一類機械噪聲對全身振動不舒適度的正負(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)機械與動力工程學(xué)院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，振動、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

噪聲和振動是車輛、船舶和飛機艙室內(nèi)部影響人體舒適性的兩個重要環(huán)境因素[1-4]。當(dāng)人們同時暴露于噪聲和振動時，其中一種環(huán)境壓力（例如噪聲或振動）引起的主觀感覺可能受到另一種環(huán)境壓力的影響（例如振動或噪聲）[5]。這種影響包括了噪聲或振動在舒適性主觀評價過程中的拮抗或協(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]或振動的加速度大于 0.32 m·s-2（BS6841:1987,ISO2631-1:1997）[11-12]時，噪聲對振動引起的不舒適度具有“掩蔽效應(yīng)”，而振動對噪聲引起的不舒適度沒有影響[9]。另一方面，部分學(xué)者觀察到噪聲在振動不舒適度評價過程中的協(xié)同作用，這可能是因為實驗中噪聲激勵相對于振動激勵的幅值較大[13-14]。

噪聲對振動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)的聽覺。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引起的不適感可能通過不同的感知機制，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，包括一種刺激對另一種刺激的抑制（即正掩蔽），和一種刺激對另一種刺激的增強（即負(fù)掩蔽）。前人研究發(fā)現(xiàn)，噪聲對其他感知通道的弱激勵（例如手指觸覺）具有負(fù)掩蔽（增強）效應(yīng)，而對強激勵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幅值較大時，噪聲的負(fù)向掩蔽效應(yīng)會消失[16-18]。然而，并沒有明確證據(jù)表明噪聲對振動舒適性的負(fù)掩蔽效應(yīng)。在以往的研究中，通常使用相對幅值較高的噪聲激勵和幅值較低的振動激勵進(jìn)行主觀評價實驗。本文擬在研究中采用幅值較高的振動激勵（加速度均方根值為 1.5～2.5 m·s-2），通過主觀評價實驗確定噪聲對振動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）且聽力正常的被試自愿參與這次實驗。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驗的知情同意書。

1.2 實驗裝置

實驗在機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室中進(jìn)行。帶有垂直平靠背的剛性鋼制座椅通過剛性連接安裝于最大位移為±0.5 m的電磁垂直振動器（LDS，英國，型號V8-640T LPT1220/SPA56K）上。被試保持正坐，雙腳平踩在振動臺面上，如圖1所示。

圖1 在實驗臺上的被試者Fig.1 Subject on the experiment rig

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

噪聲激勵通過 Adobe Audition 6（Adobe Systems，美國）軟件和MAYA44 USB2.0音頻/MIDI界面（ESI Audiotechnik，德國）生成和控制，再通過一副耳機（Etymotic er4p，美國）傳入至被試耳中。通過ArtimiS SUITE軟件（Head Acoustics,Germany）的HEAD HMS IV假人和Brüel & Kj?r聲級計（Type 2250）對回放設(shè)備以及實驗室中的背景噪聲進(jìn)行校準(zhǔn)和測量。當(dāng)振動臺運轉(zhuǎn)時，背景噪聲的聲壓級大約為 78 dB（A），而耳罩和耳機的降噪等級分別為22 dB（A）和25 dB（A）。

1.3 實驗激勵

實驗所用的機械噪聲激勵錄制于有電磁機械設(shè)備運行的某工作艙內(nèi)，頻譜如圖2所示，主要為500 Hz以下低頻寬帶噪聲。基于采集到的噪聲激勵頻譜，將聲壓級（Sound pressure level,SPL）[19]幅值設(shè)置為70和85 dB（A）。振動激勵為5～10 Hz低頻窄帶隨機振動，其Wk計權(quán)[12]幅值分別為1.5、2.0和2.5 m·s-2。噪聲和振動激勵的持續(xù)時間為120 s，在開始和結(jié)束時都有2 s的正弦衰減。當(dāng)受測者坐于實驗裝置上并佩戴耳機和耳罩時，背景振動無法察覺。通過人工頭佩戴耳塞和降噪耳機測得，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 500 Hz以下背景噪聲的聲壓級遠(yuǎn)小于激勵聲壓級。

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

1.4 實驗步驟

被試以舒適的正坐姿勢，采用絕對幅度估計法（Absolute Magnitude Estimate,AME）評價不舒適度，即可以使用任何正數(shù)評價振動激勵引起的不舒適度[20]。

對每個被試進(jìn)行一次實驗。被試隨機經(jīng)歷3個振幅（加速度均方根值 1.5、2.0和 2.5 m·s-2）的振動激勵與3個聲壓級（無噪聲、70和85 dB（A））的噪聲激勵組成的9組激勵組合。對于每組組合激勵，被試在第 30、60、90、120 s時給出振動的不舒適度幅值。判斷時機由研究人員通過高舉寫字板提醒被試。值得注意的是，0 dB（A）噪聲激勵條件下，被試實際上暴露于約60 dB（A）的背景噪聲中。

在開始實驗之前，研究人員向被試提供書面說明，并通過判斷線條長短以及低、中、高三組激勵組合來對被試進(jìn)行培訓(xùn)。當(dāng)被試準(zhǔn)備好后，實驗正式開始。

1.5 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)斯蒂文斯冪定律[21]，振動不舒適度的主觀評價值ψv與振動的物理振幅φv關(guān)系為

其中，kv是常數(shù)，nv是不舒適度的增長率。以對數(shù)形式表示，式（1）可以寫成如下形式：

其中：arms是Wk計權(quán)的加速度均方根值[12]。

針對小樣本被試情況，采用非參數(shù)統(tǒng)計方法分析數(shù)據(jù)以避免正態(tài)分布的假設(shè)。通過中位數(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之差確定實驗數(shù)據(jù)的離散程度。將每位被試的每個不舒適度評價值除以所有被試不舒適度評價值的中位數(shù)，并乘以倍率系數(shù)進(jìn)行歸一化[22]。假設(shè)振動不舒適度相對于加速度均方根值的增長率為 0.97[9]，此時 1.5、2.0、2.5 m·s-2的振動加速度均方根值對應(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”。通過數(shù)據(jù)歸一化，將每個被試的幅度估計值放在相似的范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計分析和比較。

2 結(jié) 果

在無噪聲、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的振動激勵在不同時刻引起的不舒適度的中位數(shù)如表1所示。根據(jù)實驗每種條件下實驗數(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。實驗數(shù)據(jù)共計432個（12名被試，9種激勵組合，4個時長），剔除3個異常點，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)時間lg（t/t0）作為自變量，在圖3的對數(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不舒適度（lg（ψv））隨暴露時長（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)時間t/ t0在對數(shù)坐標(biāo)系中進(jìn)行線性回歸，可以得到斜率、截距以及振動不舒適度的對數(shù)值（即lg（ψv））和持續(xù)時間的對數(shù)值（即lg（t / t0））之間的相關(guān)系數(shù)。對每個被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行上述線性回歸處理，統(tǒng)計結(jié)果顯示出隨著激勵時長的增加，振動不舒適度顯著增加（p＜0.01,Friedman檢驗），并且在每對振動（1.5、2.0和 2.5 m·s-2）和噪聲（70和85 dB（A）以及無噪聲）激勵組合的斜率沒有顯著區(qū)別（p＞0.22,Wilcoxon檢驗）。群體斜率的中位數(shù)為 0.3，與標(biāo)準(zhǔn)中振動劑量值（Vibration Dose Value,VDV）定義的時間增長率0.25（即時長每增加一倍，提高1.5 dB）基本一致[11-12]。

分別檢驗不同持續(xù)時長（即 30、60、90和120 s），不同噪聲激勵組合下每個振動激勵（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長下 1.5和2.0 m·s-2的振動激勵引起的不舒適度（p＜0.5,Wilcoxon），但 2.0m·s-2120 s的振動不舒適度除外（p=0.13,Wilcoxon）。盡管從表 1中可以看出，70 dB（A）噪聲組合下的振動不舒適度中值略大于無噪聲下的振動不舒適度，但 70 dB（A）的噪聲對于2.5 m·s-2的振動不舒適度沒有顯著的影響（p＞0.2,Wilcoxon）。除 2.5 m·s-2、120 s的振動不舒適度外（p=0.11,Wilcoxon），85 dB（A）的噪聲顯著降低了在其他所有時長下1.5、2.0和2.5 m·s-2的振動激勵引起的不舒適度（p＜0.05,Wilcoxon）。

3 討 論

圖3以及統(tǒng)計檢驗結(jié)果顯示，當(dāng)被試在較高幅值的噪聲中（85 dB（A）），振動引起的不舒適度減小；當(dāng)被試在較低幅值的噪聲中（即 70 dB（A）），振動引起的不舒適度增大。這可以用掩蔽效應(yīng)解釋：當(dāng)被試專注于判斷振動不舒適度時，較高的噪聲水平可能掩蔽了被試對振動不舒適度的感知，而較低的噪聲水平則可能增強了他們對振動不舒適度的感知。這說明噪聲可以對垂直全身振動產(chǎn)生抑制或增強的正反兩方面作用，可視為噪聲對振動的正反掩蔽效應(yīng)。

噪聲對振動不舒適度的抑制或增強作用分別與前人研究一致[5-6,9]。Howarth等指出了噪聲對振動不舒適度的協(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（如0.125 m·s-2）的不舒適度[6]。Huang 等[5,9]指出了噪聲對振動不舒適度的拮抗效應(yīng)（即“正掩蔽”），但并沒有發(fā)現(xiàn)“負(fù)向掩蔽”。這可能是因為他們雖然采用了和本實驗幅值相近的噪聲激勵（64、82 dB（A）），但采用的振動幅值（0.079～1.262 m·s-2）遠(yuǎn)小于本實驗（1.5、2.0、2.5 m·s-2）。噪聲是否對振動的主觀感知（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的物理強度（如聲壓級和加速度均方根值），但是它們之間的關(guān)系是相對而模糊的：根據(jù)等舒適性曲線[5]，本次實驗中 70 dB（A）噪聲的主觀強度遠(yuǎn)低于1.5 m·s-2振動的主觀強度，噪聲對振動具有負(fù)向掩蔽效應(yīng)；在文獻(xiàn)[6]的研究中，65 dB（A）噪聲的主觀強度略高于 0.125 m·s-2的振動，噪聲對振動也有負(fù)向掩蔽效應(yīng)。

噪聲對振動不舒適度的掩蔽效應(yīng)隨著振動幅度的增大而減小，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，70 dB（A）的噪聲對振動引起的不舒適度沒有顯著影響。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0.125 m·s-2振動具有負(fù)向掩蔽效應(yīng)，卻對低于0.125 m·s-2的振動沒有該效應(yīng)。

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

4 結(jié) 論

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

在噪聲和振動同時存在的場合，任何預(yù)測噪聲或振動的不舒適度模型，需要同時考慮兩者之間的掩蔽效應(yīng)。不同類型、不同幅值的噪聲和振動之間的正負(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。