陳克安，朱 巖

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

0 引 言

長期以來，有關(guān)聲音對人影響的大部分研究都局限于低強度的環(huán)境聲，其聲壓級一般在90 dB(A)以下。對于大于90 dB(A)的聲音，人們一般將其歸結(jié)為強聲。隨著現(xiàn)代社會中強聲出現(xiàn)的次數(shù)日益增多，以及強聲危害日益受到重視，有關(guān)強聲特性及其應(yīng)用的研究成為了當下的研究熱點。

強聲研究主要針對強聲的物理損傷。國外對強聲物理損害的研究較為深入。一本有關(guān)騷亂控制的書提到了強聲[1]，許多科技論文都討論了使用聲音作為武器的理論。近幾十年來，研究者們對強聲進行了一系列研究，也將強聲進行了實際應(yīng)用，如1971年，《新科學(xué)》雜志報道英國軍隊在北愛爾蘭對示威者使用了聲武器。在國內(nèi)，已有不少單位和研究人員對強聲武器產(chǎn)生了興趣，對強聲尤其是強次聲對生物的生理效應(yīng)進行了研究，然而，有關(guān)強聲心理效應(yīng)的研究領(lǐng)域仍然處于空白。

研究表明，當人體暴露到強聲中，可能會出現(xiàn)的物理危害有以下幾種情況：暴露到聲壓級為90~120 dB(A)的低頻聲(5~200 Hz) 1 min就會產(chǎn)生極度的煩惱和心煩意亂感；110~130 dB(A)的次聲將引起腸道疼痛和嚴重惡心；當聲壓級達到140~150 dB(A)時就會產(chǎn)生巨大的身體創(chuàng)傷和組織損傷；大于170 dB(A)的聲音會產(chǎn)生瞬時沖擊波型的創(chuàng)傷[2]。這些都是強聲對人體的傷害，目前文獻中涉及的比較多，研究的也較為深入。

相比于強聲的物理危害，有關(guān)強聲環(huán)境下人的心理感受的研究文獻比較匱乏。近年來，聲武器以其獨特的性能受到越來越多國家的重視。怎樣合理有效地使用聲武器，是研究和開發(fā)聲武器的關(guān)鍵。由于聲武器具有非致命性、可控性強、無二次污染等一系列優(yōu)點，使其成為在不對人體造成物理損害的前提下驅(qū)散人群、控制人群的一種有效手段。怎樣在不造成人群物理損害的前提下達到最優(yōu)的人群控制效果，就需要研究強聲下人的心理感知變化。

噪聲總體上會引起人的煩惱，這其中包含的情緒有不適、難忍、生氣和惱怒等一系列負面情緒。目前來說，“煩惱”作為一般噪聲下心理感知的描述詞，已經(jīng)得到了廣泛認可。煩惱度是一種復(fù)雜的心理體驗，它涵蓋多種負面情緒。不同的情感組分在構(gòu)成綜合性煩惱心理時，權(quán)重效應(yīng)各異。然而，煩惱度卻不足以作為強聲描述詞。相比于一般噪聲，強聲具有聲壓級更高、能量更大的特點，以至于可能會對人體器官和組織造成損傷，也必然會對人群產(chǎn)生遠超普通噪聲的負面心理影響，這就超出了“煩惱”的描述范疇。因此，尋找合適的強聲描述詞變得尤為迫切。

在確定了強聲描述詞之后，還需要對強聲的心理效應(yīng)進行定量分析，進而建立強聲心理效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。不過，這是一個十分艱巨的工作。作為初步研究，本文主要通過主觀評價實驗，獲取聲壓級、持續(xù)時間和頻率對強聲心理效應(yīng)影響的測量數(shù)據(jù)，為強聲心理效應(yīng)建模奠定基礎(chǔ)。

2 描述詞的選取

只有確定了強聲描述詞，才能對強聲心理效應(yīng)進行定量描述。確定強聲心理效應(yīng)描述詞是研究的基礎(chǔ)。強聲描述詞的確定步驟如圖1所示。

圖1 強聲描述詞選取流程圖Fig.1 Flowchart of selecting acoustic descriptors

2.1 強聲心理效應(yīng)描述

有相關(guān)文獻對強聲下人群的心理感受進行過描述：1989年，美國入侵巴拿馬后，美軍運用聲武器將時任總統(tǒng)諾列加從大使館地下室驅(qū)趕出來，據(jù)悉，諾列加忽感血壓升高，頭暈?zāi)垦?，全身不適繼而嘔吐不止[3]。有文獻提到[4]，用115 dB(A)的聲音作用于人體時，聽者已經(jīng)很難完成簡單的數(shù)學(xué)運算，并出現(xiàn)頭暈、目眩、疲倦、物理、惡心、嘔吐、焦躁不安、工作效率顯著下降等癥狀。以135 dB(A)的聲音作用于19~23歲的健康男青年，持續(xù)時間為15 min，均出現(xiàn)內(nèi)臟器官震動感，尤以胸腔、腹腔和背部最為明顯。還有的文獻中提到[5]，在被試暴露到135 dB(A)的聲音15 min后，臟器有震動感，胸、腹和背部最明顯；鼓膜有震動感，進而出現(xiàn)中耳鈍痛；上下肢肌肉緊張，不時有明顯的顫抖。主訴有頭痛、頭暈、頭重、口干、吞噬困難、惡心和食欲缺乏、手腳潮濕和明顯的疲勞感，并且會出現(xiàn)某種驚慌失措，有時表現(xiàn)為恐慌。其他文獻中也提到[6]，4名男性自愿者暴露于頻率范圍為1~20 Hz、聲壓級為120~144 dB(A)的次聲下達8 min，聽者中耳均有疼痛性、壓迫感，同時發(fā)聲變調(diào)。當噪聲頻率升高時，心理性緊張和注意力不集中的情況增多，受試者中出現(xiàn)頭痛、頭暈、食欲減退、惡心、嘔吐的人數(shù)增加。這些文獻中雖然對被試的心理感知做出了一定的描述，但是并沒有提出一個像“煩惱”那樣相對綜合全面的聲學(xué)描述詞，在此基礎(chǔ)上本文首先進行的就是尋找合適的強聲描述詞。

2.2 建立初級詞庫

建立初級詞庫，原則上應(yīng)當發(fā)放問卷，讓受訪者提出一些相關(guān)描述詞。然而，在日常生活中，120 dB(A)的聲音是不常見的，并且存在聽閾危險，聽閾危險是指在一定條件下(噪聲大小、持續(xù)時間、暴露次數(shù)、時間進度和個體變量)超出了該閾值就存在永久性聽力損失的危險。聲壓接近閾值，每天幾個小時暴露、持續(xù)時間長達幾年會造成永久性聽力損失。通常，人們在120 dB(A)時就開始感覺到不適，甚至較短或幾次暴露(脈沖聲除外)都有較高的引起聽力損失的風(fēng)險。一般來說，在120 dB(A)的條件下暴露較短時間有可能會對被試造成永久性聽力損失，所以無法直接進行人體實驗，只能從早期一些自愿進行實驗的被試、以及一些強聲意外事故的遭遇者的描述中[3-5,7]來揣摩當時的具體感受。

這就使得讓受訪者提出描述詞不可行，因此設(shè)立了討論小組負責(zé)描述詞的選取。描述詞的主要來源是網(wǎng)絡(luò)、詞典和相關(guān)參考文獻[1-5,7]。早期的描述詞庫幾乎都是從各個文獻里面直接提取或間接得出的，總計 24個描述詞。需要對詞匯進行篩選獲得備選詞庫。

篩選出備選詞庫主要是通過問卷調(diào)查的方式。問卷的發(fā)送主要通過互聯(lián)網(wǎng)和實體問卷發(fā)放兩條途徑進行，發(fā)放對象是在校本科生、碩士研究生和博士生?？傆嫲l(fā)放問卷120份，回收110份有效問卷，將被試數(shù)據(jù)作圖，將數(shù)據(jù)偏離平均值較大的數(shù)據(jù)篩除，選出100份相對有效的問卷，對其進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和結(jié)果分析。最終問卷人群主要包括：男71人、女29人，年齡范圍為20~34歲，文化程度為本科及以上學(xué)歷，專業(yè)覆蓋面較廣。

問卷所使用的評分等級為5級，即合適程度按五級評分，非常合適給5分，很合適給4分，比較合適給3分，有點合適給2分，不合適給1分。根據(jù)語義細分評價尺度對初級詞庫中所有的描述詞評分，結(jié)果如表1所示。其中調(diào)查者給出的平均分在 3分以上的(即在比較合適程度以上)強聲描述詞為：不適(3.22)、煩躁(3.75)、刺耳(3.60)、焦躁(3.65)、難忍(3.54)、崩潰(3.14)、躁亂(3.05)、躁怒(3.07)。

表1 全體被試的評分結(jié)果Table 1 Rating of all subjects

從表1可以看出，不適、煩躁、刺耳、難忍、崩潰這五個詞簡單易懂，也較能描述人的心理感受。從詞意上來講，焦躁、躁亂和躁怒包含更加廣泛的聲學(xué)含義，能更為貼切地表達出強聲下人的心理感知。與噪聲煩惱度調(diào)查相比，由于參加調(diào)查的人員基本上都沒有感受120 dB(A)強噪聲的經(jīng)歷或經(jīng)驗，因此不宜完全根據(jù)分值高低進行選取，需要進一步的分析篩選來確定強聲心理效應(yīng)描述詞。

2.3 確定備選詞庫

初級詞庫的總體評分結(jié)果具有很強的參考性，因此選取了總體評分在3分以上的描述詞作為備選詞庫，再次進行主觀評價實驗。在對初級詞庫進行篩選的過程中，將數(shù)據(jù)按照被試的學(xué)歷、專業(yè)分類并分別進行對比。對比結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)結(jié)果與被試的學(xué)歷和專業(yè)都相關(guān)。具有一定聲學(xué)基礎(chǔ)的聲學(xué)專業(yè)被試給出的選詞比較集中、評分比較一致，相對來說選詞結(jié)果比較綜合、準確[6]。因此在進一步確定最終描述詞的工作中，選擇直接讓有聲學(xué)基礎(chǔ)的被試來進行評分，給出的評分結(jié)果可信度相對較高。被試對評分3分及以上的備選詞庫進行評分，其結(jié)果如圖2所示。

2.4 確定最終描述詞

圖2 小組成員評價結(jié)果Fig.2 Members’ evaluation results

在備選詞庫的主觀評價實驗評分過程中，被試都有相關(guān)聲學(xué)的背景知識。備選詞庫的針對性較強，評分結(jié)果具有較強的參考性。小組成員評分結(jié)果顯示：描述詞躁怒的評分最高、方差最小、置信水平最高(如表2所示)、聲學(xué)含義廣泛。因此，本次實驗最終選取“躁怒”作為強聲描述詞，其具體含義為：焦躁、煩躁以及因受到驚嚇而產(chǎn)生的憤怒。

表2 次級詞庫的統(tǒng)計分析Table 2 Sound pressure levels at different frequencies and different points of anechoic room

我們定義定量描述“躁怒”程度的指標為“躁怒度”，從“一點也不躁怒”到“非常躁怒”的評分范圍為0~5。

3 強聲物理屬性對躁怒度的影響

確定了強聲描述詞“躁怒”之后，需弄清楚哪些聲音屬性影響著強聲的躁怒度。前面提到的強聲實驗文獻里，提出的一些聲音屬性包括聲壓級、頻率和聲音持續(xù)時間。但是這幾組實驗都是在一個相對單一的聲壓級、頻率和時長條件下進行的。這樣，強聲下影響人群心理感知的聲音屬性沒有得到任何系統(tǒng)性的描述，接下來將會對此進行詳細分析。

3.1 實驗研究

3.1.1 實驗設(shè)置

背景噪聲對人群的心理感知也有一定的影響，本次實驗通過在不同背景聲環(huán)境下進行主觀評價實驗，來確定強聲下背景噪聲能否忽略。在此基礎(chǔ)上，我們分別在全消聲室、自由聲場和普通房間進行了強聲實驗。聲源是由 25個揚聲器單元組成的5×5矩形揚聲器陣。該揚聲器系統(tǒng)在 1 kHz和 2 kHz處最大能夠發(fā)出 140 dB(A)的聲音，而在 0.5 kHz和4 kHz處發(fā)出的聲音只能分別達到108 dB(A)和 120 dB(A)。穩(wěn)定性良好，聲輻射聲壓級、頻率和時長可調(diào)。

在聲樣本的設(shè)置上主要選取了三個變量：聲壓級、聲音頻率和聲音持續(xù)時間。有文獻指出[8]，對于普通噪聲，在中高頻(1~8 kHz)煩惱度隨著頻率的增加而增加?；趯嶒灥暮侠硇耘c實驗數(shù)據(jù)的全面性，本次實驗分別選取了頻率為0.5、1、2和4 kHz的純音樣本。

聲音的持續(xù)時間對被試的心理感知有著極大的影響。但是時長對被試心理感知的影響的量化研究，很少有文獻涉及到。本次實驗對時長的量化研究主要集中在研究強聲是否符合等能量模型[8]這一點上。在此基礎(chǔ)上，時長分別選為4、8、12和16 s，強聲揚聲器陣在0.5 kHz和4 kHz處所能夠達到的最大A聲級要低于其他兩個頻率處的A聲級，每個頻率下都設(shè)置了聲壓級差為6 dB(A)的四個聲樣本。這樣，聲樣本的數(shù)目是4×4×4=64個。

本次實驗中選取的三個實驗場地分別是：位于陜西省寶雞市某縣的一個10 m×10 m×8 m的全消聲室、寶雞市烽火中學(xué)操場(測試時間為周末，操場空曠無人)、某公司的一個6 m×6 m×3 m的普通房間(室內(nèi)環(huán)境安靜)。由于消聲室實驗和外場實驗背景環(huán)境差距較大，進行這兩組實驗主要是對背景噪聲的影響進行研究。

3.1.2 實驗研究

在本次實驗的設(shè)計及進行過程中有數(shù)十名工作人員，并對強聲有一定的了解也有強聲經(jīng)歷，從中選取男女比例為1:1，總計10名聽力良好、年齡在20~26歲之間的被試。通過被試填寫問卷的形式對相應(yīng)聲樣本進行評分?；趯嶒灲Y(jié)果的可靠性，實驗中所選取的被試全部從工作人員中選取。主觀評價實驗中聲樣本的播放順序是隨機的，被試事先不知道聲樣本的播放順序。為了減小被試因疲勞而產(chǎn)生的誤差以及強聲對被試的傷害，實驗過程中將聲樣本分為四組播放，每組之間有20 min的休息時間。被試對播放的聲樣本進行躁怒度評分，分數(shù)在1~5分之間，其中1分代表一點也不躁怒，2分代表有點躁怒，3分代表一般躁怒、4分代表比較躁怒、5分代表非常躁怒。

3.2 實驗結(jié)果分析

3.2.1 消聲室和自由聲場實驗

在消聲室和自由聲場進行的實驗主要是測量實驗中所使用的揚聲器性能、強聲下人的身體感知以及背景噪聲對測試結(jié)果的影響，用以估量能否進行強聲實驗。先進行消聲室和自由聲場部分實驗，以便確定一般被試能接受的最大限聲壓級，揚聲器的主波束角為±30°，被試集中在主法向±10°以內(nèi)，為后續(xù)實驗做準備。

在消聲室，測量了離聲源1、2和4 m處的聲壓級并進行數(shù)據(jù)測量以及躁怒度評分。該實驗中，聲樣本播放時長均為10 s，結(jié)果如圖3所示。理論上，其他條件不變，距離每增加一倍，聲壓級就減小6 dB(A)，在消聲室里測得的實驗數(shù)據(jù)也基本符合這一理論，各測量點的聲壓級見表3。從圖3中可見，被試離揚聲器越遠，對躁怒度評分就越低。即聲壓級越低，被試對聲樣本的躁怒度評分就越低。

圖3 消聲室實驗數(shù)據(jù)Fig.3 Experimental data in an anechoic room

圖3中顯示，在低頻(0.5 kHz)處，躁怒度評分相近，分值也較小，在高頻(4 kHz)處，躁怒度評分略低于中頻處，在1~2 kHz處躁怒度評分較高，這極有可能與聲樣本的聲壓級大小有關(guān)。相對來說，0.5 kHz的現(xiàn)場聲比較厚重低沉，較不易引起躁怒，而4 kHz現(xiàn)場聲比較尖銳，在時長與聲壓級相同的情況下，較易引起身體和心理的不適。在1 kHz和2 kHz頻率處，揚聲器所能達到的最大聲壓級一致，在圖3中被試對2 kHz聲樣本的躁怒度評分值要明顯高于1 kHz的。這與煩惱度實驗基本一致[9]，即在中高頻(1~8 kHz)范圍內(nèi)煩惱度隨著頻率的增加而增加。

本次實驗做完后，被試休息 20天，用以判斷能不能恢復(fù)聽力損失。20天之后，總體沒有異樣感，隨后進行了外場的實驗，其結(jié)果與消聲室結(jié)果基本一致，即背景噪聲對實驗結(jié)果沒有影響。在消聲室和外場的實驗里，測得了揚聲器的各個參數(shù)，以便于在最終進行強聲現(xiàn)場實驗時能較好地控制實驗條件，保護被試。

3.2.2 普通房間實驗

在普通房間進行實驗，被試為10名工作人員，有強聲接觸經(jīng)歷和主觀評價實驗經(jīng)驗，對躁怒度評分規(guī)則也較為了解。實驗進行過程中，被試在聲源正前方1 m處。聲樣本的播放順序是隨機的，實驗結(jié)果見圖4。

一般來說，相同條件下聲樣本持續(xù)時間越長躁怒度評分就越大，圖4顯示的實驗結(jié)果基本符合這一結(jié)論。在2 kHz評分圖里最小聲壓級處有一次例外，有可能是被試因疲勞產(chǎn)生的誤判。通常在強聲環(huán)境下，聲樣本持續(xù)時間越長被試越難以忍受。實驗結(jié)果也與我們設(shè)置時長這一參數(shù)時的預(yù)期目標一樣。

為了分析聲壓級、頻率和時長與躁怒度之間的相關(guān)性，用spss軟件對其作了Pearson相關(guān)性分析，其結(jié)果如表4所示。從Pearson相關(guān)系數(shù)可以看出躁怒度與聲壓級的相關(guān)性最大，頻率次之，持續(xù)時間最次。表4中顯著性數(shù)據(jù)(顯著性數(shù)據(jù)<0.01則視為顯著相關(guān))顯示：聲壓級和頻率都與躁怒度顯著相關(guān)，持續(xù)時間與躁怒度相關(guān)但不顯著。

通常情況下，相同條件下聲樣本的聲壓級越大，被試越難忍受，對躁怒度評分也就越高。圖4中的實驗結(jié)果也基本符合這一理論。被試的躁怒度評分與聲樣本的聲壓級之間具有顯著的相關(guān)性。即，聲壓級與躁怒度評分之間的相關(guān)性要大于其他兩個聲屬性的。這與類似的煩惱度實驗結(jié)果一致[10]。在108 dB(A)和114 dB(A)處，4 kHz的躁怒度大于2 kHz的，2 kHz的躁怒度大于1 kHz的，查等響曲線可知，4 kHz處四個時長響度級均大于2 kHz處的，2 kHz處四個時長響度級均大于1 kHz處的。實驗結(jié)果顯示，在1~4 kHz的范圍內(nèi)，聲音的頻率越高，響度級越大，被試對躁怒度評分值越高。

從圖4中可看出，在1~2 kHz頻率范圍內(nèi)的躁怒度評分斜率較其他兩個要高一些，這說明人耳對該頻率范圍在的聲音比較敏感，從而躁怒度評分差值也大一些。實驗結(jié)果顯示，強聲下被試對躁怒度的評分與聲壓級和頻率都顯著相關(guān)，時長對躁怒度的影響最次。總之，本次實驗基本符合預(yù)期的結(jié)果。

圖4 普通房間實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental data in a common room

表4 相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis

4 結(jié) 論

本文通過對強聲下人群心理感知的研究，確定了強聲描述詞，并對強聲效應(yīng)的定量分析進行了測量。通過主觀評價實驗進行強聲描述詞篩選，最終確定“躁怒”為強聲描述詞。同時，確定“躁怒度”為強聲對人心理影響的定量描述指標，通過強聲評分實驗，分析了聲樣本時長、聲壓級和頻率對躁怒度的影響。

實驗結(jié)果證明，這三個變量都與強聲下被試的心理感知相關(guān)。相同條件下：聲樣本持續(xù)時間越長，躁怒度值越大；聲壓級越高，躁怒度值越大；頻率越高，躁怒度值越大。

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