時(shí)域掩蔽效應(yīng)對(duì)人體振動(dòng)舒適性影響的試驗(yàn)研究

關(guān)鍵詞：全身振動(dòng)；振動(dòng)舒適性；時(shí)域掩蔽；人體振動(dòng)響應(yīng)；主觀評(píng)價(jià) 中圖分類(lèi)號(hào)：TB535；R594.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202311060

Experimental study on temporal masking effect of human vibration comfort

GUO Zhi1，LIN Jiewei1， YANG Xiyu1，WANG Jian2，LIN Zefeng2 （1.Schoolof Mechnical Enginering，Tianjin University，Tianjin 3Oo35o，China;2.China National HeavyDuty Truck Group Co.，Ltd.，Jinan 25Oooo，China；3.CollgeofEnergyEngineeing，Zhejiang University，Hangzhou 310o58，China）

Abstract：Thehumanbody’sperceptionofonestimulusmaychangeduetotheoccurrenceofanotherstimulus，whichleads tothe posibilityofamaskingefectbetweevibrationsthatsuccessvelyactonthehumanbody.Whetherthemaskingefectissgnificant ornotiselatedtomanyfactors.Thisstudydesignedandcariedoutaseatedhumanvibrationexperimenttoexplorethempactof time-domainmaskingefectsonvibrationcomfortoftheseated human body.Designedvariablesinclude：intensityof masking sig nals（3levels），vibration interval（4levels），and maskingsequence（forwardandbackward）.Theexperimentalresultsshowthat thesefactorsdohaveanimpactontheoverallcomfortwhensubjectedtowhole-bodyvibration；comparingtheefectsofforward maskingtestsandbackwardmaskingtests，thediscomfortcausedbybackward maskingtestsisstronger;withtheincreaseofvibrationtime intervalandthedecreaseofthemaskingsignalstrength，theinfluenceofthemaskingeffectonhumanbodydiscomfort graduallyweakens.Itcanbefoundthatinaditiontofrequencydomainweighting，thetimedomaincharacteristicsofvibrationamplitudealsohaveanon-negligibleimpactontheevaluationofhumanvibrationdiscomfort.Comfortpredictionbasedonobjectivere sponses should consider the influence of more factors.

Keywords：whole-bodyvibration;vibrationcomfort;temporalmasking;human vibration response;subjective evaluation

長(zhǎng)期暴露在振動(dòng)下，人體會(huì)產(chǎn)生一定的不舒適感，振動(dòng)對(duì)工作效率和身心健康都會(huì)造成損害[1]。機(jī)械振動(dòng)對(duì)人體舒適性的影響非常復(fù)雜，常見(jiàn)的影響因素包括：頻率、強(qiáng)度、方向、人員姿態(tài)、人機(jī)界面支撐、振動(dòng)信號(hào)的特征等[2-4]。同時(shí)，振動(dòng)環(huán)境下人體的生物動(dòng)力學(xué)特性具有高度的非線性[5-6]

掩蔽效應(yīng)是人體對(duì)一種刺激的感知因另一種刺激的存在而減少的現(xiàn)象，具有復(fù)雜的心理學(xué)和生理學(xué)成因[7-8]。掩蔽效應(yīng)可以用于描述和模擬人體對(duì)不同模態(tài)的反應(yīng)，在聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等模態(tài)的感知模式中發(fā)揮重要作用[91]。掩蔽效應(yīng)的作用形式多種多樣，根據(jù)刺激是否同時(shí)作用于人體，可以分為同時(shí)掩蔽和非同時(shí)掩蔽；從信號(hào)分析域的角度則分別對(duì)應(yīng)頻域掩蔽和時(shí)域掩蔽，時(shí)域掩蔽又可以進(jìn)一步按照掩蔽信號(hào)在前還是在后分為前向掩蔽和后向掩蔽。在振動(dòng)領(lǐng)域，有關(guān)掩蔽效應(yīng)的研究一般從兩個(gè)方向開(kāi)展，一方面是針對(duì)掩蔽效應(yīng)與人體感知閾值的研究，即人體對(duì)刺激的感知量是否因?yàn)榱硪淮碳さ拇嬖诙l(fā)生偏移。GESCHEIDER等[12]研究了前向掩蔽模式下，作用于手指的掩蔽信號(hào)的刺激持續(xù)時(shí)長(zhǎng)對(duì)感知閥值的影響。在全身振動(dòng)領(lǐng)域，SCHWENDICKE等[13研究了全身振動(dòng)的時(shí)間掩蔽效應(yīng)，以及不同時(shí)間間隔和頻域條件對(duì)于掩蔽效應(yīng)強(qiáng)弱的影響。以上研究表明振動(dòng)掩蔽效應(yīng)與聲、光領(lǐng)域類(lèi)似。在證實(shí)掩蔽效應(yīng)影響人體感知的基礎(chǔ)上，另一方面的研究關(guān)注掩蔽效應(yīng)對(duì)人體諸多功能如舒適性、工作和學(xué)習(xí)效率的影響。HUANG等[4研究了振動(dòng)和噪聲在時(shí)序交替出現(xiàn)時(shí)，對(duì)舒適性的相對(duì)影響。IKEDA等[15進(jìn)行了全身振動(dòng)頻域掩蔽的乘坐舒適性研究，并開(kāi)發(fā)了一種基于此原理的主動(dòng)控制系統(tǒng)。然而，在全身振動(dòng)領(lǐng)域，尚未有研究全面完整地闡述時(shí)序上的掩蔽效應(yīng)與人體舒適性的關(guān)系。

本文研究了掩蔽信號(hào)的強(qiáng)度、間隔、順序影響下的掩蔽效應(yīng)及總體舒適性，相比于研究單獨(dú)的掩蔽信號(hào)或目標(biāo)信號(hào)的舒適性，本研究更加關(guān)注掩蔽效應(yīng)對(duì)整個(gè)掩蔽過(guò)程中振動(dòng)舒適性的影響，繼而為現(xiàn)行振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)提供有益補(bǔ)充。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文借鑒了CR-10量表的思想，設(shè)計(jì)了用于量化人體主觀感受的評(píng)分標(biāo)尺，如表1所示。該評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)共有6個(gè)語(yǔ)義等級(jí)，從0（沒(méi)有任何不舒服）到10（極其不舒服）共11個(gè)分值。

表1舒適性主觀評(píng)分量表Tab.1 Subjectivecomfort ratingscale

振動(dòng)激勵(lì)由六自由度振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生，剛性座椅的傳遞率已通過(guò)檢測(cè)[18]。在測(cè)試過(guò)程中，要求被試保持直立坐姿，不與靠背或扶手接觸，以消除坐姿和椅子支撐對(duì)不舒適感的影響。

本試驗(yàn)借鑒了以往聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)掩蔽效應(yīng)研究的試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，采用對(duì)照試驗(yàn)的方案探究掩蔽效應(yīng)對(duì)舒適性的影響[1]。其中，試驗(yàn)組由掩蔽信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)組合而成，對(duì)照組中只有掩蔽信號(hào)。掩蔽信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)分別為采用6s和2.5s的頻率范圍為0.5～30Hz 的白噪聲信號(hào)。

討論舒適性的影響，需要控制單一因素，改變?cè)囼?yàn)條件，分析舒適性評(píng)分改變的趨勢(shì)，得到該因素對(duì)掩蔽效應(yīng)的影響；前向和后向掩蔽對(duì)舒適性的影響則通過(guò)對(duì)比分析以及定量計(jì)算兩種條件下舒適性的差異得到。本文設(shè)置了三個(gè)影響因素：掩蔽信號(hào)強(qiáng)度（3個(gè)水平）信號(hào)間距（4個(gè)水平）和信號(hào)順序（前向掩蔽：掩蔽信號(hào)在前；后向掩蔽：掩蔽信號(hào)在后）。為了使被試感受連貫，掩蔽信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的間隔部分采用 0.1m/s² 的白噪聲信號(hào)填充，在信號(hào)銜接處使用三次樣條插值方法過(guò)渡。最終合成的振動(dòng)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)為 15s 。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2掩蔽試驗(yàn)參數(shù)

Tab.2 Parametersof themaskingexperiment

由于試驗(yàn)組與對(duì)照組信號(hào)在強(qiáng)度上存在差異（大于 10% ），假設(shè)舒適性掩蔽效應(yīng)存在，那么在同一掩蔽信號(hào)的部分試驗(yàn)組和對(duì)照組的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比中應(yīng)無(wú)顯著差異。反之，則說(shuō)明舒適性掩蔽效應(yīng)不存在。在試驗(yàn)中，信號(hào)的出現(xiàn)順序經(jīng)過(guò)打亂，以避免霍桑效應(yīng)的影響[19]。

共16名被試參與了本研究，包括9名男性和7名女性，身高范圍為 155～185cm ，體重范圍為48～95kg 。所有被試對(duì)本次試驗(yàn)均知情同意，本試驗(yàn)獲得了天津大學(xué)倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

2人員舒適性評(píng)分及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

將涉及的試驗(yàn)場(chǎng)景按照順序、強(qiáng)度分為6個(gè)對(duì)比組，舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果箱線圖如圖1所示，其中圖1（a）～（c）為前向掩蔽評(píng)價(jià)結(jié)果，圖1（d）～（f）為后向掩蔽評(píng)價(jià)結(jié)果，每張子圖從左到右的掩蔽信號(hào)強(qiáng)度 R 分別 1.6，1.1 和 0.6m/s² ，圖中每組上方為顯著性水平為0.05的由不同間距試驗(yàn)組與對(duì)照組進(jìn)行的配對(duì)樣本T檢驗(yàn)的結(jié)果， T 為T(mén)值， P 為p值， T 和p 的下標(biāo)中所連接的兩個(gè)數(shù)字分別為進(jìn)行對(duì)比的組從左至右的序號(hào)，1代表對(duì)照組，以此類(lèi)推。

由圖1可知，在24個(gè)舒適性評(píng)分對(duì)比組中，共12組出現(xiàn)顯著性差異，12組未出現(xiàn)顯著性差異。在圖1（a）中，對(duì)照組的舒適性評(píng)分與間距為0.5、1、2s的試驗(yàn)組無(wú)顯著性差異，而與6s的試驗(yàn)組有顯著性差異。在圖1（b）中，對(duì)照組的舒適性評(píng)分與間距為0.5、1s的試驗(yàn)組無(wú)顯著性差異，同時(shí)與2、6s的試驗(yàn)組有顯著性差異。在圖1（c中，對(duì)照組與試驗(yàn)組的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果與圖1（b）類(lèi)似：與間距為0.5、1s的試驗(yàn)組無(wú)顯著性差異，與2、6s的試驗(yàn)組有顯著性差異。在圖1（d）中，對(duì)照組的舒適性評(píng)分與間距為0.5、1、2s的試驗(yàn)組無(wú)顯著性差異，而與6s的試驗(yàn)組有顯著性差異。在圖1（e）中，對(duì)照組的舒適性評(píng)分與間距為0.5、1s的試驗(yàn)組無(wú)顯著性差異，而與2、6s的試驗(yàn)組有顯著性差異。在圖1（f中，對(duì)照組的舒適性評(píng)分與所有試驗(yàn)組均存在顯著性差異。這說(shuō)明部分試驗(yàn)組中出現(xiàn)了舒適性的掩蔽效應(yīng)，掩蔽效應(yīng)的程度強(qiáng)弱因間距、強(qiáng)度以及前后順序而異。

3前向掩蔽試驗(yàn)的掩蔽影響因素

圖2前向掩蔽試驗(yàn)舒適性評(píng)分結(jié)果 Fig.2Comfort rating results in forward masking tests

圖2以信號(hào)間距為橫軸，舒適性評(píng)價(jià)為縱軸，繪制了掩蔽信號(hào)強(qiáng)度分別為 1.6，1.1，0.6m/s² 時(shí)，前向試驗(yàn)的評(píng)價(jià)結(jié)果，信號(hào)間距為0處的點(diǎn)代表對(duì)照組結(jié)果，并繪制了舒適性評(píng)價(jià)的中位數(shù)和四分位點(diǎn)。強(qiáng)度為 1.6m/s² 的總體舒適性范圍為 8～9 ，強(qiáng)度為1.1m/s² 的總體舒適性范圍為 5～7 ，強(qiáng)度為 0.6m/s² 的總體舒適性范圍為 3～4 ，整體上印證了以往研究關(guān)于振動(dòng)強(qiáng)度與舒適性關(guān)系的結(jié)論[20]。值得注意的是，三條曲線的不舒適感都隨著振動(dòng)間隔的增加而上升，而這些信號(hào)除了信號(hào)間距不同以外在強(qiáng)度上沒(méi)有任何差別，在人員評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)差方面，不同強(qiáng)度和振動(dòng)間隔的標(biāo)準(zhǔn)差沒(méi)有明顯差異。

將前向試驗(yàn)涉及的試驗(yàn)因素組合，根據(jù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果劃分為未發(fā)生掩蔽試驗(yàn)組和發(fā)生掩蔽試驗(yàn)組，如圖3所示。可知， 1.6m/s² 組在0.5、1、2s共3個(gè)水平出現(xiàn)舒適性掩蔽效應(yīng)， 1.1m/s² 組在兩個(gè)較小信號(hào)間距出現(xiàn)掩蔽效應(yīng)， 0.6m/s² 組與 1.1m/s² 組一致。可以發(fā)現(xiàn)，小信號(hào)間距下出現(xiàn)掩蔽的試驗(yàn)組更多。同一掩蔽信號(hào)強(qiáng)度下，總是小信號(hào)間距的試驗(yàn)組優(yōu)先出現(xiàn)掩蔽。掩蔽信號(hào)強(qiáng)度也有類(lèi)似的效應(yīng)，大掩蔽信號(hào)強(qiáng)度中發(fā)生掩蔽的試驗(yàn)組合更多，而小掩蔽信號(hào)強(qiáng)度組，即 0.6m/s² 組，只有當(dāng)兩個(gè)信號(hào)距離非常近時(shí)才體現(xiàn)出掩蔽效應(yīng)。

掩蔽度用于衡量同一影響因素的不同水平掩蔽能力的強(qiáng)弱。GASKELL等[1使用在試驗(yàn)中 75% 樣本正確識(shí)別目標(biāo)信號(hào)的存在作為掩蔽效應(yīng)發(fā)生的臨界點(diǎn)，繪制了不同信號(hào)間距下的聲掩蔽度曲線。在本次試驗(yàn)中，選取同一掩蔽信號(hào)強(qiáng)度試驗(yàn)組中的發(fā)生掩蔽的最大信號(hào)間距（未發(fā)生則為0），或者同一信號(hào)間距試驗(yàn)組中的發(fā)生掩蔽的最小信號(hào)強(qiáng)度作為臨界點(diǎn)。由此繪制了全身振動(dòng)掩蔽度曲線，如圖3所示。根據(jù)掩蔽度曲線，信號(hào)間距與掩蔽能力呈負(fù)相關(guān)。掩蔽信號(hào)強(qiáng)度在 0.6～1.1m/s² 低強(qiáng)度區(qū)間維持不變，在 1.1～1.6m/s² 高強(qiáng)度區(qū)間掩蔽能力有所增加。根據(jù)這種方式，能夠很好地得出掩蔽信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)間距對(duì)掩蔽能力的影響趨勢(shì)。

圖3前向掩蔽試驗(yàn)的掩蔽度曲線 Fig.3Maskingdegree of forward maskingtests

4后向掩蔽試驗(yàn)的掩蔽影響因素

圖4展示了3種強(qiáng)度的掩蔽信號(hào)位于目標(biāo)信號(hào)之后的人員舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果。3種強(qiáng)度的總體舒適性范圍分別為 8.5～9.6.5～7.5.4～5. 。標(biāo)準(zhǔn)差范圍分別為 1.5～2.7，1.5～2.6，1.6～3.2， ，低強(qiáng)度舒適性評(píng)分離散性略大于中高強(qiáng)度。4種振動(dòng)間隔的標(biāo)準(zhǔn)差沒(méi)有明顯差異。

圖5為后向掩蔽試驗(yàn)的掩蔽度曲線。在掩蔽效應(yīng)的影響因素方面，與前向試驗(yàn)相似，較大強(qiáng)度和較小信號(hào)間距更易出現(xiàn)掩蔽效應(yīng)。區(qū)別在于，后向試驗(yàn)的掩蔽度隨著掩蔽信號(hào)強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率更高，而在高強(qiáng)度和中等強(qiáng)度組的掩蔽能力對(duì)比中也體現(xiàn)出了差別。以上結(jié)論表明，全身振動(dòng)對(duì)人體舒適性的掩蔽效應(yīng)作用形式與其他模態(tài)的作用形式類(lèi)似。

圖4后向掩蔽試驗(yàn)舒適性評(píng)分結(jié)果 Fig.4Comfort rating results in backward masking tests

圖5后向掩蔽試驗(yàn)的掩蔽度曲線 Fig.5Masking degree of backward masking tests

5 前向試驗(yàn)與后向試驗(yàn)的比較

圖6給出了前向試驗(yàn)與后向試驗(yàn)舒適性評(píng)分的對(duì)比。對(duì)于前向和后向掩蔽，總體舒適性都隨著信號(hào)間距的增加而提升，這說(shuō)明掩蔽效應(yīng)在逐漸衰減；另外，后向掩蔽的舒適性評(píng)分比同水平條件下的前向掩蔽更高，增加更快，其掩蔽效應(yīng)相較于前向掩蔽更差。從掩蔽度曲線上也可以印證這一點(diǎn)：后向掩蔽度曲線在整體上覆蓋的試驗(yàn)組更少。GESCHEIDER等[20]測(cè)量了在手部連續(xù)施加掩蔽信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)，改變刺激時(shí)間間隔對(duì)被試的感知閾值的影響，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的刺激閾值是隨著刺激時(shí)間下降的函數(shù)。進(jìn)一步測(cè)量了掩蔽刺激終止 25ms 后，觸覺(jué)閾值隨著掩蔽刺激的水平和持續(xù)時(shí)間而增加[21]。在全身振動(dòng)領(lǐng)域，SCHWENDICKE等[指出在全身振動(dòng)下，人體的感知閾值會(huì)受到掩蔽效應(yīng)影響，感知閾值的偏移程度隨著掩蔽信號(hào)的強(qiáng)度的增大而增大，隨著信號(hào)間距的增大而衰減；并且前向掩蔽比后向掩蔽感知閾值抬高近 2dB 。本研究得到的影響因素變化趨勢(shì)與在人體感知的研究上得到的結(jié)論一致。由此可見(jiàn)，掩蔽效應(yīng)導(dǎo)致人體對(duì)信號(hào)的敏感閾值抬高，同樣也減輕了振動(dòng)帶來(lái)的不舒適感。當(dāng)因素水平改變時(shí)，兩者表現(xiàn)出相同趨勢(shì)。據(jù)此，本文推測(cè)舒適性的改變是由掩蔽效應(yīng)弱化了人體對(duì)振動(dòng)的感知引起的。

圖6前/后向掩蔽試驗(yàn)舒適性評(píng)分對(duì)比

Fig.6Comparison of comfort rating bewteen forward and backward masking tests

對(duì)于被試來(lái)說(shuō)，前向和后向掩蔽試驗(yàn)下的舒適性差異是與強(qiáng)度和信號(hào)間距有關(guān)的函數(shù)。將舒適性評(píng)分的非對(duì)稱性定義為同一信號(hào)組合與信號(hào)間距以不同順序加載時(shí)后向試驗(yàn)與前向試驗(yàn)評(píng)分的差值。當(dāng)非對(duì)稱性為正值時(shí)，說(shuō)明后向掩蔽的不舒適感更高，反之則說(shuō)明前向掩蔽的不舒適感更高。根據(jù)圖7，整體非對(duì)稱性中位數(shù)都為非負(fù)數(shù)，但不乏部分被試的非對(duì)稱性評(píng)分為負(fù)數(shù)。 0.6m/s² 組的非對(duì)稱性略大于上面兩種，有可能因?yàn)楫?dāng)掩蔽信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)處于這種強(qiáng)度比時(shí)會(huì)給人較大的前后向體驗(yàn)差異。但是由于舒適性是一個(gè)與信號(hào)時(shí)長(zhǎng)、間隔、能量比都有影響的復(fù)雜因素，而本試驗(yàn)中涉及的變量、信號(hào)間隔的水平較少，尚不足以完全論證該結(jié)論。掩蔽信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)以何種能量、時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行組合會(huì)導(dǎo)致前/后向掩蔽非對(duì)稱性的問(wèn)題有待更進(jìn)一步的研究。

圖7掩蔽試驗(yàn)舒適性評(píng)分的非對(duì)稱性 Fig.7Comfort rating asymmetry of masking tests

6結(jié)論

不同振動(dòng)信號(hào)在時(shí)域上的相鄰關(guān)系對(duì)人體舒適性感受產(chǎn)生影響。具體來(lái)說(shuō)，掩蔽效應(yīng)是否發(fā)生與信號(hào)強(qiáng)度、掩蔽信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的間距、前后向順序都有關(guān)聯(lián)。整體上，掩蔽能力與信號(hào)強(qiáng)度呈正相關(guān)，與信號(hào)間距呈負(fù)相關(guān)，前向掩蔽的掩蔽能力要強(qiáng)于后向掩蔽。掩蔽度越高的組別在統(tǒng)計(jì)上體現(xiàn)出更高的人員舒適性。這與以往感知閾值的研究結(jié)果有相似之處。在加權(quán)加速度均方根以外，振動(dòng)的時(shí)域掩蔽特性也對(duì)舒適性評(píng)價(jià)有重要作用。

本研究提出了一種掩蔽度定義方法，以選取同一掩蔽信號(hào)強(qiáng)度試驗(yàn)組中的發(fā)生掩蔽的最大信號(hào)間距，或者同一信號(hào)間距試驗(yàn)組中的發(fā)生掩蔽的最小信號(hào)強(qiáng)度作為臨界點(diǎn)。從結(jié)果來(lái)看，這種方法可以有效地量化不同場(chǎng)景下振動(dòng)信號(hào)掩蔽能力的強(qiáng)弱。目前掩蔽度曲線較為稀疏，后續(xù)根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)一步優(yōu)化掩蔽度曲線。

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第一作者：郭智（1997一），男，碩士研究生。 E-mail：guozhi@tju.edu.cn

通信作者：林杰威（1984一），男，博士，教授。 E-mail：linjiewei@tju.edu.cn