噪聲對礦工反應(yīng)能力影響的實驗研究

李國為，楊鵬飛，黃 偉，田水承

(1.陜煤集團紅柳林礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 安全與應(yīng)急管理研究所，陜西 西安 710054)

0 引 言

噪聲存在于煤礦生產(chǎn)全過程，是煤礦生產(chǎn)過程中存在的主要環(huán)境問題之一。隨著煤礦開采機械化、智能化水平的不斷提升，井下噪聲來源更加多樣。噪聲刺激在一定程度上影響礦工作業(yè)時的聽覺判斷，不僅會對礦工造成心理、生理損害，而且會對礦工的安全行為造成影響，進而導致事故的發(fā)生。

國內(nèi)外學者對煤礦噪聲進行了大量的研究，普遍認為在噪聲下工作易對人造成多種不良影響，如心臟問題、怠工和疲勞等[1-2]。ALKHARABSHEH等通過對300多名礦工的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦工早期的聽力損失導致噪聲響度的明顯增加，從而成為耳聾的重要影響因素[3]。MENZEL等通過分析噪聲對人刺激的處理過程，驗證了噪聲適應(yīng)對人臉感知的影響[4]。MADALENA等通過分析噪聲對醫(yī)院病人心理的影響，認為患者的心理障礙與醫(yī)院噪聲有一定的關(guān)系，建議醫(yī)院降低噪聲分貝[5]。BASNER等通過問卷和實驗，發(fā)現(xiàn)噪聲會增加心腦血管疾病的發(fā)病率，并損害認知能力[6]。李敏等通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)短期的噪聲對生理指標影響不顯著，但對注意力集中程度影響較為顯著[7]。景國勛等利用E-Prime和調(diào)查問卷研究發(fā)現(xiàn)，噪聲級達到65dB，礦工操作出錯率明顯升高，可靠度出現(xiàn)一定程度的降低[8]。同時，通過實驗研究也驗證了問卷調(diào)查的結(jié)果，噪聲對人的注意力水平和視覺認知水平有較為顯著影響[9-10]。賀飛等通過問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)礦井噪聲極易導致耳鳴，且噪聲影響與礦工工齡顯著正相關(guān)[11]。周軍等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，噪聲對工人聽覺和血壓都有影響，且暴露時間與耳聾發(fā)病率正向相關(guān)[12]。李冬梅等通過分析煤礦聽力特點發(fā)現(xiàn)，協(xié)議工與非協(xié)議工存在一定的差異，協(xié)議工人的聽力損傷顯著高于非協(xié)議工人[13]。田水承等分析了噪聲對人員可靠度的影響，發(fā)現(xiàn)噪聲對風險感知水平較低的礦工的可靠度影響較大[14]。汪琳等對350名在噪聲環(huán)境下工作的工人開展了聽力測試。結(jié)果表明，相比于無噪聲環(huán)境，在噪聲環(huán)境下工作會給工人造成顯著的聽力損傷。另外發(fā)現(xiàn)，工人的工齡也是其中的重要影響因素[15]。樊林玉等研究發(fā)現(xiàn)撞擊噪聲對礦井逃生有不良影響和危害，建議為逃生人員佩戴耳塞、耳罩等，以減少噪聲的干擾，避免二次傷害[16]。陽靜等發(fā)現(xiàn)噪聲對人的注意力影響主要體現(xiàn)在使人注意與安全有關(guān)的信息對象的數(shù)量減少[17]。楊佳麗等認為長期暴露于噪聲中，則會引起人的聽力喪失、心率過快、幸福感下降等生理、心理問題[18]。

現(xiàn)有研究大多數(shù)是集中在噪聲聲壓級水平上的定性分析研究，尚不能完全反映礦井噪聲環(huán)境因素變化對礦工作業(yè)可靠性的影響，缺少噪聲水平等因素對人反映能力影響的定量研究。文中選用BD-V-509多項反應(yīng)時測試儀，選取噪聲作為實驗測量媒介，通過實驗研究，觀察礦工相關(guān)生理數(shù)據(jù)的變化，利用統(tǒng)計分析方法研究噪聲對礦工反應(yīng)能力的影響，以期減少因噪聲因素導致的煤礦事故。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

為探究礦工在井下噪聲影響下反應(yīng)能力的變化，根據(jù)井下現(xiàn)場噪聲等級，通過噪聲實驗測量礦工相關(guān)生理數(shù)據(jù)的變化，從而分析礦工反應(yīng)能力變化規(guī)律。

1.2 生理測量指標的確定

趙泓超模擬了煤礦井下真實場景，以注意力集中能力作為礦工行為能力的測量指標，采用BioLAB采集噪聲刺激下的礦工生理指標，探究噪聲對礦工的影響[19]。

安宇等采用行為能力測試系統(tǒng)，以知覺與反應(yīng)能力作為測量指標對礦工不安全行為傾向進行判別[20]。本研究以聲光反應(yīng)時間作為礦工反應(yīng)能力的測量指標，以此來測量噪聲影響下的礦工反應(yīng)能力。

1.3 實驗設(shè)備

本研究所選用的實驗設(shè)備為BD-V-509多項反應(yīng)時測試儀。設(shè)備由液晶顯示屏、運動反應(yīng)時按鍵、簡單反應(yīng)時按鍵和腳部按鍵組成。該設(shè)備基于無序的光與聲的交替刺激變化，測量被試的視覺通道和聽覺通道的反應(yīng)快慢，以及反應(yīng)的準確性。以被試的反應(yīng)時間作為衡量反應(yīng)能力的指標。

1.4 實驗過程

國際標準化組織(ISO)發(fā)布的噪聲等級與耳聾發(fā)病率的關(guān)系顯示，噪聲等級小于80 dB時，造成耳聾發(fā)病率相對較低；噪聲等級處于80 dB時，耳聾發(fā)病率為16%；噪聲等級處于90 dB時耳聾發(fā)病率為20.8%。同時，前往到陜煤集團紅柳林礦業(yè)公司進行了井下噪聲實測，發(fā)現(xiàn)噪聲等級普遍分布在80～90 dB之間，故選取80，90 dB噪聲作為實驗噪聲等級。為便于對照，選取50 dB噪聲作為對照組噪聲等級。

皮膚電是反應(yīng)人的情緒波動變化的重要生理指標。皮電活動和情緒反應(yīng)有緊密的相關(guān)關(guān)系，噪聲刺激容易導致礦工情緒發(fā)生變化，故選取皮膚電作為測量指標。呼吸頻率是形容每分鐘呼吸次數(shù)的術(shù)語。劇烈運動時，因機體供氧量增加需要增加肺內(nèi)氣體交換，從而出現(xiàn)呼吸頻率加快的現(xiàn)象。此外，當情緒激動或過度緊張時，亦常出現(xiàn)呼吸深快的現(xiàn)象。噪聲刺激下，礦工易出現(xiàn)激動或過度緊張，故選取呼吸頻率作為測量指標。指尖脈搏在一定程度上能反映心血管的機能，如心搏的節(jié)律性、心率、心室收縮力、外周阻力及動脈管壁的彈性等。噪聲刺激下，被試心搏的節(jié)律性、心率等都會發(fā)生變化，故選取指尖脈搏作為測量指標。心率隨人體的負擔程度而變化。不同的勞動量會對礦工的肌體造成不同負荷進而導致心率的不同，而且精神緊張時容易產(chǎn)生額外負擔也會導致心率增加，噪聲刺激下礦工易緊張。心率可以較好地反應(yīng)噪聲對人體影響，故選取心率作為測量指標。

采用單一的噪聲源對被試進行刺激，每次時間5 min，同時測量被試的生理指標數(shù)據(jù)，包括皮膚電、呼吸頻率、指尖脈搏和心率。

實驗開始，屏幕上會隨機出現(xiàn)3種顏色：紅色、黃色和綠色。如果屏幕顯示紅色，被試需要踩腳下的按鈕；如果屏幕顯示綠色，被試需要按運動時按鈕；如果屏幕顯示黃色，被試需要按簡單反應(yīng)時按鈕。如果被試出現(xiàn)錯誤操作，測試儀會發(fā)出聲音信號，此時被試必須立即做出正確的反應(yīng)。整個實驗過程中，每種顏色將會隨機顯示10次。實驗完成后，測試儀能夠記錄被試的操作錯誤次數(shù)和反應(yīng)時間。

實驗共選取30名礦工作為被試。實驗流程為：測試儀初始化—參數(shù)設(shè)置—按鍵操作—實驗數(shù)據(jù)記錄。整個過程約持續(xù)15～20 min。被試情況見表1。

表1 被試基本信息

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗生理指標變化測量曲線

把噪聲刺激實驗數(shù)據(jù)進行整理。選擇某一被試為例進行分析，圖1，2，3分別為被試在噪聲刺激下指尖脈搏、皮膚電、心率、呼吸頻率生成的曲線(圖2包含2項指標)。其中，在描述呼吸頻率的曲線中，處于波峰時代表被試正在吸氣，波谷則代表呼氣。

圖1 實驗對象指尖脈搏生理指標測量曲線Fig.1 Measurement curves of physiological index of fingertip pulse of experimental subjects

因為指尖脈搏與心率相關(guān)，故選擇呼吸頻率、皮膚電、心率3個指標進行分析，其對照組合為50～80 dB，50～90 dB。

圖2 實驗對象心率與皮電生理指標測量曲線Fig.2 Measurement curves of heart rate and skin electricity index

圖3 實驗對象呼吸頻率生理指標測量曲線Fig.3 Measurement curves of respiratory rate index

對不同噪聲等級影響下的被試生理指標變化情況，運用SPSS 25.0軟件對3種不同等級噪聲下的30名被試的生理指標數(shù)據(jù)進行配對樣本T檢驗。

2.2 呼吸頻率實驗結(jié)果分析

圖4為被試在50～80 dB，50～90 dB等級噪聲影響下呼吸頻率變化圖，表2，3為50～80 dB，50～90 dB噪聲影響下被試呼吸數(shù)據(jù)配對樣本T檢驗結(jié)果。

圖4 呼吸頻率50 dB—80 dB—90 dB對比圖Fig.4 Comparison of respiratory frequency of 50 dB—80 dB—90 dB

表2 成對樣本統(tǒng)計量

表3 成對樣本檢驗

表2中均值表示每分鐘的呼吸次數(shù)，即呼吸頻率；N表示樣本量，即被試人數(shù)30；標準差表示樣本數(shù)據(jù)的離散程度；均值的標準誤差表示用樣本均值估計總體均值的誤差。表3中置信區(qū)間表示由樣本統(tǒng)計量所構(gòu)造的總體參數(shù)的估計區(qū)間，上限即為區(qū)間上限，下限即為區(qū)間下限；t表示配對樣本均值差異；df表示樣本中獨立或能自由變化的變量個數(shù)，即自由度；Sig表示顯著性。

從表3中可以看出，Sig.值均小于0.01，3種不同等級噪聲之間的被試呼吸均值均存在顯著差異。從表2中可以看出，被試在80 dB和90 dB噪聲等級下的呼吸頻率均值要高于正常狀態(tài)。隨著噪聲等級的升高，被試的呼吸頻率出現(xiàn)顯著變化，表現(xiàn)為一定程度的加快。

2.3 皮膚電實驗結(jié)果分析

圖5為被試的皮電變化圖，表4，5為50～80 dB，50～90 dB等級噪聲影響下被試皮電數(shù)據(jù)的配對樣本T檢驗結(jié)果。

表4 成對樣本統(tǒng)計量

從表5中可以看出，Sig.值均小于0.01，說明被試的皮電均值在50 dB—80 dB—90 dB 3個噪聲等級之間均存在顯著差異。從表4中可以看出，被試在80，90 dB噪聲等級下的皮電均值高于正常狀態(tài)。這是由于被試處于較高強度的噪聲環(huán)境時，其汗腺分泌升高，從而導致了皮膚導電性的升高。

表5 成對樣本檢驗

圖5 被試皮電50 dB—80 dB—90 dB對比圖Fig.5 Skin electricity of 50 dB—80 dB—90 dB comparison chart

對被試處于50 dB和90 dB噪聲水平環(huán)境下的反應(yīng)時間配對樣本T檢驗結(jié)果見表6，表7。

從表7中可以看出，Sig.值小于0.01，說明被試在50 dB—90 dB噪聲等級之間的心率均值存在顯著差異。從表6中可以看出，90 dB噪聲影響下被試反應(yīng)時均值大于正常狀態(tài)下反應(yīng)時。

表6 成對樣本統(tǒng)計量

表7 成對樣本檢驗

2.4 心率實驗結(jié)果分析

被試心率指標變化如圖6所示，噪聲等級50 dB與80 dB，50 dB與90 dB下的被試心率均值配對樣本T檢驗結(jié)果見表8，表9。

圖6 被試心率50 dB—80 dB—90 dB對比圖Fig.6 Comparison of heart rate of 50 dB—80 dB—90 dB

從表9中可以看出，Sig值小于0.01，說明被試在噪聲等級50 dB與80 dB,50 dB與90 dB下的心率均值存在顯著差異。由表8統(tǒng)計結(jié)果中可以看出，被試處于80,90 dB噪聲等級時的心率均值大于正常狀態(tài)。說明相比于低噪聲等級環(huán)境下，高噪聲等級環(huán)境下的被試心率數(shù)值更高。

表8 成對樣本統(tǒng)計量表

被試在噪聲等級為50 dB與80 dB環(huán)境下的反應(yīng)時間配對樣本T檢驗結(jié)果見表10,表11。由表11知，Sig.值小于0.01，說明被試處于噪聲等級50 dB與80 dB環(huán)境下的心率平均值存在顯著差異。由表10均值知，80 dB噪聲影響下被試反應(yīng)時均值大于正常情況下反應(yīng)時。

表9 成對樣本檢驗

本實驗研究結(jié)果表明，被試的呼吸、心率和皮膚電等生理指標會由于受到噪聲的影響從而呈現(xiàn)顯著升高，被試在噪聲影響下反應(yīng)時間變長。在實際井下生產(chǎn)中，礦工在井下噪聲影響下，易出現(xiàn)注意下降、反應(yīng)能力變慢等現(xiàn)象，可能造成事故發(fā)生。

表10 成對樣本統(tǒng)計量

表11 成對樣本檢驗

3 結(jié) 論

1)呼吸、心率、皮膚電和指尖脈搏等生理指標可以測試生理與精神狀態(tài)。在80,90 dB噪聲影響下，礦工的呼吸頻率、皮膚電、心率等生理指標較50 dB出現(xiàn)顯著變化，故呼吸、心率、皮膚電和指尖脈搏等生理指標可以用來測試礦工的生理與精神狀態(tài)。

2)礦工反應(yīng)時間可以作為反應(yīng)能力的表征。在80,90 dB噪聲影響下，礦工反應(yīng)時間明顯變長，反應(yīng)能力變慢，故可以用反應(yīng)時間作為反應(yīng)能力的表征。

3)井下作業(yè)中，應(yīng)減少井下噪聲源、降低噪聲分貝，從而減少井下人因事故的發(fā)生。