王 強(qiáng)

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

1 實(shí)驗(yàn)背景

相較于汽油或柴油車，電動(dòng)汽車在行駛時(shí)噪音很小，尤其是低速行駛時(shí)不易被交通參與者察覺。經(jīng)過實(shí)際比對(duì)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車和柴油動(dòng)力汽車（以下簡(jiǎn)稱“柴油汽車”）在以 10公里/小時(shí)行駛時(shí)噪音差距達(dá)6dB(A)，隨著時(shí)速加快，二者的行駛噪音差別變小，當(dāng)時(shí)速高于 40公里/小時(shí)，二者噪音相當(dāng)，此時(shí)其噪音主要來自輪胎[1]。

在城市中，由于各種交通噪音的存在，交通參與者要在一定距離外從這些低噪音中有效識(shí)別到運(yùn)行中的電動(dòng)汽車有很大難度，尤其是視力障礙人士很難察覺駛近的電動(dòng)汽車。

在前期實(shí)驗(yàn)中，筆者對(duì)12位視力障礙人士進(jìn)行了觀察和測(cè)試，要求這些被測(cè)試者分別通過聽覺判斷一輛電動(dòng)汽車和一輛柴油汽車的駛近過程。兩輛車均以10公里/小時(shí)的速度在非常平坦的路面上駛近，結(jié)果顯示，柴油汽車在安全距離內(nèi)（10米以外）被察覺，而電動(dòng)汽車在數(shù)米內(nèi)才被察覺。

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車駛近行人時(shí)的有效預(yù)警，有制造商在前保險(xiǎn)杠或車輪轂上安裝一個(gè)擴(kuò)音器，發(fā)出警示信號(hào)，但這種做法與推廣電動(dòng)汽車的原因之一——降低交通噪音卻背道而馳[2]。因此，有必要對(duì)電動(dòng)汽車的聲音警示信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲取聲級(jí)低但能起到明顯警示作用的聲音信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)過程

此實(shí)驗(yàn)主要是以人的聽覺系統(tǒng)對(duì)車輛來向進(jìn)行有效識(shí)別為基礎(chǔ)，借助模擬出的存在背景交通噪音的十字路口環(huán)境，讓被測(cè)者判斷來車方向，并詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)中采用的聽覺場(chǎng)景和警示刺激方法。為使數(shù)據(jù)有可比性，在車輛選擇上，分別選擇一輛電動(dòng)汽車和一輛柴油汽車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而被測(cè)試者則是選擇了40名年齡在18—48周歲的成年男子，并保證測(cè)試在他們意識(shí)清醒、情緒穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行，其中35名視力正?；虺C正視力正常，5名有視力障礙。

2.1 信號(hào)刺激物設(shè)計(jì)

刺激物場(chǎng)景（見圖1）：一名行人站在機(jī)動(dòng)車道邊并面向機(jī)動(dòng)車道，準(zhǔn)備穿過馬路，一輛車與行人呈直角在其面前以20公里/小時(shí)速度通過，車與行人的最短距離為1米。

圖1 刺激物場(chǎng)景

在實(shí)驗(yàn)中，行人由人工頭（雙耳采集和回放系統(tǒng)HMS IV）替代，電動(dòng)汽車和柴油汽車依次從人工頭前方通過，同時(shí)由人工頭記錄整個(gè)前方左右各 30米共60米內(nèi)所收到的聲音信號(hào)。這樣，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為10.8秒，同時(shí)記錄裝置將信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率 44.1kHz，分辨率16比特。

給予電動(dòng)汽車的警示信號(hào)為純音合成，信號(hào)的頻率限制在300至1500Hz，采用9種頻率，間隔150 Hz，即 300Hz、450Hz、600Hz、750Hz、900Hz、1050Hz、1200Hz、1350Hz、1500Hz。之所以選擇這樣的頻率范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)所使用喇叭的技術(shù)限制，其放射效率限制在300Hz以上；而頻率在1500Hz以下時(shí)，人的聽閾受年齡的影響不大。這就是本實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)目的，即將良好的被識(shí)別能力與總體聲級(jí)較低的警示信號(hào)相結(jié)合，將能量集中于有限的頻率帶可以使信號(hào)高于該頻率帶的被識(shí)別門檻。

將以上獲取到的這9種信號(hào)疊加上電動(dòng)汽車不發(fā)出任何聲音警示時(shí)的正常行駛聲音信號(hào)，這樣便獲得了9種“電動(dòng)汽車+警示音響”的警示信號(hào)刺激物（s1—s9）。為形成有效對(duì)比，另加上人工頭搜集到的電動(dòng)汽車和柴油汽車正常行駛聲音信號(hào)，一共構(gòu)成11種信號(hào)刺激物，模擬出汽車以 20公里/小時(shí)速度在行人面前通過的全方位移動(dòng)聲源（見圖2）。

2.2 背景噪音設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用兩種背景噪音：第一種由不同的錄音組成，同樣通過人工頭搜集，意圖模擬出一種遠(yuǎn)離聽者的背景交通噪音，并將樣本集中起來以便獲得一種比較固定的2分鐘噪音環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)中連續(xù)重復(fù)播放；第二種背景噪音則在第一種背景噪音基礎(chǔ)上加入下雨天搜集到的雨聲，這是考慮到視力障礙人士常說下雨時(shí)他們很難了解街上的聲音環(huán)境。

在下文中，這兩種場(chǎng)景分別稱為“晴天”和“雨天”，在這兩種場(chǎng)景中配置的聲級(jí)均為69分貝，該聲級(jí)的波動(dòng)范圍為±3分貝（即66—72分貝）。

2.3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所設(shè)計(jì)

測(cè)試在雙層墻（或單層墻）消音室內(nèi)進(jìn)行，由計(jì)算機(jī)控制信號(hào)刺激物和背景噪音播放，然后通過無線耳塞揚(yáng)聲器傳輸給一個(gè)高質(zhì)量的雙耳耳機(jī)，在被測(cè)試者接受測(cè)試前，先利用人工頭進(jìn)行聲級(jí)核實(shí)[3]。

2.4 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)開始前，讓聽者了解幾種刺激物并進(jìn)行短時(shí)間培訓(xùn)，培訓(xùn)期間采用五種刺激物（從整套刺激物中隨機(jī)挑選）。

被測(cè)試者戴上耳機(jī)后會(huì)持續(xù)聽到連續(xù)播放的背景噪音，由電腦隨機(jī)選擇時(shí)間加入一種車輛聲音，車輛可以來自聽者的右方或左方。給被測(cè)試者介紹十字路口場(chǎng)景，讓他們盡快確定車輛來自何方。為防止將車輛聲音與背景聲音混淆，被測(cè)試者被告知目標(biāo)車輛會(huì)比聽起來遙遠(yuǎn)的環(huán)境交通噪音近得多。按下電腦鍵盤上的兩個(gè)鍵之一做出反應(yīng)：如果認(rèn)為車輛來自左方，按空格鍵；如果認(rèn)為車輛來自右方，按回車鍵。

該相互刺激間隔隨機(jī)選擇為1至20秒。每一種刺激物出現(xiàn) 8次（來自聽者左右方各 4次），總共出現(xiàn)88次，持續(xù)時(shí)間約45分鐘。為避免被測(cè)試者疲倦，實(shí)驗(yàn)分成2組，每組44種音響。兩組之間，聽者稍作休息。

實(shí)驗(yàn)中需要將有效數(shù)據(jù)記入實(shí)驗(yàn)記錄，包括：刺激物號(hào)碼、開始時(shí)間、抵達(dá)方向、以秒為單位計(jì)算的聽者的反應(yīng)時(shí)間、聽者報(bào)告的抵達(dá)方向。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 樣本選擇

如果某個(gè)被測(cè)試者對(duì)信號(hào)刺激物的錯(cuò)失率超過20%，即車輛通過后超過 5.4秒才有反應(yīng)，或者錯(cuò)失了對(duì)某一刺激物出現(xiàn)的所有各次反應(yīng)，則會(huì)在進(jìn)一步的分析中被排除。3名被測(cè)試者符合以上條件，留下37名被測(cè)試者的有效數(shù)據(jù)供分析。

這37名被測(cè)試者（與駛近方向有關(guān)的）在各次測(cè)試中的錯(cuò)誤率僅為 3.45%。因此，反應(yīng)時(shí)間基于所有各次測(cè)試進(jìn)行分析，無論對(duì)與錯(cuò)，錯(cuò)的次數(shù)極少，即使錯(cuò)，也顯示被測(cè)試者察覺到了車輛（或警示）聲音。

但是，被測(cè)試者的平均反應(yīng)時(shí)間（RT）相當(dāng)不同（見圖3），有些在車輛首次出現(xiàn)后1.3秒就有反應(yīng)，有些則當(dāng)車輛幾乎駛過后才有反應(yīng)，即大約5秒。它們相對(duì)應(yīng)于車輛距離位于路邊的參與者22.8米和2.2米。

圖3 被測(cè)試者的平均反應(yīng)時(shí)間

3.2 盲人、正常視力被測(cè)試者

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（見圖4），視力正常者和視力障礙者反應(yīng)時(shí)間在雨天（下部）和晴天（上部）的總體平均值非常相近，對(duì)不同音響刺激物的反應(yīng)圖形非常相似。至于平均反應(yīng)時(shí)間，在視力正常者和視力障礙者之間無重大差別，盡管視力障礙者的總體反應(yīng)時(shí)間比視力正常者平均快約250毫秒，但考慮到這個(gè)時(shí)間差極小，所以可以證實(shí)視力障礙對(duì)反應(yīng)時(shí)間無重大影響。

圖4 盲人和視力正常人反應(yīng)時(shí)間的平均值

3.3 交通噪音條件

對(duì)比圖4中晴天和雨天兩種交通噪音條件下獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很明顯，晴天被測(cè)試者察覺較早，尤其是對(duì)不太突出的警示信號(hào)及對(duì)純電動(dòng)汽車的正常行駛信號(hào)。

3.4 警示信號(hào)的不同

比較對(duì)不同警示信號(hào)的察覺性差別（見圖5），可以發(fā)現(xiàn)，不同警示信號(hào)被準(zhǔn)確識(shí)別到的反應(yīng)時(shí)間有差別，有些甚至大于2秒。

圖5 將圖4中給出的數(shù)據(jù)重新排列呈現(xiàn)晴天和雨天之間的對(duì)比

如圖6所示，實(shí)驗(yàn)中被記錄的車輛以恒速20公里/小時(shí)移動(dòng)，將反應(yīng)時(shí)間轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的距離，即每秒行駛5.5米。平均來說，在雨天，某些車輛被察覺時(shí)已進(jìn)入非安全距離，尤其是未裝備警示信號(hào)發(fā)射裝置的電動(dòng)汽車，即車與行人距離小于7.5米，該距離為以20公里/小時(shí)車速行駛汽車的有效停車距離，再將司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間及剎車時(shí)間考慮進(jìn)去，留給行人的反應(yīng)時(shí)間更少了。

圖6 將反應(yīng)時(shí)間轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)距離時(shí)的情況

對(duì)疊加有警示信號(hào)的刺激物分析可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的警示信號(hào)就其對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響來說都是可區(qū)別的，也就是說各種頻率的警示信號(hào)都有利于電動(dòng)汽車在交通背景噪音下被識(shí)別。尤其是信號(hào)刺激物 3和7，被測(cè)試者對(duì)其反應(yīng)時(shí)間普遍快于其他警示信號(hào)刺激物，就像察覺一輛高噪音的柴油汽車駛近時(shí)一樣有效。同時(shí)，這兩種信號(hào)刺激物在來車方向判斷上也存在明顯優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

此實(shí)驗(yàn)充分考慮到數(shù)據(jù)的可比性，利用聽者（視力正常者和視力障礙者）、聽力場(chǎng)景（晴天和雨天）、警示信號(hào)特點(diǎn)（不同頻率聲音信號(hào)）的數(shù)據(jù)對(duì)比，來分析對(duì)相對(duì)安靜的電動(dòng)汽車加裝聲音警示信號(hào)發(fā)射裝置的重要性[4]。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）此次研究中，視力障礙者平均反應(yīng)并不比視力正常者快多少，但在理想的聽力條件下，即無雨聲干擾下，附加的聲音警示信號(hào)對(duì)其的影響比對(duì)視力正常者稍大。然而，整體來看，有聲音警示信號(hào)預(yù)警的情況下，兩類人群對(duì)行駛車輛的辨識(shí)度明顯提高，這對(duì)設(shè)計(jì)一種視力障礙者和視力正常者通用的聲音警示信號(hào)是個(gè)鼓勵(lì)。

（2）至于聲學(xué)背景，有效信號(hào)刺激物（柴油汽車、配備顯著聲音警示信號(hào)的電動(dòng)汽車）并不受雨聲的干擾，而同時(shí)效率較低的警示物反應(yīng)時(shí)間延長1秒。這恰好反映出在雨天噪音環(huán)境下，人普遍對(duì)聲音警示信號(hào)的識(shí)別性較未發(fā)射警示信號(hào)而正常行駛的電動(dòng)汽車的識(shí)別性更好。

s3和 s7兩種聲音警示信號(hào)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中表現(xiàn)最佳，與察覺柴油汽車時(shí)的表現(xiàn)相同，這兩種信號(hào)聲音均屬于低聲壓級(jí)。本次實(shí)驗(yàn)顯示有可能設(shè)計(jì)合成音響，不提高或僅稍微提高未裝備附加聲音警示裝置的電動(dòng)汽車的總體聲級(jí)，而保持低于柴油汽車的聲級(jí)；經(jīng)優(yōu)化調(diào)整，反應(yīng)時(shí)間可能縮短大約2秒或50%以上。進(jìn)而可以開發(fā)一個(gè)加裝在電動(dòng)汽車上能有效發(fā)出聲音警示信號(hào)又低噪的裝置，以提高電動(dòng)汽車行駛的安全性。

[1] 郭偉東.淺析電動(dòng)汽車動(dòng)力性能的設(shè)計(jì)和仿真[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016(22).

[2] 朱久兵.殘疾人無障礙設(shè)施建設(shè)的法律思考[J].法制與社會(huì),2009 (11).

[3] 郭威,楊桂萍.建設(shè)無障礙設(shè)施的思考[J].中國科技信息,2009(4).

[4] 高岳.安靜行駛車輛低速提示音標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)國際狀況及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(19).