振動(dòng)和噪聲的主觀(guān)評價(jià)分析

　　在振動(dòng)和噪聲測量中，對于人體接觸的振動(dòng)和人耳聽(tīng)到的聲音，常常需要通過(guò)考慮人體對振動(dòng)和噪聲的主觀(guān)感受，來(lái)評價(jià)振動(dòng)和噪聲的大小。

　　一般情況下，對于相同幅值但是不同頻率的振動(dòng)或噪聲，人體感覺(jué)的強度是不同的。例如，人體各部位對振動(dòng)的敏感頻率包括：身體水平1~2Hz，身體垂直4~8Hz，手腕6~8Hz，眼球60~90Hz，頭骨100~200Hz，胸腹系統3~6Hz，頭胸肩系統20~30Hz。而對于聲音則在2000~4000Hz的范圍較為敏感。

　　在振動(dòng)評價(jià)中，主要包括人體的計權分析以及手臂系統的計權分析。在應用這些計權時(shí)，由于使用的國際或國內標準不同，常常會(huì )導致分析結果的差異，本文將做簡(jiǎn)單的比較和討論。

　　在噪聲評價(jià)中，傳統使用的計權聲壓級主要考慮人耳對聲音的生理感受程度，而近些年逐漸興起的聲品質(zhì)分析評價(jià)中，不僅更準確地反映生理感受，還更多考慮了人的心理感受。

人體振動(dòng)計權

　　1. 身體計權

　　振動(dòng)測量中對人體的計權主要為了研究、評價(jià)和比較振動(dòng)環(huán)境對人體的影響。人體振動(dòng)坐標系以心臟為直角坐標原點(diǎn)，以背-胸軸為X軸，左側-右側軸為Y軸，腳-頭軸為Z軸。

　　根據ISO2361:1997標準，對人體在X、Y和Z方向的頻率計權可適合人體的坐、立和臥三種體位，共有7種計權方式，其中同時(shí)適合三種體位的人體水平(包括X和Y方向)和垂直(即Z方向)計權最為常用，這兩種計權曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 人體振動(dòng)計權系數

　　在對人體振動(dòng)進(jìn)行計權分析時(shí)，常常使用1/3倍頻程譜的形式。其頻率軸按1/3倍頻程進(jìn)行劃分，幅值以振動(dòng)加速度有效值的量級(簡(jiǎn)稱(chēng)振級)表示，如下式所示。

　　式中，a0 為參考加速度，等于10-6 m/s²。

　　研究人體振動(dòng)計權的頻率范圍一般在0.25~160Hz。從計權曲線(xiàn)上可以看出人體在X和Y方向的敏感頻率為1~2Hz，在Z方向的敏感頻率為4~8Hz。

　　2. 手傳計權

　　在評價(jià)通過(guò)手或手指傳遞到手臂系統的機械振動(dòng)時(shí)，手傳計權可反映人體手臂系統對不同頻率振動(dòng)的感覺(jué)度，適合人手緊握或伸掌按壓處于振動(dòng)狀態(tài)的機械結構。ISO5349-1:2001中對此有詳細描述和定義，手傳計權曲線(xiàn)如圖1所示。

　　對手傳振動(dòng)的計權分析也常常使用1/3倍頻程譜的形式，幅值以加速度有效值的振級表示，同上式。研究手傳振動(dòng)的頻率范圍一般在4~2000Hz，從計權曲線(xiàn)上可見(jiàn)手臂系統的敏感頻率大約為8~16Hz。

　　3. 計權標準的比較

　　在實(shí)際使用中由于使用不同的標準，可能使得人體振動(dòng)計權的結果存在一定的差別。在ISO2361:1985中不僅定義了人體振動(dòng)計權特性，還給出了便于記憶的近似計權系數，GB/T13441:1992中則使用該近似計權系數。而在ISO2361:1997和ISO8041:2005中不再提供該近似系數，并且其準確系數也與以前的版本稍有不同，并且提供了含帶限濾波器的系數。因此選擇不同標準時(shí)則會(huì )得到不同的結果。對于手傳計權的系數也存在完全相同的情況。

　　表1中列出了最新ISO標準與GB標準中使用系數的不同，前者為含帶限的準確系數，后者為便于記憶的近似系數。圖2~4為不同系數的曲線(xiàn)比較。

　　從中可以看出在某些頻帶中的計權系數可能會(huì )相差3dB以上。此外在手傳計權系數中，最新的ISO標準中考慮帶限濾波器，因而在6.3Hz以下的頻帶是衰減的，這點(diǎn)與以前的標準有較大區別。

表1 振動(dòng)計權系數的比較 (5~50Hz)

圖2 身體X/Y振動(dòng)計權系數的比較

圖3 身體Z振動(dòng)計權系數的比較

圖4 手傳振動(dòng)計權系數的比較

　　4. 振動(dòng)暴露評價(jià)

　　振動(dòng)暴露主要用于評價(jià)人體長(cháng)時(shí)間持續暴露于一定的振動(dòng)環(huán)境，尤其是振動(dòng)環(huán)境處于變化狀態(tài)。通?？墒褂玫刃нB續均方根值Aeq 和等效連續振級Leq 來(lái)表示。

　　式中，ae(t) 為某時(shí)間t的加速度均方根值，m/s²。

聲音計權分析

　　由于人耳的生理構造等特點(diǎn)，人對聲音的主觀(guān)感覺(jué)與客觀(guān)測量的聲壓之間有非常復雜的關(guān)系?？墒褂庙懚戎笜藖?lái)描述人對聲音強弱的主觀(guān)感受，而等響度曲線(xiàn)如圖5所示，可見(jiàn)響度不僅與頻率有關(guān)，而且與聲壓大小有關(guān)。實(shí)際應用中常常使用簡(jiǎn)化的計權聲壓級，僅僅對頻率進(jìn)行計權計算，來(lái)近似人耳的真實(shí)感受。

　　1. 計權聲壓級

　　目前成為國際標準的計權網(wǎng)絡(luò )有A、B、C、D幾種。其中A、B和C計權曲線(xiàn)分別為40phon、70phon和100phon三條等響曲線(xiàn)的反曲線(xiàn)，符合這三種響度下聲音的主觀(guān)感受。實(shí)際使用中A計權最為常用，幾乎成為一切測量的基礎，而B(niǎo)和C計權則不太符合普通聲學(xué)環(huán)境下的人體感受而較少使用。

　　噪度和感覺(jué)噪聲級是專(zhuān)門(mén)用于評價(jià)飛機的主觀(guān)量，反映噪聲引起的干擾程度。D計權為40noy等噪線(xiàn)的反曲線(xiàn)，是符合IEC537的用于飛機噪聲測量的計權方式。

　　此外還有SI計權(語(yǔ)言干擾級，Speech Interference Level)表示噪聲對語(yǔ)言通訊的干擾程度，使用500到4000Hz的倍頻程聲壓級平均值來(lái)計算，語(yǔ)言干擾級可用來(lái)反映滿(mǎn)意可懂度(可懂度不低于95%)的正常交談的最大距離。

圖5 純音等響曲線(xiàn)

　　2. 聲暴露評價(jià)

　　聲暴露主要用于評價(jià)人體長(cháng)時(shí)間持續暴露于變化的噪聲環(huán)境。當噪聲為非穩態(tài)噪聲時(shí)，某個(gè)瞬時(shí)測得的聲級難以代表整個(gè)觀(guān)測期間的聲級，這時(shí)可用等效連續A聲級LAeq 來(lái)表示，相當于將一定期間內起伏不定的噪聲等效成能量相等的一個(gè)連續穩定噪聲。

　　式中，p0 為基準聲壓，等于20uPa。

　　而A計權聲暴露級LEA 則將時(shí)間間隔T 內的總聲能量表示為1s的等效量，如下式，可以用來(lái)比較不同噪聲事件。

　　式中，T0 為基準持續時(shí)間，等于1s。

　　此外，對于環(huán)境噪聲的評價(jià)還常常包括累計百分聲級LN、交通噪聲指數TN1和噪聲污染級Lnp 等，均可以反映一段較長(cháng)時(shí)間內的總體噪聲水平。

　　其中，累計百分聲級LN 是指在規定觀(guān)測時(shí)間T 內，有N%的時(shí)間的聲級超過(guò)某一LA 值，這個(gè)LA 值就是累計百分聲級LN，單位分貝。評價(jià)城市區域環(huán)境噪聲常用L10、L50和L90，有些國家也使用L5 和L95。

　　交通噪聲指數TN1定義如下，其中L10 和L90 是在24小時(shí)戶(hù)外測得的A聲級的基礎上統計得到的。

　　噪聲污染級LNP 定義如下，其中σ 為觀(guān)測時(shí)間內測量值的標準偏差。

　　圖6為一段時(shí)間內測量某高噪聲廠(chǎng)房環(huán)境中的噪聲變化曲線(xiàn)，以及上述各種參量指標。

圖6 某高噪聲廠(chǎng)房?jì)鹊沫h(huán)境噪聲評價(jià)

聲品質(zhì)分析

　　計權聲壓級僅僅在一定強度的噪聲水平上可以反映人的感受，對于其他大小的聲音則具有較大的誤差。因此現代產(chǎn)品設計中，越來(lái)越多地使用聲品質(zhì)指標進(jìn)行噪聲評價(jià)和改進(jìn)。

　　由于人耳對聲音頻率具有掩蔽效應，某純音頻率附近的某個(gè)頻帶范圍內的聲音會(huì )對該純音產(chǎn)生掩蔽效應，即該純音被其他聲音所淹沒(méi)。根據此特點(diǎn)，在聲品質(zhì)分析中則將人耳聽(tīng)覺(jué)范圍劃分為24個(gè)臨界頻帶 (Critical Band)，符號為z，單位為Bark。

　　而在聲級分析中，常常將人耳聽(tīng)覺(jué)頻率范圍按1/3倍頻程方式進(jìn)行劃分，在280Hz以上兩者對于頻帶的劃分比較接近，而低于280Hz的頻率范圍，每個(gè)臨界頻帶相當于若干個(gè)1/3倍頻程頻帶的組合?？梢?jiàn)，在較高頻率范圍內，1/3倍頻程頻帶較為接近于人耳的掩蔽效應，而低頻范圍內則劃分過(guò)細，超出了實(shí)際人耳對頻率的敏感能力。

　　響度是最基本的聲品質(zhì)參數，是聽(tīng)覺(jué)判斷聲音強弱的屬性，根據它可以把聲音排成由輕到響的次序，它主要依賴(lài)于引起聽(tīng)覺(jué)的聲壓，同時(shí)也與聲音的頻率和波形有關(guān)，響度的符號為N，單位為宋 (sone)。響度級定義為，根據聽(tīng)力正常者判斷為等響的1000Hz純音的聲壓級，符號為L(cháng)n，單位為方 (phon)，響度級與響度之間可以直接換算。由Stevens和Zwicker提出的響度計算模型已經(jīng)成為ISO532國際標準，但是目前其他的聲品質(zhì)參數尚未被標準化。圖7為水壺燒開(kāi)水全過(guò)程的聲音響度譜陣分析。

圖7 水壺燒開(kāi)水全過(guò)程的響度譜陣

　　當聲音的響度不大時(shí)，人的主觀(guān)感受更加傾向于心理感覺(jué)。因此對于產(chǎn)品的聲品質(zhì)評價(jià)還包括尖銳度、波動(dòng)度、粗糙度等指標。

　　尖銳度 (Sharpness) 指標，描述了聲音品質(zhì)評價(jià)中的音色特征，符號為S，單位為acum。對于頻率較高的聲音，感受到的尖銳度較大。因此，實(shí)際聲音品質(zhì)設計中有時(shí)會(huì )增加低頻噪聲以降低尖銳度，但響度會(huì )有所增加。

　　波動(dòng)度 (Fluctuation Strength，又稱(chēng)抖動(dòng)強度) 和粗糙度 (Roughness)，主要反映聲音的幅值調制特性，一般當調制頻率低于20Hz時(shí)(參考頻率為4Hz)為波動(dòng)度特性，高于20Hz時(shí)(參考頻率為70Hz)表現為粗糙度特性。

　　綜合多種參量反映人對噪聲的主觀(guān)感受是聲品質(zhì)分析的重要目標，主要使用煩惱度(PA、Psychoacoustic Annoyane，又稱(chēng)厭煩度、騷擾度等)指標，此外還有愉悅度等。這類(lèi)綜合參量難以建立準確統一的模型，目前國內外的大批學(xué)者針對煩惱度進(jìn)行了大量的實(shí)驗統計和建模研究，并且多集中在針對某一特定噪聲環(huán)境下的煩惱度建模。

　　在DASP軟件中，目前關(guān)于煩惱度的分析使用如下公式。

　　其中，N5 為以sone為單位的累積百分比響度，wS 為反映尖銳度的系數，wFR 為反映波動(dòng)度和粗糙度的系數。

結束語(yǔ)

　　與人直接接觸的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，常常需要對人的主觀(guān)評價(jià)參數進(jìn)行計算。人體振動(dòng)問(wèn)題相對簡(jiǎn)單，主要反映生理感受，并且有相關(guān)的標準規定，只不過(guò)在計算時(shí)需要注意使用不同標準可能導致結果有一定偏差。而聲音問(wèn)題則復雜得多，不僅與生理感覺(jué)有關(guān)，還需要考慮心理感受，而聲景觀(guān)的概念更是關(guān)注聲音事件的社會(huì )性和人文性。目前像計權聲壓級、響度等計算模型已經(jīng)被標準化，但是能反映多種感受的綜合參量還需要進(jìn)一步的研究和深化，目前距離實(shí)際應用還需要大量的工作。