時域掩蔽效應對人體振動舒適性影響的試驗研究

關鍵詞：全身振動；振動舒適性；時域掩蔽；人體振動響應；主觀評價 中圖分類號：TB535；R594.6 文獻標志碼：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202311060

Experimental study on temporal masking effect of human vibration comfort

GUO Zhi1，LIN Jiewei1， YANG Xiyu1，WANG Jian2，LIN Zefeng2 （1.Schoolof Mechnical Enginering，Tianjin University，Tianjin 3Oo35o，China;2.China National HeavyDuty Truck Group Co.，Ltd.，Jinan 25Oooo，China；3.CollgeofEnergyEngineeing，Zhejiang University，Hangzhou 310o58，China）

Abstract：Thehumanbody’sperceptionofonestimulusmaychangeduetotheoccurrenceofanotherstimulus，whichleads tothe posibilityofamaskingefectbetweevibrationsthatsuccessvelyactonthehumanbody.Whetherthemaskingefectissgnificant ornotiselatedtomanyfactors.Thisstudydesignedandcariedoutaseatedhumanvibrationexperimenttoexplorethempactof time-domainmaskingefectsonvibrationcomfortoftheseated human body.Designedvariablesinclude：intensityof masking sig nals（3levels），vibration interval（4levels），and maskingsequence（forwardandbackward）.Theexperimentalresultsshowthat thesefactorsdohaveanimpactontheoverallcomfortwhensubjectedtowhole-bodyvibration；comparingtheefectsofforward maskingtestsandbackwardmaskingtests，thediscomfortcausedbybackward maskingtestsisstronger;withtheincreaseofvibrationtime intervalandthedecreaseofthemaskingsignalstrength，theinfluenceofthemaskingeffectonhumanbodydiscomfort graduallyweakens.Itcanbefoundthatinaditiontofrequencydomainweighting，thetimedomaincharacteristicsofvibrationamplitudealsohaveanon-negligibleimpactontheevaluationofhumanvibrationdiscomfort.Comfortpredictionbasedonobjectivere sponses should consider the influence of more factors.

Keywords：whole-bodyvibration;vibrationcomfort;temporalmasking;human vibration response;subjective evaluation

長期暴露在振動下，人體會產生一定的不舒適感，振動對工作效率和身心健康都會造成損害[1]。機械振動對人體舒適性的影響非常復雜，常見的影響因素包括：頻率、強度、方向、人員姿態、人機界面支撐、振動信號的特征等[2-4]。同時，振動環境下人體的生物動力學特性具有高度的非線性[5-6]

掩蔽效應是人體對一種刺激的感知因另一種刺激的存在而減少的現象，具有復雜的心理學和生理學成因[7-8]。掩蔽效應可以用于描述和模擬人體對不同模態的反應，在聽覺、視覺、觸覺等模態的感知模式中發揮重要作用[91]。掩蔽效應的作用形式多種多樣，根據刺激是否同時作用于人體，可以分為同時掩蔽和非同時掩蔽；從信號分析域的角度則分別對應頻域掩蔽和時域掩蔽，時域掩蔽又可以進一步按照掩蔽信號在前還是在后分為前向掩蔽和后向掩蔽。在振動領域，有關掩蔽效應的研究一般從兩個方向開展，一方面是針對掩蔽效應與人體感知閾值的研究，即人體對刺激的感知量是否因為另一刺激的存在而發生偏移。GESCHEIDER等[12]研究了前向掩蔽模式下，作用于手指的掩蔽信號的刺激持續時長對感知閥值的影響。在全身振動領域，SCHWENDICKE等[13研究了全身振動的時間掩蔽效應，以及不同時間間隔和頻域條件對于掩蔽效應強弱的影響。以上研究表明振動掩蔽效應與聲、光領域類似。在證實掩蔽效應影響人體感知的基礎上，另一方面的研究關注掩蔽效應對人體諸多功能如舒適性、工作和學習效率的影響。HUANG等[4研究了振動和噪聲在時序交替出現時，對舒適性的相對影響。IKEDA等[15進行了全身振動頻域掩蔽的乘坐舒適性研究，并開發了一種基于此原理的主動控制系統。然而，在全身振動領域，尚未有研究全面完整地闡述時序上的掩蔽效應與人體舒適性的關系。

本文研究了掩蔽信號的強度、間隔、順序影響下的掩蔽效應及總體舒適性，相比于研究單獨的掩蔽信號或目標信號的舒適性，本研究更加關注掩蔽效應對整個掩蔽過程中振動舒適性的影響，繼而為現行振動舒適性評價提供有益補充。

1試驗設計

本文借鑒了CR-10量表的思想，設計了用于量化人體主觀感受的評分標尺，如表1所示。該評分標準共有6個語義等級，從0（沒有任何不舒服）到10（極其不舒服）共11個分值。

表1舒適性主觀評分量表Tab.1 Subjectivecomfort ratingscale

振動激勵由六自由度振動試驗臺產生，剛性座椅的傳遞率已通過檢測[18]。在測試過程中，要求被試保持直立坐姿，不與靠背或扶手接觸，以消除坐姿和椅子支撐對不舒適感的影響。

本試驗借鑒了以往聽覺和觸覺掩蔽效應研究的試驗設計思路，采用對照試驗的方案探究掩蔽效應對舒適性的影響[1]。其中，試驗組由掩蔽信號和目標信號組合而成，對照組中只有掩蔽信號。掩蔽信號和目標信號分別為采用6s和2.5s的頻率范圍為0.5～30Hz 的白噪聲信號。

討論舒適性的影響，需要控制單一因素，改變試驗條件，分析舒適性評分改變的趨勢，得到該因素對掩蔽效應的影響；前向和后向掩蔽對舒適性的影響則通過對比分析以及定量計算兩種條件下舒適性的差異得到。本文設置了三個影響因素：掩蔽信號強度（3個水平）信號間距（4個水平）和信號順序（前向掩蔽：掩蔽信號在前；后向掩蔽：掩蔽信號在后）。為了使被試感受連貫，掩蔽信號和目標信號的間隔部分采用 0.1m/s² 的白噪聲信號填充，在信號銜接處使用三次樣條插值方法過渡。最終合成的振動信號時長為 15s 。試驗參數如表2所示。

表2掩蔽試驗參數

Tab.2 Parametersof themaskingexperiment

由于試驗組與對照組信號在強度上存在差異（大于 10% ），假設舒適性掩蔽效應存在，那么在同一掩蔽信號的部分試驗組和對照組的主觀評價結果對比中應無顯著差異。反之，則說明舒適性掩蔽效應不存在。在試驗中，信號的出現順序經過打亂，以避免霍桑效應的影響[19]。

共16名被試參與了本研究，包括9名男性和7名女性，身高范圍為 155～185cm ，體重范圍為48～95kg 。所有被試對本次試驗均知情同意，本試驗獲得了天津大學倫理委員會的批準。

2人員舒適性評分及顯著性檢驗結果

將涉及的試驗場景按照順序、強度分為6個對比組，舒適性評價結果箱線圖如圖1所示，其中圖1（a）～（c）為前向掩蔽評價結果，圖1（d）～（f）為后向掩蔽評價結果，每張子圖從左到右的掩蔽信號強度 R 分別 1.6，1.1 和 0.6m/s² ，圖中每組上方為顯著性水平為0.05的由不同間距試驗組與對照組進行的配對樣本T檢驗的結果， T 為T值， P 為p值， T 和p 的下標中所連接的兩個數字分別為進行對比的組從左至右的序號，1代表對照組，以此類推。

由圖1可知，在24個舒適性評分對比組中，共12組出現顯著性差異，12組未出現顯著性差異。在圖1（a）中，對照組的舒適性評分與間距為0.5、1、2s的試驗組無顯著性差異，而與6s的試驗組有顯著性差異。在圖1（b）中，對照組的舒適性評分與間距為0.5、1s的試驗組無顯著性差異，同時與2、6s的試驗組有顯著性差異。在圖1（c中，對照組與試驗組的顯著性檢驗結果與圖1（b）類似：與間距為0.5、1s的試驗組無顯著性差異，與2、6s的試驗組有顯著性差異。在圖1（d）中，對照組的舒適性評分與間距為0.5、1、2s的試驗組無顯著性差異，而與6s的試驗組有顯著性差異。在圖1（e）中，對照組的舒適性評分與間距為0.5、1s的試驗組無顯著性差異，而與2、6s的試驗組有顯著性差異。在圖1（f中，對照組的舒適性評分與所有試驗組均存在顯著性差異。這說明部分試驗組中出現了舒適性的掩蔽效應，掩蔽效應的程度強弱因間距、強度以及前后順序而異。

3前向掩蔽試驗的掩蔽影響因素

圖2前向掩蔽試驗舒適性評分結果 Fig.2Comfort rating results in forward masking tests

圖2以信號間距為橫軸，舒適性評價為縱軸，繪制了掩蔽信號強度分別為 1.6，1.1，0.6m/s² 時，前向試驗的評價結果，信號間距為0處的點代表對照組結果，并繪制了舒適性評價的中位數和四分位點。強度為 1.6m/s² 的總體舒適性范圍為 8～9 ，強度為1.1m/s² 的總體舒適性范圍為 5～7 ，強度為 0.6m/s² 的總體舒適性范圍為 3～4 ，整體上印證了以往研究關于振動強度與舒適性關系的結論[20]。值得注意的是，三條曲線的不舒適感都隨著振動間隔的增加而上升，而這些信號除了信號間距不同以外在強度上沒有任何差別，在人員評價標準差方面，不同強度和振動間隔的標準差沒有明顯差異。

將前向試驗涉及的試驗因素組合，根據顯著性檢驗結果劃分為未發生掩蔽試驗組和發生掩蔽試驗組，如圖3所示。可知， 1.6m/s² 組在0.5、1、2s共3個水平出現舒適性掩蔽效應， 1.1m/s² 組在兩個較小信號間距出現掩蔽效應， 0.6m/s² 組與 1.1m/s² 組一致。可以發現，小信號間距下出現掩蔽的試驗組更多。同一掩蔽信號強度下，總是小信號間距的試驗組優先出現掩蔽。掩蔽信號強度也有類似的效應，大掩蔽信號強度中發生掩蔽的試驗組合更多，而小掩蔽信號強度組，即 0.6m/s² 組，只有當兩個信號距離非常近時才體現出掩蔽效應。

掩蔽度用于衡量同一影響因素的不同水平掩蔽能力的強弱。GASKELL等[1使用在試驗中 75% 樣本正確識別目標信號的存在作為掩蔽效應發生的臨界點，繪制了不同信號間距下的聲掩蔽度曲線。在本次試驗中，選取同一掩蔽信號強度試驗組中的發生掩蔽的最大信號間距（未發生則為0），或者同一信號間距試驗組中的發生掩蔽的最小信號強度作為臨界點。由此繪制了全身振動掩蔽度曲線，如圖3所示。根據掩蔽度曲線，信號間距與掩蔽能力呈負相關。掩蔽信號強度在 0.6～1.1m/s² 低強度區間維持不變，在 1.1～1.6m/s² 高強度區間掩蔽能力有所增加。根據這種方式，能夠很好地得出掩蔽信號強度、信號間距對掩蔽能力的影響趨勢。

圖3前向掩蔽試驗的掩蔽度曲線 Fig.3Maskingdegree of forward maskingtests

4后向掩蔽試驗的掩蔽影響因素

圖4展示了3種強度的掩蔽信號位于目標信號之后的人員舒適性評價結果。3種強度的總體舒適性范圍分別為 8.5～9.6.5～7.5.4～5. 。標準差范圍分別為 1.5～2.7，1.5～2.6，1.6～3.2， ，低強度舒適性評分離散性略大于中高強度。4種振動間隔的標準差沒有明顯差異。

圖5為后向掩蔽試驗的掩蔽度曲線。在掩蔽效應的影響因素方面，與前向試驗相似，較大強度和較小信號間距更易出現掩蔽效應。區別在于，后向試驗的掩蔽度隨著掩蔽信號強度的增長速率更高，而在高強度和中等強度組的掩蔽能力對比中也體現出了差別。以上結論表明，全身振動對人體舒適性的掩蔽效應作用形式與其他模態的作用形式類似。

圖4后向掩蔽試驗舒適性評分結果 Fig.4Comfort rating results in backward masking tests

圖5后向掩蔽試驗的掩蔽度曲線 Fig.5Masking degree of backward masking tests

5 前向試驗與后向試驗的比較

圖6給出了前向試驗與后向試驗舒適性評分的對比。對于前向和后向掩蔽，總體舒適性都隨著信號間距的增加而提升，這說明掩蔽效應在逐漸衰減；另外，后向掩蔽的舒適性評分比同水平條件下的前向掩蔽更高，增加更快，其掩蔽效應相較于前向掩蔽更差。從掩蔽度曲線上也可以印證這一點：后向掩蔽度曲線在整體上覆蓋的試驗組更少。GESCHEIDER等[20]測量了在手部連續施加掩蔽信號和目標信號，改變刺激時間間隔對被試的感知閾值的影響，發現目標信號的刺激閾值是隨著刺激時間下降的函數。進一步測量了掩蔽刺激終止 25ms 后，觸覺閾值隨著掩蔽刺激的水平和持續時間而增加[21]。在全身振動領域，SCHWENDICKE等[指出在全身振動下，人體的感知閾值會受到掩蔽效應影響，感知閾值的偏移程度隨著掩蔽信號的強度的增大而增大，隨著信號間距的增大而衰減；并且前向掩蔽比后向掩蔽感知閾值抬高近 2dB 。本研究得到的影響因素變化趨勢與在人體感知的研究上得到的結論一致。由此可見，掩蔽效應導致人體對信號的敏感閾值抬高，同樣也減輕了振動帶來的不舒適感。當因素水平改變時，兩者表現出相同趨勢。據此，本文推測舒適性的改變是由掩蔽效應弱化了人體對振動的感知引起的。

圖6前/后向掩蔽試驗舒適性評分對比

Fig.6Comparison of comfort rating bewteen forward and backward masking tests

對于被試來說，前向和后向掩蔽試驗下的舒適性差異是與強度和信號間距有關的函數。將舒適性評分的非對稱性定義為同一信號組合與信號間距以不同順序加載時后向試驗與前向試驗評分的差值。當非對稱性為正值時，說明后向掩蔽的不舒適感更高，反之則說明前向掩蔽的不舒適感更高。根據圖7，整體非對稱性中位數都為非負數，但不乏部分被試的非對稱性評分為負數。 0.6m/s² 組的非對稱性略大于上面兩種，有可能因為當掩蔽信號與目標信號處于這種強度比時會給人較大的前后向體驗差異。但是由于舒適性是一個與信號時長、間隔、能量比都有影響的復雜因素，而本試驗中涉及的變量、信號間隔的水平較少，尚不足以完全論證該結論。掩蔽信號與目標信號以何種能量、時長進行組合會導致前/后向掩蔽非對稱性的問題有待更進一步的研究。

圖7掩蔽試驗舒適性評分的非對稱性 Fig.7Comfort rating asymmetry of masking tests

6結論

不同振動信號在時域上的相鄰關系對人體舒適性感受產生影響。具體來說，掩蔽效應是否發生與信號強度、掩蔽信號與目標信號的間距、前后向順序都有關聯。整體上，掩蔽能力與信號強度呈正相關，與信號間距呈負相關，前向掩蔽的掩蔽能力要強于后向掩蔽。掩蔽度越高的組別在統計上體現出更高的人員舒適性。這與以往感知閾值的研究結果有相似之處。在加權加速度均方根以外，振動的時域掩蔽特性也對舒適性評價有重要作用。

本研究提出了一種掩蔽度定義方法，以選取同一掩蔽信號強度試驗組中的發生掩蔽的最大信號間距，或者同一信號間距試驗組中的發生掩蔽的最小信號強度作為臨界點。從結果來看，這種方法可以有效地量化不同場景下振動信號掩蔽能力的強弱。目前掩蔽度曲線較為稀疏，后續根據試驗內容進一步優化掩蔽度曲線。

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第一作者：郭智（1997一），男，碩士研究生。 E-mail：guozhi@tju.edu.cn

通信作者：林杰威（1984一），男，博士，教授。 E-mail：linjiewei@tju.edu.cn