在振動和噪聲測量中，對于人體接觸的振動和人耳聽到的聲音，常常需要通過考慮人體對振動和噪聲的主觀感受，來評價振動和噪聲的大小。

　　一般情況下，對于相同幅值但是不同頻率的振動或噪聲，人體感覺的強(qiáng)度是不同的。例如，人體各部位對振動的敏感頻率包括：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(tǒng)3~6Hz，頭胸肩系統(tǒng)20~30Hz。而對于聲音則在2000~4000Hz的范圍較為敏感。

　　在振動評價中，主要包括人體的計權(quán)分析以及手臂系統(tǒng)的計權(quán)分析。在應(yīng)用這些計權(quán)時，由于使用的國際或國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不同，常常會導(dǎo)致分析結(jié)果的差異，本文將做簡單的比較和討論。

　　在噪聲評價中，傳統(tǒng)使用的計權(quán)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)分析評價中，不僅更準(zhǔn)確地反映生理感受，還更多考慮了人的心理感受。

人體振動計權(quán)

　　1. 身體計權(quán)

　　振動測量中對人體的計權(quán)主要為了研究、評價和比較振動環(huán)境對人體的影響。人體振動坐標(biāo)系以心臟為直角坐標(biāo)原點(diǎn)，以背-胸軸為X軸，左側(cè)-右側(cè)軸為Y軸，腳-頭軸為Z軸。

　　根據(jù)ISO2361:1997標(biāo)準(zhǔn)，對人體在X、Y和Z方向的頻率計權(quán)可適合人體的坐、立和臥三種體位，共有7種計權(quán)方式，其中同時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(quán)最為常用，這兩種計權(quán)曲線如圖1所示。

圖1 人體振動計權(quán)系數(shù)

　　在對人體振動進(jìn)行計權(quán)分析時，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，幅值以振動加速度有效值的量級(簡稱振級)表示，如下式所示。

　　式中，a0 為參考加速度，等于10-6 m/s²。

　　研究人體振動計權(quán)的頻率范圍一般在0.25~160Hz。從計權(quán)曲線上可以看出人體在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(quán)

　　在評價通過手或手指傳遞到手臂系統(tǒng)的機(jī)械振動時，手傳計權(quán)可反映人體手臂系統(tǒng)對不同頻率振動的感覺度，適合人手緊握或伸掌按壓處于振動狀態(tài)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。ISO5349-1:2001中對此有詳細(xì)描述和定義，手傳計權(quán)曲線如圖1所示。

　　對手傳振動的計權(quán)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。研究手傳振動的頻率范圍一般在4~2000Hz，從計權(quán)曲線上可見手臂系統(tǒng)的敏感頻率大約為8~16Hz。

　　3. 計權(quán)標(biāo)準(zhǔn)的比較

　　在實際使用中由于使用不同的標(biāo)準(zhǔn)，可能使得人體振動計權(quán)的結(jié)果存在一定的差別。在ISO2361:1985中不僅定義了人體振動計權(quán)特性，還給出了便于記憶的近似計權(quán)系數(shù)，GB/T13441:1992中則使用該近似計權(quán)系數(shù)。而在ISO2361:1997和ISO8041:2005中不再提供該近似系數(shù)，并且其準(zhǔn)確系數(shù)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(shù)。因此選擇不同標(biāo)準(zhǔn)時則會得到不同的結(jié)果。對于手傳計權(quán)的系數(shù)也存在完全相同的情況。

　　表1中列出了最新ISO標(biāo)準(zhǔn)與GB標(biāo)準(zhǔn)中使用系數(shù)的不同，前者為含帶限的準(zhǔn)確系數(shù)，后者為便于記憶的近似系數(shù)。圖2~4為不同系數(shù)的曲線比較。

　　從中可以看出在某些頻帶中的計權(quán)系數(shù)可能會相差3dB以上。此外在手傳計權(quán)系數(shù)中，最新的ISO標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)有較大區(qū)別。

表1 振動計權(quán)系數(shù)的比較 (5~50Hz)

圖2 身體X/Y振動計權(quán)系數(shù)的比較

圖3 身體Z振動計權(quán)系數(shù)的比較

圖4 手傳振動計權(quán)系數(shù)的比較

　　4. 振動暴露評價

　　振動暴露主要用于評價人體長時間持續(xù)暴露于一定的振動環(huán)境，尤其是振動環(huán)境處于變化狀態(tài)。通常可使用等效連續(xù)均方根值A(chǔ)eq 和等效連續(xù)振級Leq 來表示。

　　式中，ae(t) 為某時間t的加速度均方根值，m/s²。

聲音計權(quán)分析

　　由于人耳的生理構(gòu)造等特點(diǎn)，人對聲音的主觀感覺與客觀測量的聲壓之間有非常復(fù)雜的關(guān)系?？墒褂庙懚戎笜?biāo)來描述人對聲音強(qiáng)弱的主觀感受，而等響度曲線如圖5所示，可見響度不僅與頻率有關(guān)，而且與聲壓大小有關(guān)。實際應(yīng)用中常常使用簡化的計權(quán)聲壓級，僅僅對頻率進(jìn)行計權(quán)計算，來近似人耳的真實感受。

　　1. 計權(quán)聲壓級

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

　　噪度和感覺噪聲級是專門用于評價飛機(jī)的主觀量，反映噪聲引起的干擾程度。D計權(quán)為40noy等噪線的反曲線，是符合IEC537的用于飛機(jī)噪聲測量的計權(quán)方式。

　　此外還有SI計權(quán)(語言干擾級，Speech Interference Level)表示噪聲對語言通訊的干擾程度，使用500到4000Hz的倍頻程聲壓級平均值來計算，語言干擾級可用來反映滿意可懂度(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

　　2. 聲暴露評價

　　聲暴露主要用于評價人體長時間持續(xù)暴露于變化的噪聲環(huán)境。當(dāng)噪聲為非穩(wěn)態(tài)噪聲時，某個瞬時測得的聲級難以代表整個觀測期間的聲級，這時可用等效連續(xù)A聲級LAeq 來表示，相當(dāng)于將一定期間內(nèi)起伏不定的噪聲等效成能量相等的一個連續(xù)穩(wěn)定噪聲。

　　式中，p0 為基準(zhǔn)聲壓，等于20uPa。

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

　　式中，T0 為基準(zhǔn)持續(xù)時間，等于1s。

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

　　其中，累計百分聲級LN 是指在規(guī)定觀測時間T 內(nèi)，有N%的時間的聲級超過某一LA 值，這個LA 值就是累計百分聲級LN，單位分貝。評價城市區(qū)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(shù)TN1定義如下，其中L10 和L90 是在24小時戶外測得的A聲級的基礎(chǔ)上統(tǒng)計得到的。

　　噪聲污染級LNP 定義如下，其中σ 為觀測時間內(nèi)測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

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

圖6 某高噪聲廠房內(nèi)的環(huán)境噪聲評價

聲品質(zhì)分析

　　計權(quán)聲壓級僅僅在一定強(qiáng)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(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中，越來越多地使用聲品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行噪聲評價和改進(jìn)。

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

　　而在聲級分析中，常常將人耳聽覺頻率范圍按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，每個臨界頻帶相當(dāng)于若干個1/3倍頻程頻帶的組合?？梢姡谳^高頻率范圍內(nèi)，1/3倍頻程頻帶較為接近于人耳的掩蔽效應(yīng)，而低頻范圍內(nèi)則劃分過細(xì)，超出了實際人耳對頻率的敏感能力。

　　響度是最基本的聲品質(zhì)參數(shù)，是聽覺判斷聲音強(qiáng)弱的屬性，根據(jù)它可以把聲音排成由輕到響的次序，它主要依賴于引起聽覺的聲壓，同時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(jù)聽力正常者判斷為等響的1000Hz純音的聲壓級，符號為Ln，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(biāo)準(zhǔn)，但是目前其他的聲品質(zhì)參數(shù)尚未被標(biāo)準(zhǔn)化。圖7為水壺?zé)_水全過程的聲音響度譜陣分析。

圖7 水壺?zé)_水全過程的響度譜陣

　　當(dāng)聲音的響度不大時，人的主觀感受更加傾向于心理感覺。因此對于產(chǎn)品的聲品質(zhì)評價還包括尖銳度、波動度、粗糙度等指標(biāo)。

　　尖銳度 (Sharpness) 指標(biāo)，描述了聲音品質(zhì)評價中的音色特征，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，實際聲音品質(zhì)設(shè)計中有時會增加低頻噪聲以降低尖銳度，但響度會有所增加。

　　波動度 (Fluctuation Strength，又稱抖動強(qiáng)度) 和粗糙度 (Roughness)，主要反映聲音的幅值調(diào)制特性，一般當(dāng)調(diào)制頻率低于20Hz時(參考頻率為4Hz)為波動度特性，高于20Hz時(參考頻率為70Hz)表現(xiàn)為粗糙度特性。

　　綜合多種參量反映人對噪聲的主觀感受是聲品質(zhì)分析的重要目標(biāo)，主要使用煩惱度(PA、Psychoacoustic Annoyane，又稱厭煩度、騷擾度等)指標(biāo)，此外還有愉悅度等。這類綜合參量難以建立準(zhǔn)確統(tǒng)一的模型，目前國內(nèi)外的大批學(xué)者針對煩惱度進(jìn)行了大量的實驗統(tǒng)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(shù)，wFR 為反映波動度和粗糙度的系數(shù)。

結(jié)束語

　　與人直接接觸的振動噪聲問題，常常需要對人的主觀評價參數(shù)進(jìn)行計算。人體振動問題相對簡單，主要反映生理感受，并且有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，只不過在計算時需要注意使用不同標(biāo)準(zhǔn)可能導(dǎo)致結(jié)果有一定偏差。而聲音問題則復(fù)雜得多，不僅與生理感覺有關(guān)，還需要考慮心理感受，而聲景觀的概念更是關(guān)注聲音事件的社會性和人文性。目前像計權(quán)聲壓級、響度等計算模型已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)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，目前距離實際應(yīng)用還需要大量的工作。