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3~6Hz，頭胸肩系統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分析以及手臂系統的計權分析。在應用這些計權時，由于使用的國際或國內標準不同，常常會導致分析結果的差異，本文將做簡單的比較和討論。

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

人體振動計權

　　1. 身體計權

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

　　根據ISO2361:1997標準，對人體在X、Y和Z方向的頻率計權可適合人體的坐、立和臥三種體位，共有7種計權方式，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)計權最為常用，這兩種計權曲線如圖1所示。

圖1 人體振動計權系數

　　在對人體振動進行計權分析時，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。

　　研究人體振動計權的頻率范圍一般在0.25~160Hz。從計權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

　　在評價通過手或手指傳遞到手臂系統的機械振動時，手傳計權可反映人體手臂系統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)的機械結構。ISO5349-1:2001中對此有詳細描述和定義，手傳計權曲線如圖1所示。

　　對手傳振動的計權分析也常常使用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，從計權曲線上可見手臂系統的敏感頻率大約為8~16Hz。

　　3. 計權標準的比較

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

　　表1中列出了最新ISO標準與GB標準中使用系數的不同，前者為含帶限的準確系數，后者為便于記憶的近似系數。圖2~4為不同系數的曲線比較。

　　從中可以看出在某些頻帶中的計權系數可能會相差3dB以上。此外在手傳計權系數中，最新的ISO標準中考慮帶限濾波器，因而在6.3Hz以下的頻帶是衰減的，這點與以前的標準有較大區(qū)別。

表1 振動計權系數的比較 (5~50Hz)

圖2 身體X/Y振動計權系數的比較

圖3 身體Z振動計權系數的比較

圖4 手傳振動計權系數的比較

　　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?？墒褂玫刃нB續(xù)均方根值Aeq 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。

聲音計權分析

　　由于人耳的生理構造等特點，人對聲音的主觀感覺與客觀測量的聲壓之間有非常復雜的關系?？墒褂庙懚戎笜藖砻枋鋈藢β曇魪娙醯闹饔^感受，而等響度曲線如圖5所示，可見響度不僅與頻率有關，而且與聲壓大小有關。實際應用中常常使用簡化的計權聲壓級，僅僅對頻率進行計權計算，來近似人耳的真實感受。

　　1. 計權聲壓級

　　目前成為國際標準的計權網絡有A、B、C、D幾種。其中A、B和C計權曲線分別為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計權最為常用，幾乎成為一切測量的基礎，而B和C計權則不太符合普通聲學環(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的主觀量，反映噪聲引起的干擾程度。D計權為40noy等噪線的反曲線，是符合IEC537的用于飛機噪聲測量的計權方式。

　　此外還有SI計權(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，相當于將一定期間內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 為基準聲壓，等于20uPa。

　　而A計權聲暴露級LEA 則將時間間隔T 內的總聲能量表示為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TN1和噪聲污染級Lnp 等，均可以反映一段較長時間內的總體噪聲水平。

　　其中，累計百分聲級LN 是指在規(guī)定觀測時間T 內，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聲級的基礎上統計得到的。

　　噪聲污染級LNP 定義如下，其中σ 為觀測時間內測量值的標準偏差。

　　圖6為一段時間內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。

圖6 某高噪聲廠房內的環(huán)境噪聲評價

聲品質分析

　　計權聲壓級僅僅在一定強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。因此現代產品設計中，越來越多地使用聲品質指標進行噪聲評價和改進。

　　由于人耳對聲音頻率具有掩蔽效應，某純音頻率附近的某個頻帶范圍內的聲音會對該純音產生掩蔽效應，即該純音被其他聲音所淹沒。根據此特點，在聲品質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，每個臨界頻帶相當于若干個1/3倍頻程頻帶的組合?？梢?，在較高頻率范圍內，1/3倍頻程頻帶較為接近于人耳的掩蔽效應，而低頻范圍內則劃分過細，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參數，是聽覺判斷聲音強弱的屬性，根據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，響度的符號為N，單位為宋 (sone)。響度級定義為，根據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成為ISO532國際標準，但是目前其他的聲品質參數尚未被標準化。圖7為水壺燒開水全過程的聲音響度譜陣分析。

圖7 水壺燒開水全過程的響度譜陣

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

　　尖銳度 (Sharpness) 指標，描述了聲音品質評價中的音色特征，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，實際聲音品質設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，又稱抖動強度) 和粗糙度 (Roughness)，主要反映聲音的幅值調制特性，一般當調制頻率低于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分析的重要目標，主要使用煩惱度(PA、Psychoacoustic Annoyane，又稱厭煩度、騷擾度等)指標，此外還有愉悅度等。這類綜合參量難以建立準確統一的模型，目前國內外的大批學者針對煩惱度進行了大量的實驗統計和建模研究，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，wFR 為反映波動度和粗糙度的系數。

結束語

　　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進行計算。人體振動問題相對簡單，主要反映生理感受，并且有相關的標準規(guī)定，只不過在計算時需要注意使用不同標準可能導致結果有一定偏差。而聲音問題則復雜得多，不僅與生理感覺有關，還需要考慮心理感受，而聲景觀的概念更是關注聲音事件的社會性和人文性。目前像計權聲壓級、響度等計算模型已經被標準化，但是能反映多種感受的綜合參量還需要進一步的研究和深化，目前距離實際應用還需要大量的工作。