噪聲和振動(dòng)等舒適度曲線的快速確定方法

劉李娜，黃 煜，龔楚楚，李 喆，何 穎

（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，上海200240）

噪聲和振動(dòng)是車(chē)輛、船舶和飛機(jī)等交通工具艙室內(nèi)部影響人體舒適性的重要因素?，F(xiàn)有研究大多基于客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)，通過(guò)分析客觀物理特征和主觀心理指標(biāo)之間的關(guān)系，最終建立不同環(huán)境中噪聲或振動(dòng)的不舒適度（煩惱度）預(yù)測(cè)模型[1-10]。由于在艙室內(nèi)部環(huán)境中，人們往往同時(shí)暴露于噪聲和振動(dòng)中，因此可以用同一指標(biāo)（如不舒適度）來(lái)統(tǒng)一量化噪聲和振動(dòng)對(duì)人體舒適性的影響。

根據(jù)Stevens’power law，噪聲和振動(dòng)的不舒適度主觀幅值ψs和ψv可以通過(guò)冪函數(shù)用兩者的客觀幅值φs和φv描述，即：

其中：ks、kv、ns和nv均為常數(shù)，ns和nv分別表示噪聲和振動(dòng)不舒適度隨客觀幅值的增長(zhǎng)率[11]。令ψs=ψv，即可得到噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線。該曲線描述了噪聲和振動(dòng)各自對(duì)人體舒適性影響的相對(duì)重要性，對(duì)噪聲振動(dòng)控制中減振或降噪的優(yōu)先級(jí)起指導(dǎo)作用。

要確定噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線，通常需要進(jìn)行完整的交叉感覺(jué)主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，獲取所有幅值噪聲激勵(lì)相對(duì)于所有幅值振動(dòng)激勵(lì)的不舒適度，以及所有幅值振動(dòng)激勵(lì)相對(duì)于所有幅值噪聲激勵(lì)的不舒適度，再將它們表示在橫、縱坐標(biāo)分別為噪聲和振動(dòng)客觀幅值的坐標(biāo)系中。以聲暴露級(jí)（SEL）和振動(dòng)劑量值（VDV）為例，當(dāng)φs=LAE，φv=aVDV，令ψs=ψv，則得：

式（3）表示在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線是一條斜率s=20(nv/ns)的直線[12]。

完整的交叉感覺(jué)實(shí)驗(yàn)往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間和工作量。根據(jù)式（3），噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線的斜率可以由nv和ns的比值得到，而增長(zhǎng)率ns和nv可以通過(guò)噪聲或振動(dòng)的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)獲得。那么，是否可以不進(jìn)行完整的交叉感覺(jué)實(shí)驗(yàn)，僅通過(guò)一組噪聲和振動(dòng)的主觀評(píng)價(jià)分別獲得ns和nv，再通過(guò)式（3）確定二者的等舒適度曲線？目前為止，鮮有文獻(xiàn)對(duì)此給出明確回答。

本文擬在之前工作的基礎(chǔ)上[13]，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究噪聲和振動(dòng)等舒適度曲線的快速確定方法：即在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，直接通過(guò)計(jì)算ns（即噪聲不舒適度隨SEL的增長(zhǎng)率）和nv（即振動(dòng)不舒適度隨加速度的增長(zhǎng)率）的比值，確定噪聲和振動(dòng)等舒適度曲線的斜率，最終確定噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線。

圖1 噪聲（A計(jì)權(quán)）和振動(dòng)激勵(lì)樣本（Wk計(jì)權(quán)）時(shí)域和頻域圖

1 方法

1.1 激勵(lì)

同步測(cè)量和記錄汽車(chē)內(nèi)部的噪聲和振動(dòng)。前排乘客座椅表面垂向加速度通過(guò)座墊加速度傳感器（Brüel &Kj?r，丹麥，型號(hào)4515B）采集。座墊與水平面的夾角約25度，座墊傳感器固定于乘客坐骨結(jié)節(jié)之間的正下方。前排乘客的雙耳噪聲通過(guò)人工頭（HEAD Acoustics，德國(guó)，型號(hào)HMS IV）采集。采集到的噪聲和振動(dòng)信號(hào)通過(guò)Müller-BBM PAK 噪聲振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)（Müller-BBM，德國(guó)，型號(hào)PAK MKII，版本V5.7）同步記錄。

選擇瀝青路上車(chē)輛以40 m/h行駛時(shí)的噪聲和振動(dòng)信號(hào)作為原始激勵(lì)樣本，樣本時(shí)長(zhǎng)為4 s。噪聲樣本的A 計(jì)權(quán)SPL是65 dB(A)[14]。振動(dòng)樣本的Wk計(jì)權(quán)加速度值為0.32 m/s2[15]。在樣本的起始和結(jié)束處分別加上長(zhǎng)度為0.2 s的余弦衰減包絡(luò)后，其時(shí)域和頻譜如圖1所示?；诩?lì)樣本的頻譜調(diào)整幅值，生成10個(gè)SEL 幅值范圍從64 dB(A)到91 dB(A)、間隔為3 dB的噪聲激勵(lì)；生成10個(gè)VDV 幅值范圍從0.11 m/s1.75到1.1 m/s1.75、間隔為0.11 m/s1.75的振動(dòng)激勵(lì)。

1.2 受測(cè)者信息

選取12個(gè)上海交通大學(xué)的男學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的志愿受測(cè)者，其年齡中值為28歲（25歲到30歲），身高中值為172 cm（164 cm到178 cm），體重中值為67 kg（56 kg到90 kg）。所有受測(cè)者在參與實(shí)驗(yàn)前都正式簽署了同意文件。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在電磁振動(dòng)臺(tái)（LDS，英國(guó)，型號(hào)V8-640T LPT1220/SPA56K）的900×900 mm的垂直振動(dòng)鋁合金平臺(tái)上進(jìn)行。自制鋁合金座椅通過(guò)剛性連接固定在該垂直振動(dòng)臺(tái)上。受測(cè)者端坐在座椅上，背部不接觸座椅靠背，雙腳平放于振動(dòng)臺(tái)上，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

振動(dòng)臺(tái)通過(guò)LMS SCADASIII 控制系統(tǒng)（SIEMENS，德國(guó)，型號(hào)SC310）控制。在座椅座墊下方放置一個(gè)壓電式加速度傳感器（厚德自動(dòng)化儀表，中國(guó)無(wú)錫，型號(hào)HD-YD-216）實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量垂向加速度。振動(dòng)信號(hào)通過(guò)LMS Test Lab 產(chǎn)生，采樣頻率為512 Hz。

噪聲激勵(lì)通過(guò)Adobe Audition CS6（Adobe Systems，美國(guó)）產(chǎn)生和控制，經(jīng)由MAYA44 USB2.0音頻界面（ESI Audiotechnik，德國(guó)）輸出至受測(cè)者佩戴的耳塞（Etymotic er4p）。受測(cè)者同時(shí)佩戴一副隔音耳罩（3M 1425），以減小振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行時(shí)背景噪聲的干擾。隔音耳罩隔音效果約為20 dB，插入式耳塞的隔音效果約為25 dB。噪聲激勵(lì)通過(guò)人工頭（HEAD HMS IV，配套軟件ArtimiS SUITE）進(jìn)行校準(zhǔn)：人工頭佩戴耳塞，通過(guò)回放設(shè)備調(diào)整輸出值，使人工頭接收到的噪聲激勵(lì)的聲級(jí)等于實(shí)驗(yàn)設(shè)置值，即SEL范圍為64 dB(A)到91 dB(A)，間隔3 dB。通過(guò)聲級(jí)計(jì)（Brüel&Kj?r Type 2250）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行時(shí)的背景噪聲SPL約為75 dB(A)。

表1 受測(cè)者群體的噪聲不舒適度評(píng)價(jià)中值

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

受測(cè)者運(yùn)用相對(duì)幅值評(píng)價(jià)法[12]對(duì)噪聲或振動(dòng)產(chǎn)生的不舒適度進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)分成A和B兩部分進(jìn)行。A部分實(shí)驗(yàn)，每個(gè)受測(cè)者隨機(jī)經(jīng)歷10個(gè)噪聲激勵(lì)跟10個(gè)不同幅度振動(dòng)激勵(lì)的組合，共計(jì)100 對(duì)。要求受測(cè)者在經(jīng)歷每一對(duì)噪聲和振動(dòng)的組合之后，以振動(dòng)為參考激勵(lì)，假設(shè)其不舒適度為100，給出噪聲產(chǎn)生的不舒適度值。B部分實(shí)驗(yàn)，每個(gè)受測(cè)者隨機(jī)經(jīng)歷10個(gè)振動(dòng)激勵(lì)和76 dB(A)的噪聲激勵(lì)的組合。要求受測(cè)者在經(jīng)歷每一對(duì)噪聲和振動(dòng)的組合之后，以76 dB(A)的噪聲激勵(lì)為參考，假設(shè)噪聲產(chǎn)生的不舒適度值是100，給出振動(dòng)產(chǎn)生的不舒適度值。一半受測(cè)者先參加A部分，再參加B部分；另一半則反之。

受測(cè)者在正式開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，首先閱讀實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，大致了解自己需要完成的任務(wù)；然后通過(guò)判斷線條長(zhǎng)度進(jìn)行幅值評(píng)價(jià)法的練習(xí)，再在振動(dòng)臺(tái)上隨機(jī)嘗試判斷較小、中等或較大幅值激勵(lì)的不舒適度。當(dāng)受測(cè)者熟悉實(shí)驗(yàn)流程之后，實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始。

2 結(jié)果

2.1 噪聲相對(duì)于參考振動(dòng)的不舒適度

受測(cè)者群體的噪聲不舒適度主觀評(píng)價(jià)值中值如表1所示。表中每一個(gè)參考振動(dòng)激勵(lì)的不舒適度值均為100。

從式（1）知，噪聲不舒適度值ψs同SEL在對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上可以表示為

其中：LAEμ20 log(φs)是A計(jì)權(quán)的等效連續(xù)SEL值，假設(shè)φs為聲壓[12,14]。對(duì)表1中每個(gè)參考振動(dòng)激勵(lì)下的因變量log10(ψs)和自變量LAE作線性回歸分析，得到截距、斜率和相關(guān)系數(shù)，如表2所示。同時(shí)將ψs=100代入線性回歸曲線，算出同參考振動(dòng)激勵(lì)具有相同的不舒適度值的SEL，見(jiàn)表2的LAE列。

表2 不舒適度值log10(ψs)相對(duì)于LAE的線性回歸分析

根據(jù)式（3），將表2中的LAE列和aVDV列中的數(shù)據(jù)作線性回歸，得到噪聲和振動(dòng)產(chǎn)生的不舒適度等效曲線，相關(guān)系數(shù)為0.958：

2.2 振動(dòng)相對(duì)于參考噪聲的不舒適度

從式（2）知，振動(dòng)不舒適度值ψv同VDV 在對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上可以表示為

式中：φs即VDV值。

受測(cè)者群體的振動(dòng)不舒適度主觀評(píng)價(jià)值中值如表3所示。此時(shí)不舒適度100的參考噪聲的SEL為76 dB(A)。對(duì)因變量log10(ψv)和自變量log10(aVDV)作線性回歸，得到截距、斜率和相關(guān)系數(shù)，列于表3第3列。

表3 受測(cè)者群體的振動(dòng)不舒適度評(píng)價(jià)中值和線性回歸參數(shù)

2.3 基于不完整交叉評(píng)價(jià)的等舒適度曲線

從表3中的線性回歸參數(shù)（即截距l(xiāng)og10(kv)和斜率nv）可知，VDV是0.58 m/s1.75的振動(dòng)不舒適度與SEL是76 dB(A)的噪聲不舒適度相等，即log10(ψv)=100。利用0.58 m/s1.75和76 dB(A)以及表2中產(chǎn)生相等不舒適度的LAE和aVDV，可以得到噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線。例如，從表2中選取78.6 dB(A)的噪聲與0.77 m/s1.75的振動(dòng)，結(jié)合表3中的76 dB(A)的噪聲和0.58 m/s1.75的振動(dòng)，即可通過(guò)線性方程計(jì)算獲得噪聲和振動(dòng)之間的等舒適度曲線。

嘗試將表2和表3中的不同SEL 和VDV組合，得到噪聲和振動(dòng)的多條等舒適度曲線，結(jié)果如表4所示。表2.4 中每一行的斜率和截距都是根據(jù)表2中對(duì)應(yīng)的LAE和aVDV（同表2.2）結(jié)合表3中的0.58 m/s1.75和76 dB(A)計(jì)算得到。

表4 噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線

另一方面，根據(jù)s=20(nv/ns)，等效曲線斜率也可以通過(guò)ns和nv的比值得到。表2.2 中ns/20的值從0.019到0.036（中值是0.027），表3中nv=0.076，因此等效曲線斜率值的范圍從19.6到37.2（中值是26.1）。

3 討論

3.1 不同研究中的等舒適度曲線對(duì)比

Huang和Griffin比較了前人研究中不同的噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線，并解釋了兩類分歧產(chǎn)生的原因[12]。圖3中比較了根據(jù)不同研究[12，6-20]得到的噪聲和振動(dòng)等舒適度曲線，包括本實(shí)驗(yàn)A部分（噪聲相對(duì)于參考振動(dòng)激勵(lì)的不舒適度）。圖3的坐標(biāo)范圍為實(shí)驗(yàn)中VDV的取值范圍（Paulsen的曲線基于速度均方根值[20]）。等舒適度曲線的不同斜率值取決于實(shí)驗(yàn)中受測(cè)者關(guān)注噪聲或者關(guān)注振動(dòng)，即實(shí)驗(yàn)中是噪聲主導(dǎo)或振動(dòng)主導(dǎo)[12]。在本實(shí)驗(yàn)A部分、Hempstock 等的實(shí)驗(yàn)[17]、Paulsen 等的實(shí)驗(yàn)[20]以及Huang 和Griffin的實(shí)驗(yàn)A部分[12]，噪聲是感覺(jué)主導(dǎo)量（受測(cè)者評(píng)價(jià)噪聲，參考激勵(lì)是振動(dòng)），因此得到相近的等舒適度曲線斜率。Paulsen 和Kastka的等效曲線截距同本實(shí)驗(yàn)中得到的截距差別較大，原因可能是Paulsen的實(shí)驗(yàn)中背景噪聲和噪聲激勵(lì)的幅值低于本實(shí)驗(yàn)，而振動(dòng)激勵(lì)的幅值跟本實(shí)驗(yàn)相近。本研究結(jié)果同Hempstock以及Huang 和Griffin得到的等舒適度曲線較吻合，并將曲線的有效預(yù)測(cè)范圍下限從0.1 m/s1.75VDV拓展至0.05 m/s1.75VDV。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)中噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線

3.2 噪聲和振動(dòng)的相互影響

從表2可知，當(dāng)參考振動(dòng)激勵(lì)的幅度從0.11 m/s1.75增加到1.10 m/s1.75，噪聲不舒適度隨客觀幅值變化的斜率ns/20 從0.019 增加到0.036，跟Huang 和Griffin的斜率變化（從0.02到0.028）[12]大體一致；而學(xué)者普遍接受的由Stevens[11]建議的斜率值大約是0.33。斜率值隨參考激勵(lì)增大而變大的主要原因可能是噪聲和振動(dòng)相互之間的“掩蔽效應(yīng)”，較大幅值的振動(dòng)掩蔽了較小幅值的噪聲產(chǎn)生的不舒適度，使得受測(cè)者對(duì)幅值較小的噪聲傾向于給出較小的不舒適度評(píng)價(jià)值；而較大幅值的噪聲受振動(dòng)的影響較小。因此，同較大幅值的振動(dòng)組合的噪聲不舒適度隨幅值的增長(zhǎng)率ns大于同較小幅度的振動(dòng)組合的噪聲不舒適度增長(zhǎng)率。故在預(yù)測(cè)噪聲和振動(dòng)的相對(duì)重要性時(shí)應(yīng)該將二者之間的“掩蔽效應(yīng)”考慮在內(nèi)。

本實(shí)驗(yàn)的B部分（振動(dòng)相對(duì)于參考噪聲的不舒適度）中，振動(dòng)不舒適度隨客觀幅值的增長(zhǎng)率nv=0.706，同Morioka 和Griffin[21]的振動(dòng)不舒適度平均增長(zhǎng)率0.71 一致。在Morioka 和Griffin的實(shí)驗(yàn)里，受測(cè)者在評(píng)價(jià)2 s 振動(dòng)不舒適度的過(guò)程中始終暴露在SEL為77 dB(A)的白噪聲中；而在本實(shí)驗(yàn)的B部分，受測(cè)者在評(píng)價(jià)4 s振動(dòng)不舒適度的過(guò)程中暴露在SEL為76 dB(A)的低頻噪聲中。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，受測(cè)者經(jīng)歷的噪聲幅度相近，對(duì)振動(dòng)激勵(lì)的“掩蔽效應(yīng)”也相近，因此得到的結(jié)果也相近。

3.3 等舒適度曲線的快速確定步驟

從表4可以看出，根據(jù)實(shí)驗(yàn)A部分（噪聲相對(duì)于參考振動(dòng)的不舒適度，見(jiàn)表2）的LAE和aVDV值得到的等舒適度曲線斜率，同根據(jù)實(shí)驗(yàn)B部分（振動(dòng)相對(duì)于參考噪聲的不舒適度）的0.58 m/s1.75和76 dB(A)得到等舒適度曲線斜率20nv/ns的值并不一致；甚至出現(xiàn)了錯(cuò)誤值（符號(hào)*標(biāo)注的值）。式（7）中斜率20.2是通過(guò)A部分和B部分幅度相近的噪聲和振動(dòng)值（即78.6 dB(A)和0.78 m/s1.75；76 dB(A)和0.58 m/s1.75）計(jì)算得到，同Huang 和Griffin 根據(jù)完整的交叉感覺(jué)實(shí)驗(yàn)提出的合理值21[12]相近。但是，不推薦使用這種方法得到斜率20(nv/ns)的值，因?yàn)閮H使用兩組測(cè)量數(shù)據(jù)（即實(shí)驗(yàn)A部分和B部分各一組SEL 和VDV）來(lái)進(jìn)行線性回歸可能產(chǎn)生較大誤差，同時(shí)也無(wú)法確定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)功效。

另一方面，將根據(jù)實(shí)驗(yàn)B部分得到的nv的值（0.706）除以根據(jù)實(shí)驗(yàn)A部分得到的ns/20的值（從0.019到0.036，中值為0.027），得出斜率20nv/ns值的范圍為從19.6到37.2（中值為26.1）。這些值同之前根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果一致[12]。這說(shuō)明如果獲得nv和ns的實(shí)驗(yàn)是在相同的條件下進(jìn)行，例如振動(dòng)和噪聲激勵(lì)的特征（幅度、頻率等）相同，受測(cè)者相同等等，20(nv/ns)的值可以直接通過(guò)nv和ns的比值計(jì)算。

以此可知，實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)如下步驟快速獲得噪聲和振動(dòng)等不舒適度曲線：

（1）選取一個(gè)幅值的振動(dòng)作為參考激勵(lì)，評(píng)價(jià)不同幅值的噪聲相對(duì)于該參考的不舒適度，通過(guò)線性回歸獲得ns；

（2）選取一個(gè)幅值的噪聲作為參考激勵(lì)，評(píng)價(jià)不同幅值的振動(dòng)相對(duì)于該參考的不舒適度，通過(guò)線性回歸獲得獲得nv；

（3）通過(guò)nv和ns的比值獲得主觀等效曲線斜率20(nv/ns)的值；

（4）通過(guò)斜率與一組噪聲振動(dòng)組合（如參考振動(dòng)的VDV 和與參考振動(dòng)不舒適度相同的噪聲激勵(lì)的SEL）計(jì)算出截距，這樣就得到了噪聲和振動(dòng)的主觀等效曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線描述了噪聲和振動(dòng)的相對(duì)重要性。本文通過(guò)主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，提出了兩者等舒適度曲線的快速確定方法：當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，評(píng)價(jià)噪聲相對(duì)于振動(dòng)產(chǎn)生的不舒適度，或評(píng)價(jià)振動(dòng)相對(duì)于噪聲產(chǎn)生的不舒適度，噪聲和振動(dòng)的等舒適度曲線的斜率20nv/ns可以直接通過(guò)nv和ns的比值得到，從而較為快捷簡(jiǎn)便地得到噪聲和振動(dòng)的不舒適度等效曲線。

噪聲和振動(dòng)之間存在“掩蔽效應(yīng)”：當(dāng)受測(cè)者同時(shí)經(jīng)歷噪聲和振動(dòng)時(shí)，較大幅值的噪聲會(huì)“掩蔽”較小幅值的振動(dòng)，而較大幅值的振動(dòng)會(huì)“掩蔽”較小幅值的噪聲。