劉李娜，黃 煜，龔楚楚，李 喆，何 穎

（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(jī)械與動力工程學(xué)院 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

噪聲和振動是車輛、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量和主觀評價，通過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)境中噪聲或振動的不舒適度（煩惱度）預(yù)測模型[1-10]。由于在艙室內(nèi)部環(huán)境中，人們往往同時暴露于噪聲和振動中，因此可以用同一指標(biāo)（如不舒適度）來統(tǒng)一量化噪聲和振動對人體舒適性的影響。

根據(jù)Stevens’power law，噪聲和振動的不舒適度主觀幅值ψs和ψv可以通過冪函數(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不舒適度隨客觀幅值的增長率[11]。令ψs=ψv，即可得到噪聲和振動的等舒適度曲線。該曲線描述了噪聲和振動各自對人體舒適性影響的相對重要性，對噪聲振動控制中減振或降噪的優(yōu)先級起指導(dǎo)作用。

要確定噪聲和振動的等舒適度曲線，通常需要進(jìn)行完整的交叉感覺主觀評價實驗，獲取所有幅值噪聲激勵相對于所有幅值振動激勵的不舒適度，以及所有幅值振動激勵相對于所有幅值噪聲激勵的不舒適度，再將它們表示在橫、縱坐標(biāo)分別為噪聲和振動客觀幅值的坐標(biāo)系中。以聲暴露級（SEL）和振動劑量值（VDV）為例，當(dāng)φs=LAE，φv=aVDV，令ψs=ψv，則得：

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

完整的交叉感覺實驗往往需要較長的時間和工作量。根據(jù)式（3），噪聲和振動的等舒適度曲線的斜率可以由nv和ns的比值得到，而增長率ns和nv可以通過噪聲或振動的主觀評價實驗獲得。那么，是否可以不進(jìn)行完整的交叉感覺實驗，僅通過一組噪聲和振動的主觀評價分別獲得ns和nv，再通過式（3）確定二者的等舒適度曲線？目前為止，鮮有文獻(xiàn)對此給出明確回答。

本文擬在之前工作的基礎(chǔ)上[13]，通過主觀評價實驗，進(jìn)一步研究噪聲和振動等舒適度曲線的快速確定方法：即在相同的實驗條件下，直接通過計算ns（即噪聲不舒適度隨SEL的增長率）和nv（即振動不舒適度隨加速度的增長率）的比值，確定噪聲和振動等舒適度曲線的斜率，最終確定噪聲和振動的等舒適度曲線。

圖1 噪聲（A計權(quán)）和振動激勵樣本（Wk計權(quán)）時域和頻域圖

1 方法

1.1 激勵

同步測量和記錄汽車內(nèi)部的噪聲和振動。前排乘客座椅表面垂向加速度通過座墊加速度傳感器（Brüel &Kj?r，丹麥，型號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人工頭（HEAD Acoustics，德國，型號HMS IV）采集。采集到的噪聲和振動信號通過Müller-BBM PAK 噪聲振動測試分析系統(tǒng)（Müller-BBM，德國，型號PAK MKII，版本V5.7）同步記錄。

選擇瀝青路上車輛以40 m/h行駛時的噪聲和振動信號作為原始激勵樣本，樣本時長為4 s。噪聲樣本的A 計權(quán)SPL是65 dB(A)[14]。振動樣本的Wk計權(quán)加速度值為0.32 m/s2[15]。在樣本的起始和結(jié)束處分別加上長度為0.2 s的余弦衰減包絡(luò)后，其時域和頻譜如圖1所示。基于激勵樣本的頻譜調(diào)整幅值，生成10個SEL 幅值范圍從64 dB(A)到91 dB(A)、間隔為3 dB的噪聲激勵；生成10個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的振動激勵。

1.2 受測者信息

選取12個上海交通大學(xué)的男學(xué)生作為實驗的志愿受測者，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）。所有受測者在參與實驗前都正式簽署了同意文件。

1.3 實驗裝置

實驗在電磁振動臺（LDS，英國，型號V8-640T LPT1220/SPA56K）的900×900 mm的垂直振動鋁合金平臺上進(jìn)行。自制鋁合金座椅通過剛性連接固定在該垂直振動臺上。受測者端坐在座椅上，背部不接觸座椅靠背，雙腳平放于振動臺上，如圖2所示。

圖2 實驗裝置圖

振動臺通過LMS SCADASIII 控制系統(tǒng)（SIEMENS，德國，型號SC310）控制。在座椅座墊下方放置一個壓電式加速度傳感器（厚德自動化儀表，中國無錫，型號HD-YD-216）實時監(jiān)控測量垂向加速度。振動信號通過LMS Test Lab 產(chǎn)生，采樣頻率為512 Hz。

噪聲激勵通過Adobe Audition CS6（Adobe Systems，美國）產(chǎn)生和控制，經(jīng)由MAYA44 USB2.0音頻界面（ESI Audiotechnik，德國）輸出至受測者佩戴的耳塞（Etymotic er4p）。受測者同時佩戴一副隔音耳罩（3M 1425），以減小振動臺運行時背景噪聲的干擾。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。噪聲激勵通過人工頭（HEAD HMS IV，配套軟件ArtimiS SUITE）進(jìn)行校準(zhǔn)：人工頭佩戴耳塞，通過回放設(shè)備調(diào)整輸出值，使人工頭接收到的噪聲激勵的聲級等于實驗設(shè)置值，即SEL范圍為64 dB(A)到91 dB(A)，間隔3 dB。通過聲級計（Brüel&Kj?r Type 2250）現(xiàn)場測量得到，振動臺運行時的背景噪聲SPL約為75 dB(A)。

表1 受測者群體的噪聲不舒適度評價中值

1.4 實驗步驟

受測者運用相對幅值評價法[12]對噪聲或振動產(chǎn)生的不舒適度進(jìn)行評價。實驗分成A和B兩部分進(jìn)行。A部分實驗，每個受測者隨機(jī)經(jīng)歷10個噪聲激勵跟10個不同幅度振動激勵的組合，共計100 對。要求受測者在經(jīng)歷每一對噪聲和振動的組合之后，以振動為參考激勵，假設(shè)其不舒適度為100，給出噪聲產(chǎn)生的不舒適度值。B部分實驗，每個受測者隨機(jī)經(jīng)歷10個振動激勵和76 dB(A)的噪聲激勵的組合。要求受測者在經(jīng)歷每一對噪聲和振動的組合之后，以76 dB(A)的噪聲激勵為參考，假設(shè)噪聲產(chǎn)生的不舒適度值是100，給出振動產(chǎn)生的不舒適度值。一半受測者先參加A部分，再參加B部分；另一半則反之。

受測者在正式開始實驗之前，首先閱讀實驗說明，大致了解自己需要完成的任務(wù)；然后通過判斷線條長度進(jìn)行幅值評價法的練習(xí)，再在振動臺上隨機(jī)嘗試判斷較小、中等或較大幅值激勵的不舒適度。當(dāng)受測者熟悉實驗流程之后，實驗正式開始。

2 結(jié)果

2.1 噪聲相對于參考振動的不舒適度

受測者群體的噪聲不舒適度主觀評價值中值如表1所示。表中每一個參考振動激勵的不舒適度值均為100。

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

其中：LAEμ20 log(φs)是A計權(quán)的等效連續(xù)SEL值，假設(shè)φs為聲壓[12,14]。對表1中每個參考振動激勵下的因變量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。同時將ψs=100代入線性回歸曲線，算出同參考振動激勵具有相同的不舒適度值的SEL，見表2的LAE列。

表2 不舒適度值log10(ψs)相對于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 振動相對于參考噪聲的不舒適度

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

式中：φs即VDV值。

受測者群體的振動不舒適度主觀評價值中值如表3所示。此時不舒適度100的參考噪聲的SEL為76 dB(A)。對因變量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 受測者群體的振動不舒適度評價中值和線性回歸參數(shù)

2.3 基于不完整交叉評價的等舒適度曲線

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，結(jié)合表3中的76 dB(A)的噪聲和0.58 m/s1.75的振動，即可通過線性方程計算獲得噪聲和振動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)計算得到。

表4 噪聲和振動的等舒適度曲線

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比

Huang和Griffin比較了前人研究中不同的噪聲和振動的等舒適度曲線，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]得到的噪聲和振動等舒適度曲線，包括本實驗A部分（噪聲相對于參考振動激勵的不舒適度）。圖3的坐標(biāo)范圍為實驗中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驗中受測者關(guān)注噪聲或者關(guān)注振動，即實驗中是噪聲主導(dǎo)或振動主導(dǎo)[12]。在本實驗A部分、Hempstock 等的實驗[17]、Paulsen 等的實驗[20]以及Huang 和Griffin的實驗A部分[12]，噪聲是感覺主導(dǎo)量（受測者評價噪聲，參考激勵是振動），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驗中得到的截距差別較大，原因可能是Paulsen的實驗中背景噪聲和噪聲激勵的幅值低于本實驗，而振動激勵的幅值跟本實驗相近。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)測范圍下限從0.1 m/s1.75VDV拓展至0.05 m/s1.75VDV。

圖3 不同實驗中噪聲和振動的等舒適度曲線

3.2 噪聲和振動的相互影響

從表2可知，當(dāng)參考振動激勵的幅度從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。斜率值隨參考激勵增大而變大的主要原因可能是噪聲和振動相互之間的“掩蔽效應(yīng)”，較大幅值的振動掩蔽了較小幅值的噪聲產(chǎn)生的不舒適度，使得受測者對幅值較小的噪聲傾向于給出較小的不舒適度評價值；而較大幅值的噪聲受振動的影響較小。因此，同較大幅值的振動組合的噪聲不舒適度隨幅值的增長率ns大于同較小幅度的振動組合的噪聲不舒適度增長率。故在預(yù)測噪聲和振動的相對重要性時應(yīng)該將二者之間的“掩蔽效應(yīng)”考慮在內(nèi)。

本實驗的B部分（振動相對于參考噪聲的不舒適度）中，振動不舒適度隨客觀幅值的增長率nv=0.706，同Morioka 和Griffin[21]的振動不舒適度平均增長率0.71 一致。在Morioka 和Griffin的實驗里，受測者在評價2 s 振動不舒適度的過程中始終暴露在SEL為77 dB(A)的白噪聲中；而在本實驗的B部分，受測者在評價4 s振動不舒適度的過程中暴露在SEL為76 dB(A)的低頻噪聲中。在這兩個實驗中，受測者經(jīng)歷的噪聲幅度相近，對振動激勵的“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)實驗A部分（噪聲相對于參考振動的不舒適度，見表2）的LAE和aVDV值得到的等舒適度曲線斜率，同根據(jù)實驗B部分（振動相對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)了錯誤值（符號*標(biāo)注的值）。式（7）中斜率20.2是通過A部分和B部分幅度相近的噪聲和振動值（即78.6 dB(A)和0.78 m/s1.75；76 dB(A)和0.58 m/s1.75）計算得到，同Huang 和Griffin 根據(jù)完整的交叉感覺實驗提出的合理值21[12]相近。但是，不推薦使用這種方法得到斜率20(nv/ns)的值，因為僅使用兩組測量數(shù)據(jù)（即實驗A部分和B部分各一組SEL 和VDV）來進(jìn)行線性回歸可能產(chǎn)生較大誤差，同時也無法確定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計功效。

另一方面，將根據(jù)實驗B部分得到的nv的值（0.706）除以根據(jù)實驗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)實驗得到的結(jié)果一致[12]。這說明如果獲得nv和ns的實驗是在相同的條件下進(jìn)行，例如振動和噪聲激勵的特征（幅度、頻率等）相同，受測者相同等等，20(nv/ns)的值可以直接通過nv和ns的比值計算。

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

（1）選取一個幅值的振動作為參考激勵，評價不同幅值的噪聲相對于該參考的不舒適度，通過線性回歸獲得ns；

（2）選取一個幅值的噪聲作為參考激勵，評價不同幅值的振動相對于該參考的不舒適度，通過線性回歸獲得獲得nv；

（3）通過nv和ns的比值獲得主觀等效曲線斜率20(nv/ns)的值；

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

4 結(jié)語

噪聲和振動的等舒適度曲線描述了噪聲和振動的相對重要性。本文通過主觀評價實驗，提出了兩者等舒適度曲線的快速確定方法：當(dāng)實驗條件相同時，評價噪聲相對于振動產(chǎn)生的不舒適度，或評價振動相對于噪聲產(chǎn)生的不舒適度，噪聲和振動的等舒適度曲線的斜率20nv/ns可以直接通過nv和ns的比值得到，從而較為快捷簡便地得到噪聲和振動的不舒適度等效曲線。

噪聲和振動之間存在“掩蔽效應(yīng)”：當(dāng)受測者同時經(jīng)歷噪聲和振動時，較大幅值的噪聲會“掩蔽”較小幅值的振動，而較大幅值的振動會“掩蔽”較小幅值的噪聲。