振动和噪声的主观评价分析
在振动和噪声测量中，对于人体接触的振动和人耳听到的声音，常常需要通过考虑人体对振动和噪声的主观感受，来评价振动和噪声的大小。一般情况下，对于相同幅值但是不同频率的振动或噪声，人体感觉的强度是不同的。例如，人体各部位对振动的敏感频率包括：身体水平1~2Hz，身体垂直4~8Hz， 手腕6~8Hz，眼球60~90Hz，头骨100~200Hz，胸腹系统3~6Hz，头胸肩系统20~30Hz。而对于声音则在2000~4000Hz的范围较为敏感。
在振动评价中，主要包括人体的计权分析以及手臂系统的计权分析。在应用这些计权时，由于使用的国际或国内标准不同，常常会导致分析结果的差异，本文将做简单的比较和讨论。
在噪声评价中，传统使用的计权声压级主要考虑人耳对声音的生理感受程度，而近些年逐渐兴起的声品质分析评价中，不仅更准确地反映生理感受，还更多考虑了人的心理感受。
人体振动计权1. 身体计权
振动测量中对人体的计权主要为了研究、评价和比较振动环境对人体的影响。人体振动坐标系以心脏为直角坐标原点，以背-胸轴为X轴，左侧-右侧轴为Y轴，脚-头轴为Z轴。
根据ISO2361:1997标准，对人体在X、Y和Z方向的频率计权可适合人体的坐、立和卧三种体位，共有7种计权方式，其中同时适合三种体位的人体水平（包括X和Y方向）和垂直（即Z方向）计权最为常用，这两种计权曲线如图1所示。
图1 人体振动计权系数
在对人体振动进行计权分析时，常常使用1/3倍频程谱的形式。其频率轴按1/3倍频程进行划分，幅值以振动加速度有效值的量级（简称振级）表示，如下式所示。
式中，a0 为参考加速度，等于10-6m/s2。
研究人体振动计权的频率范围一般在0.25~160Hz。从计权曲线上可以看出人体在X和Y方向的敏感频率为1~2Hz，在Z方向的敏感频率为4~8Hz。
2. 手传计权
在评价通过手或手指传递到手臂系统的机械振动时，手传计权可反映人体手臂系统对不同频率振动的感觉度，适合人手紧握或伸掌按压处于振动状态的机械结构。ISO5349-1:2001中对此有详细描述和定义，手传计权曲线如图1所示。
对手传振动的计权分析也常常使用1/3倍频程谱的形式，幅值以加速度有效值的振级表示，同上式。研究手传振动的频率范围一般在4~2000Hz，从计权曲线上可见手臂系统的敏感频率大约为8~16Hz。
3. 计权标准的比较
在实际使用中由于使用不同的标准，可能使得人体振动计权的结果存在一定的差别。在ISO2361:1985中不仅定义了人体振动计权特性，还给出了便于记忆的近似计权系数，GB/T13441:1992中则使用该近似计权系数。而在ISO2361:1997和ISO8041:2005中不再提供该近似系数，并且其准确系数也与以前的版本稍有不同，并且提供了含带限滤波器的系数。因此选择不同标准时则会得到不同的结果。对于手传计权的系数也存在完全相同的情况。
表1中列出了最新ISO标准与GB标准中使用系数的不同，前者为含带限的准确系数，后者为便于记忆的近似系数。图2~4为不同系数的曲线比较。
从中可以看出在某些频带中的计权系数可能会相差3dB以上。此外在手传计权系数中，最新的ISO标准中考虑带限滤波器，因而在6.3Hz以下的频带是衰减的，这点与以前的标准有较大区别。
表1 振动计权系数的比较 (5~50Hz)
图2 身体X/Y振动计权系数的比较
图3 身体Z振动计权系数的比较
图4 手传振动计权系数的比较
4. 振动暴露评价
振动暴露主要用于评价人体长时间持续暴露于一定的振动环境，尤其是振动环境处于变化状态。通常可使用等效连续均方根值Aeq 和等效连续振级Leq来表示。
式中，ae(t ) 为某时间t 的加速度均方根值，m/s2。
声音计权分析
由于人耳的生理构造等特点，人对声音的主观感觉与客观测量的声压之间有非常复杂的关系。可使用响度指标来描述人对声音强弱的主观感受，而等响度曲线如图5所示，可见响度不仅与频率有关，而且与声压大小有关。实际应用中常常使用简化的计权声压级，仅仅对频率进行计权计算，来近似人耳的真实感受。
1. 计权声压级
目前成为国际标准的计权网络有A、B、C、D几种。其中A、B和C计权曲线分别为40phon、70phon和100phon三条等响曲线的反曲线，符合这三种响度下声音的主观感受。实际使用中A计权最为常用，几乎成为一切测量的基础，而B和C计权则不太符合普通声学环境下的人体感受而较少使用。
噪度和感觉噪声级是专门用于评价飞机的主观量，反映噪声引起的干扰程度。D计权为40noy等噪线的反曲线，是符合IEC537的用于飞机噪声测量的计权方式。
此外还有SI计权（语言干扰级，Speech Interference Level）表示噪声对语言通讯的干扰程度，使用500到4000Hz的倍频程声压级平均值来计算，语言干扰级可用来反映满意可懂度（可懂度不低于95%）的正常交谈的最大距离。
图5 纯音等响曲线
2. 声暴露评价
声暴露主要用于评价人体长时间持续暴露于变化的噪声环境。当噪声为非稳态噪声时，某个瞬时测得的声级难以代表整个观测期间的声级，这时可用等效连续A声级LAeq 来表示，相当于将一定期间内起伏不定的噪声等效成能量相等的一个连续稳定噪声。
式中，p0 为基准声压，等于20uPa。
而A计权声暴露级LEA 则将时间间隔T 内的总声能量表示为1s的等效量，如下式，可以用来比较不同噪声事件。
式中，T0 为基准持续时间，等于1s。
此外，对于环境噪声的评价还常常包括累计百分声级LN、交通噪声指数TN1和噪声污染级Lnp 等，均可以反映一段较长时间内的总体噪声水平。
其中，累计百分声级LN 是指在规定观测时间T 内，有N%的时间的声级超过某一LA值，这个LA 值就是累计百分声级LN，单位分贝。评价城市区域环境噪声常用L10、L50和L90，有些国家也使用L5 和L95。
交通噪声指数TN1定义如下，其中L10 和L90 是在24小时户外测得的A声级的基础上统计得到的。
噪声污染级LNP 定义如下，其中σ 为观测时间内测量值的标准偏差。
图6为一段时间内测量某高噪声厂房环境中的噪声变化曲线，以及上述各种参量指标。
图6 某高噪声厂房内的环境噪声评价
声品质分析
计权声压级仅仅在一定强度的噪声水平上可以反映人的感受，对于其他大小的声音则具有较大的误差。因此现代产品设计中，越来越多地使用声品质指标进行噪声评价和改进。
由于人耳对声音频率具有掩蔽效应，某纯音频率附近的某个频带范围内的声音会对该纯音产生掩蔽效应，即该纯音被其他声音所淹没。根据此特点，在声品质分析中则将人耳听觉范围划分为24个临界频带 (Critical Band)，符号为z，单位为Bark。
而在声级分析中，常常将人耳听觉频率范围按1/3倍频程方式进行划分，在280Hz以上两者对于频带的划分比较接近，而低于280Hz的频率范围，每个临界频带相当于若干个1/3倍频程频带的组合。可见，在较高频率范围内，1/3倍频程频带较为接近于人耳的掩蔽效应，而低频范围内则划分过细，超出了实际人耳对频率的敏感能力。
响度是最基本的声品质参数，是听觉判断声音强弱的属性，根据它可以把声音排成由轻到响的次序，它主要依赖于引起听觉的声压，同时也与声音的频率和波形有关，响度的符号为N，单位为宋 (sone)。响度级定义为，根据听力正常者判断为等响的1000Hz纯音的声压级，符号为Ln，单位为方 (phon)，响度级与响度之间可以直接换算。由Stevens和Zwicker提出的响度计算模型已经成为ISO532国际标准，但是目前其他的声品质参数尚未被标准化。图7为水壶烧开水全过程的声音响度谱阵分析。
图7 水壶烧开水全过程的响度谱阵
当声音的响度不大时，人的主观感受更加倾向于心理感觉。因此对于产品的声品质评价还包括尖锐度、波动度、粗糙度等指标。
· 尖锐度 (Sharpness) 指标，描述了声音品质评价中的音色特征，符号为S，单位为acum。对于频率较高的声音，感受到的尖锐度较大。因此，实际声音品质设计中有时会增加低频噪声以降低尖锐度，但响度会有所增加。
· 波动度 (Fluctuation Strength，又称抖动强度) 和粗糙度 (Roughness)，主要反映声音的幅值调制特性，一般当调制频率低于20Hz时（参考频率为4Hz）为波动度特性，高于20Hz时（参考频率为70Hz）表现为粗糙度特性。
综合多种参量反映人对噪声的主观感受是声品质分析的重要目标，主要使用烦恼度（PA、Psychoacoustic Annoyane，又称厌烦度、骚扰度等）指标，此外还有愉悦度等。这类综合参量难以建立准确统一的模型，目前国内外的大批学者针对烦恼度进行了大量的实验统计和建模研究，并且多集中在针对某一特定噪声环境下的烦恼度建模。
在DASP软件中，目前关于烦恼度的分析使用如下公式。
其中，N5为以sone为单位的累积百分比响度，wS 为反映尖锐度的系数，wFR为反映波动度和粗糙度的系数。
结束语
与人直接接触的振动噪声问题，常常需要对人的主观评价参数进行计算。人体振动问题相对简单，主要反映生理感受，并且有相关的标准规定，只不过在计算时需要注意使用不同标准可能导致结果有一定偏差。而声音问题则复杂得多，不仅与生理感觉有关，还需要考虑心理感受，而声景观的概念更是关注声音事件的社会性和人文性。目前像计权声压级、响度等计算模型已经被标准化，但是能反映多种感受的综合参量还需要进一步的研究和深化，目前距离实际应用还需要大量的工作。
来源：东方所官网，作者：沈松 应怀樵 刘进明。
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