蔽”），但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“負(fù)向掩蔽”。這可能是因?yàn)樗麄冸m然采用了和本實(shí)驗(yàn)幅值相近的噪聲激勵(lì)（64、82 dB（A）），但采用的振動(dòng)幅值（0.079～1.262 m·s-2）遠(yuǎn)小于本實(shí)驗(yàn)（1.5、2.0、2.5 m·s-2）。噪聲是否對(duì)振動(dòng)的主觀感知（如舒適性和煩惱度等）有負(fù)向掩蔽效應(yīng)，可能取決于噪聲和振動(dòng)的物理強(qiáng)度（如聲壓級(jí)和加速度均方根值），但是它們之間的關(guān)系是相對(duì)而模糊的：根據(jù)等舒適性曲線(xiàn)[5]，本次實(shí)驗(yàn)中 70 dB（A）噪聲的主觀強(qiáng)度遠(yuǎn)低于1.5 m·s-2振動(dòng)的主觀強(qiáng)度，噪聲對(duì)振動(dòng)具有負(fù)向掩蔽效應(yīng)；在文獻(xiàn)[6]的研究中，65 dB（A）噪聲的主觀強(qiáng)度略高于 0.125 m·s-2的振動(dòng)，噪聲對(duì)振動(dòng)也有負(fù)向掩蔽效應(yīng)。

噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度的掩蔽效應(yīng)隨著振動(dòng)幅度的增大而減小，并且在較高的幅值下，負(fù)向掩蔽效應(yīng)消失，例如，在 2.5 m·s-2時(shí)，70 dB（A）的噪聲對(duì)振動(dòng)引起的不舒適度沒(méi)有顯著影響。這跟前人結(jié)果一致[5,9,16-18]。然而，文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)了噪聲對(duì)0.125 m·s-2振動(dòng)具有負(fù)向掩蔽效應(yīng)，卻對(duì)低于0.125 m·s-2的振動(dòng)沒(méi)有該效應(yīng)。

噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度的掩蔽效應(yīng)隨著持續(xù)時(shí)間的增加而減小，但在最初的60 s內(nèi)幾乎不隨時(shí)間變化而變化（圖3中向右移動(dòng)）。這與前人研究結(jié)論一致：當(dāng)持續(xù)時(shí)間大于32 s后，噪聲對(duì)振動(dòng)不舒適度的掩蔽效應(yīng)不再隨時(shí)間變化而變化[23]。

4 結(jié) 論

當(dāng)人同時(shí)暴露于噪聲和振動(dòng)環(huán)境下時(shí)，噪聲對(duì)振動(dòng)引起的不舒適度具有正、負(fù)掩蔽效應(yīng)，即抑制或增強(qiáng)的正反兩方面作用。與無(wú)噪聲的情況相比，較高幅值的噪聲通過(guò)“正掩蔽”的抑制作用，減小了全身振動(dòng)引起的不舒適度；而較低幅值的噪聲通過(guò)負(fù)掩蔽的增強(qiáng)作用，增大了振動(dòng)引起的不舒適度。隨著振動(dòng)加速度的增大，噪聲的掩蔽效應(yīng)對(duì)振動(dòng)不舒適度的影響減小。

在噪聲和振動(dòng)同時(shí)存在的場(chǎng)合，任何預(yù)測(cè)噪聲或振動(dòng)的不舒適度模型，需要同時(shí)考慮兩者之間的掩蔽效應(yīng)。不同類(lèi)型、不同幅值的噪聲和振動(dòng)之間的正負(fù)掩蔽效應(yīng)，及其與物理幅值之間的量化關(guān)系，是今后研究的重點(diǎn)。