王亞晨，劉勝楠，董怡瑋，蔡 俊

（上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

飛機飛越噪聲持久時間的煩惱度實驗研究

王亞晨，劉勝楠，董怡瑋，蔡 俊

（上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

飛機飛越噪聲是造成居民煩惱度的主要來源之一。為研究單次飛機飛越噪聲事件中煩惱度的影響因素，根據(jù)飛越噪聲特點制備了飛越噪聲仿真信號并計算了信號的Moore響度。招募志愿者在靜音實驗室內(nèi)進行了噪聲煩惱度測試，分析了飛越噪聲持久時間以及響度與煩惱度的相關(guān)性，并結(jié)合調(diào)查問卷分析志愿者背景因素對煩惱度的影響。結(jié)果表明，對于上升速度、峰值聲壓相同的噪聲信號，煩惱度與持久時間有較大的相關(guān)性。持久時間越長，煩惱度越大。但過長的噪聲信號會造成人耳的感覺適應(yīng)現(xiàn)象，使之對煩惱的敏感度降低。累計百分?jǐn)?shù)響度N10與煩惱度有良好的線性關(guān)系。N10越大，煩惱度越高。背景調(diào)查結(jié)果表明，性別差異對煩惱度沒有顯著性影響。日常耳機使用頻率高的個體由于長期使用耳機造成的噪聲敏感程度降低，因此對相同信號的煩惱度低于耳機使用頻率低的個體。

聲學(xué)；煩惱度；仿真信號；飛機飛越噪聲；Moore響度

近年來，我國的民用航空事業(yè)迅速發(fā)展。與此同時，飛機噪聲造成的擾民現(xiàn)象備受關(guān)注，尤其是機場附近的居民[1]。近年來不斷出現(xiàn)的環(huán)保投訴事件也在一定程度上阻礙了民用航空事業(yè)的發(fā)展。

飛機噪聲會嚴(yán)重干擾人們?nèi)粘＝涣鳎饏挓?，憂郁，焦躁等不良情緒[2]。長期暴露在高噪聲下，還有可能造成聽力損失，提高患高血壓、心腦血管疾病的幾率[3]。噪聲煩惱度反應(yīng)了人對噪聲的個體不良反應(yīng)，包括“不舒適”、“煩惱”、“干擾”等癥狀，是評價人對噪聲主觀反應(yīng)的常用方法。通過大量社會調(diào)查的方法建立飛機噪聲聲學(xué)指標(biāo)與煩惱度之間的關(guān)系成為了當(dāng)前研究的熱點[4]。Mark Brink等通過大量社會調(diào)查，建立了晝夜等效聲級（Ldn，Lden）與煩惱度的關(guān)系曲線，居民煩惱度隨著噪聲暴露量的增加不斷升高[5]。翟國慶等對杭州蕭山國際機場周圍的噪聲污染現(xiàn)狀進行社會調(diào)查，獲得飛機噪聲LˉWEPCN的煩惱度閾值為72.4 dB[6，7]。

這些研究廣泛采用了社會調(diào)查的方法，偏重于研究一段時間內(nèi)飛機噪聲整體對人的影響。但對于單次的飛機飛越噪聲事件來說，其煩惱度的影響因素研究未見報道。本研究根據(jù)飛越噪聲的特點制備了一系列具有不同持久時間的飛機飛越噪聲信號，并招募志愿者在靜音室內(nèi)進行噪聲煩惱度的測試。通過對測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析從而研究單次飛越事件持久時間對煩惱度的影響。計算了信號的Moore響度以分析煩惱度和響度的關(guān)系。結(jié)合志愿者的背景調(diào)查，分析了志愿者自身因素對煩惱度的影響。

1 研究方法

1.1 飛越噪聲信號仿真

根據(jù)飛機飛越噪聲信號的時頻域特性，使用Matlab編寫程序?qū)崿F(xiàn)對噪聲信號的仿真?；痉抡嫠悸肥鞘褂脭?shù)字濾波器對白噪聲信號進行濾波，使其構(gòu)成飛機噪聲中的隨機噪聲成分。隨機噪聲的幅值變化通過計算飛機飛越噪聲信號在時域內(nèi)包絡(luò)曲線所得到。然后對隨機噪聲信號進行多普勒效應(yīng)修正，使其具有運動聲源的特征，從而更加接近實際的飛越噪聲。仿真步驟如圖1所示。

圖1 飛機飛越信號仿真步驟

1.1.1 飛越噪聲信號的包絡(luò)曲線

在飛機的飛越過程中，飛機噪聲的聲壓級會隨著時間變化。當(dāng)一架飛機向監(jiān)測點靠近時，監(jiān)測點接收到的地面聲壓級開始逐漸升高。當(dāng)飛機飛行到監(jiān)測點正上方附近時，地面噪聲達到峰值，可達90至120 dB（A）。聲壓級達到峰值后會持續(xù)一段時間，之后隨著飛機的飛離逐漸降低，最后回到環(huán)境背景噪聲的水平。飛越噪聲聲壓級在時域內(nèi)的變化曲線稱之為信號的包絡(luò)曲線[8]。理想的飛機飛越噪聲時域包絡(luò)曲線如圖2所示。

圖2 理想化的飛機飛越噪聲信號包絡(luò)曲線

在圖2中，持久時間定義為飛越噪聲在峰值時的持續(xù)時間。上升時間是噪聲聲壓級從背景聲壓級上升到峰值時所用時間。上升速度即聲壓級的增長速率，單位定義為dB/s。飛越噪聲的上升速度、持久時間與飛機的飛行狀態(tài)有關(guān)。一般來說，上升速度快的噪聲信號其持久時間較短，聲壓級衰減的速度也較快?？紤]到在飛機飛離的過程中，聲壓級的衰減并不會給人帶來意外或者驚嚇的效果，因此在理想的包絡(luò)曲線中，噪聲聲壓級的衰減速度定義為與上升速度相同。根據(jù)我國主要民航機型的相關(guān)數(shù)據(jù)[9-11]，選定了5 dB/s、10 dB/s、15 dB/s三個等級的上升速度，每個上升速度分別有1 s到5 s的持久時間。峰值聲壓級定為90 dB。噪聲仿真信號參數(shù)如表1所示。

表1 噪聲信號參數(shù)

根據(jù)飛越噪聲信號的包絡(luò)曲線，按照一定的采樣率將之離散化可以得到時域內(nèi)聲壓級值的有限長序列。由此可以計算得到仿真信號隨機噪聲成分的幅值隨時間變化的數(shù)據(jù)。

1.1.2 多普勒效應(yīng)修正

飛機飛越噪聲屬于運動聲源。當(dāng)一架飛機飛越地面觀測者上空時，觀測者因多普勒效應(yīng)而感受到波源頻率的改變，會聽到噪聲的聲調(diào)隨飛越發(fā)生變化。為了使仿真信號更加符合實際飛越噪聲的特點，需要對仿真信號進行多普勒效應(yīng)的修正[12]。其方法是根據(jù)飛越噪聲的時頻域能量譜圖插值擬合得到信號頻率的時間變化函數(shù)，由此生成一系列多普勒效應(yīng)修正序列并將之疊加在之前生成的隨機噪聲成分上[13，14]。

1.2 響度計算

響度綜合考慮了聲音頻率和聲壓級的影響，體現(xiàn)了人的聽覺系統(tǒng)對聲能量的主觀反應(yīng)，是人對噪聲主觀感受的常用評價量。Moore響度計算模型可以對頻譜和聲壓級連續(xù)變化的聲音信號進行響度計算[15]。

如圖3所示，由于飛越噪聲幅值起伏較大，采用累計百分?jǐn)?shù)響度N10作為響度評價量，即信號時長內(nèi)響度水平N10的時間為10%。編寫了Matlab程序計算每個信號的Moore時變響度曲線并計算N10值。

圖3 飛越噪聲時域內(nèi)響度曲線

1.3 煩惱度測試

煩惱度測試實驗在靜音室內(nèi)進行，以保證實驗進行時不會有外界的聲源干擾，室內(nèi)的本底噪聲低于20 dB。志愿者在靜音室內(nèi)使用測試軟件和耳機進行信號的播放收聽以及煩惱度打分。由于所采用的ER-2耳機為入耳式耳塞，因此需要使用外耳修正濾波器以消除耳機在耳道內(nèi)引起的共振效應(yīng)。仿真信號由測試軟件按隨機順序依次播放出來，志愿者為每一個聽到的噪聲信號按照自己的煩惱度主觀感受打分。煩惱度的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)定義為0到10，并用“一點也沒有”、“輕微”、“一般”、“嚴(yán)重”、“非常嚴(yán)重”五檔描述性標(biāo)準(zhǔn)進行說明。煩惱度測試系統(tǒng)如圖4所示，靜音室及實驗設(shè)備如圖5所示。

圖4 煩惱度測試系統(tǒng)

圖5 靜音室以及實驗設(shè)備

1.4 背景調(diào)查

根據(jù)實驗的內(nèi)容和目的，設(shè)計了背景調(diào)查問卷以分析實驗志愿者的性別、年齡、噪聲暴露程度等對主觀煩惱度產(chǎn)生的影響。在實驗開始前，實驗志愿者需要填寫表格中的客觀選項，由實驗者評估噪聲暴露等級和噪聲重視水平。實驗結(jié)束后，向?qū)嶒炛驹刚哒髟儗τ趯嶒炦^程中收聽的模擬信號的主觀感受，以文字的形式記錄在評價一欄中。

1.5 志愿者招募與篩選

共有30名志愿者參加了煩惱度測試。志愿者主要為在校學(xué)生，年齡分布在18歲至28歲。男女志愿者各有15名。

所有志愿者都會在靜音室內(nèi)進行聽力閾值的測試以保證志愿者具有正常的聽力水平。在正式測試開始前，測試軟件會播放幾組測試信號，以供志愿者了解和熟悉噪聲信號的特點以及打分流程。試聽完成之后開始正式的煩惱度測試實驗。完成實驗后會再進行一次聽力閾值測試，并填寫調(diào)查問卷表。

2 結(jié)果與討論

2.1 持久時間對煩惱度的影響

實驗結(jié)果共獲得了450個煩惱度測試數(shù)據(jù)。使用箱型圖來進行質(zhì)量控制，剔除了6個異常值，獲得444個有效數(shù)據(jù)。對三個信號組分別作方差齊性檢驗及單因素方差分析，結(jié)果如表2所示。

表2 持久時間方差分析

三組信號方差齊性檢驗P值均大于0.05，滿足方差齊性的要求。方差分析的P值均小于0.05，其組間均數(shù)差別具有統(tǒng)計學(xué)意義，說明持久時間對煩惱度有顯著性影響。計算每個信號的煩惱度均值與標(biāo)準(zhǔn)誤，并繪制其與持久時間的關(guān)系曲線并作線性擬合，如圖6所示。

三組信號線性擬合的校正決定系數(shù)（R2）分別為0.83、0.81、0.91。煩惱度和持久時間之間存在較好的關(guān)聯(lián)度。在上升速度，峰值聲壓一定的情況下，煩惱度隨著持久時間的增加而線性上升。從志愿者填寫調(diào)查問卷的主觀評價反饋來看，大部分志愿者提到“時間太久的信號比較煩人”，與煩惱度測試的結(jié)果相符合。三個信號組的煩惱度的整體水平隨上升速度的增加而降低，5 dB/s上升速度下的煩惱度明顯高于其他。這是由于較慢上升速度的信號整體持續(xù)時間要更長，這導(dǎo)致了煩惱度的顯著上升。

表3列出了三組信號不同持久時間之間均值差的顯著性。當(dāng)持久時間超過3 s時，煩惱度隨著持久時間變化的顯著性變得不明顯。這可能是感覺適應(yīng)現(xiàn)象所造成的[16]。人耳收到了噪聲信號的刺激，才產(chǎn)生了主觀的煩惱度。但是，同種刺激持續(xù)時間過長時，人類的感覺器官的靈敏性會下降，對于刺激的反應(yīng)程度會下降[17]。當(dāng)飛機飛越的時間增加時，個體一開始感受到了煩惱度的增長。但是當(dāng)飛越時間持續(xù)足夠久，人耳對于飛越峰值時的噪聲信號感受到了習(xí)慣，人耳的敏感程度隨之下降，使得個體感受上，持續(xù)時間過久的噪聲信號產(chǎn)生的煩惱度不再增長，甚至有下降的趨勢。

圖6 煩惱度與持久時間關(guān)系曲線（95%置信區(qū)間）

表3 不同持久時間均值差

2.2 煩惱度與響度的關(guān)系

三個信號組信號響度與煩惱度值的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 煩惱度與響度關(guān)系曲線（95%置信區(qū)間）

三組信號線性擬合的校正決定系數(shù)（R2）分別為0.81、0.88、0.71。同一信號組內(nèi)煩惱度隨響度的增長而線性增加。其擬合方程分別為

由于三組信號的總時長不同，在同樣的響度峰值情況下，總時間較長的信號N10值相對較低，因此組間的N10所對應(yīng)的煩惱度不具有可比性。但三組信號的煩惱度響度擬合曲線接近平行，說明煩惱度和累積百分?jǐn)?shù)響度N10具有良好的線性關(guān)系。

2.3 志愿者背景差異對煩惱度的影響

對于相同的信號，志愿者的生理條件、生活環(huán)境等個體差異同樣會造成煩惱度的主觀感覺的不同。調(diào)查問卷表中將噪聲暴露程度，噪聲重視程度分為低、中、高三類，由志愿者結(jié)合自己的生活體驗來進行評估。由于志愿者主要為在校大學(xué)生，耳機的使用是學(xué)生常見的噪聲暴露來源。因此考慮了耳機的使用頻率對煩惱度的影響分析。志愿者背景調(diào)查情況分布見表4。

表4 志愿者背景調(diào)查情況 單位：人數(shù)

由于噪聲暴露程度和重視程度帶有比較大的主觀性，因此選擇性別和耳機使用頻率兩個因素來分析個體差異對煩惱度的影響。

2.3.1 方差分析

為了檢驗性別和耳機使用頻率差異對煩惱度影響的顯著性，進行了二維方差分析。結(jié)果如表5所示。

表5 二維方差分析結(jié)果

分析結(jié)果可見，性別的主效應(yīng)P值為0.174（＞0.05），不具備統(tǒng)計學(xué)意義，可以認(rèn)為性別差異對于煩惱度沒有顯著性影響。耳機使用頻率的主效應(yīng)P值為0.002（＜0.05），具有統(tǒng)計學(xué)意義，即耳機使用頻率對煩惱度有顯著性影響。兩者間交互效應(yīng)P值為0.549，沒有交互作用的存在。

2.3.2 性別差異的分析

計算每個持久時間信號的男女志愿者煩惱度均值以及標(biāo)準(zhǔn)誤。不同性別的煩惱度隨持久時間的變化如圖8所示。

圖8 不同性別的煩惱度

由圖8可見，男性志愿者的主觀煩惱度和女性實驗志愿者的主觀煩惱度在數(shù)值上極為接近，最大的差值為0.13，最小的差值為0.03。分析認(rèn)為性別因素對于個體感受到的煩惱程度的影響很小。

2.3.3 耳機使用頻率差異的分析

根據(jù)ANOVA的結(jié)果，耳機使用頻率對煩惱度有顯著性影響。計算每個持久時間信號下不同耳機使用頻率的煩惱度均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。不同耳機使用頻率下煩惱度曲線如圖9所示。

圖9 不同耳機使用頻率的煩惱度曲線

由圖9可見，對于不同耳機使用頻率的個體，在相同噪聲信號下產(chǎn)生的主觀煩惱程度為低耳機使用頻率的個體＞中耳機使用頻率的個體＞高耳機使用頻率的個體。耳機使用頻率的不同直接關(guān)系到個體對于聲音的敏感程度。使用耳機的頻率高，耳朵對于聲音的敏感度會下降，對于飛機飛越噪聲的敏感度就降低，飛機飛越噪聲對個體產(chǎn)生的煩惱影響就越小。

3 結(jié)語

在分析飛機飛越噪聲的基礎(chǔ)上，使用matlab編程制備具有不同上升速度和持久時間的飛越噪聲仿真信號。采用Moore響度計算模型計算了仿真信號時域內(nèi)響度曲線以及N10值。招募志愿者填寫背景調(diào)查問卷并在靜音實驗室內(nèi)進行飛越噪聲信號的煩惱度測試。使用方差分析，曲線擬合等統(tǒng)計學(xué)方法分析了飛越噪聲持久時間與煩惱度的相關(guān)性，根據(jù)志愿者性別，日常耳機使用情況等個體因素對煩惱度的影響。得到的主要實驗結(jié)論如下：

（1）飛越噪聲的持久時間對于煩惱度有顯著性影響。煩惱度隨著持久時間的增加呈線性增長趨勢。飛越噪聲的上升速度影響到整體的持續(xù)時間，煩惱度隨著上升速度的提高整體降低。達到3 s以上持久時間的飛越噪聲會造成感覺適應(yīng)現(xiàn)象，煩惱度隨持久時間的增長會變得不明顯；

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線

Experimental Study onAnnoyance of Duration Time for Aircraft Flyover Noise

WANG Ya-chen,LIU Sheng-nan,DONG Yi-wei,CAIJun
(School of Environmental Science&Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

Aircraft flyover noise is a major source of community annoyance.According to the acoustic characteristics of the flyover noise,simulation signals were prepared for analysis of the effect of the single flyover event on the annoyance. Loudness based on Moore method was calculated for simulation signals.An annoyance test of volunteers was conducted in acoustic laboratory to assess the correlation among duration time,loudness and annoyance.Questionnaire surveys were used to assess the effects of subjective characteristics on the annoyance.The results show that there is a strong correlation between the duration time and the annoyance at the same onset rate and peak sound level.Long duration time leads to high annoyance.However,due to the sensory adaption effect of human ears,annoyance sensitivity decreases if a noise signal lasted too long.Annoyance increases linearly with the accumulative loudness N10increasing.Questionnaire surveys show that sexual difference is not significant to annoyance.Annoyance of frequent earphone users is lower than that of less earphone users. Long-term usage of earphone can lead to sensory decrease on noise.

acoustics;annoyance;simulate signal;aircraft flyover noise;moore loudness

X827；TB533+.2

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.028

1006-1355(2015)02-0121-05+159

2014－11－05

王亞晨（1989－），男，河南南陽人，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，碩士生，主要研究方向：環(huán)境噪聲影響評價及控制技術(shù)研究。

蔡?。ㄍㄓ嵶髡撸?，男，碩士生導(dǎo)師。E-mail:juncai@sjtu.edu.cn