亓立敏， 林建輝

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

高速列車車內(nèi)噪聲是影響乘客乘坐舒適度的一個(gè)主要因素，尤其是低頻和超低頻噪聲非常容易與人體器官產(chǎn)生共振，對(duì)舒適度的影響非常大[1].目前乘坐舒適度的評(píng)價(jià)方法主要通過主觀問卷調(diào)查來(lái)評(píng)定舒適度等級(jí)，并且主要是對(duì)物理因素的研究，對(duì)于舒適度客觀檢測(cè)的研究還比較少見.

心率變異性(Heart rate variability，HRV)是指逐次心搏間期的微小差異.目前，HRV是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的反應(yīng)人體應(yīng)激水平的可靠指標(biāo)[2－3].近年來(lái)研究表明，心率變異性具有無(wú)創(chuàng)性、獲取的廣泛性及高信噪比等特性，且與人體的自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)有著密切關(guān)系[4].鑒于上述特點(diǎn)，本文基于廣義舒適度模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬出列車行駛時(shí)的各種噪聲工況，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行問卷調(diào)查和生理指標(biāo)測(cè)量，從而研究HRV與噪聲舒適度之間的相關(guān)關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 廣義舒適度模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

廣義舒適度模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在高速動(dòng)車車體的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，主要是實(shí)現(xiàn)模擬列車運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種工況.針對(duì)舒適度的各個(gè)影響因素的不同，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以模擬出列車運(yùn)行過程中的振動(dòng)、噪聲、壓力、溫度、濕度、照度及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的變化，同時(shí)還可以針對(duì)個(gè)別因素模擬出相應(yīng)的極端工況.

車內(nèi)噪聲調(diào)節(jié)模擬通過噪聲調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，噪聲調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)集成如圖1所示，使用頻率選擇軟件實(shí)現(xiàn)噪聲頻率的選擇，通過控制功率來(lái)實(shí)現(xiàn)噪聲聲強(qiáng)的控制.

1.2 被試者

本次實(shí)驗(yàn)研究不同人群噪聲舒適性，因此需要找不同類型的人.為保證實(shí)驗(yàn)的合理準(zhǔn)確性，避免由于年齡和性別對(duì)心電信號(hào)(ECG)的影響[5]，實(shí)驗(yàn)人員選擇青年人(18～30歲)、中年人(31～45歲)及老年人(45～60歲)各10名，并且每組人員中男女各5名.

所有實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)身體健康，心態(tài)正常，無(wú)睡眠障礙，有較理性的認(rèn)知辨別能力.在實(shí)驗(yàn)前72 h內(nèi)未食用含有酒精的飲品和食物，12 h內(nèi)未食用含咖啡因飲品和食物.在實(shí)驗(yàn)期間休息充足，而且實(shí)驗(yàn)前1h內(nèi)沒有進(jìn)行任何劇烈運(yùn)動(dòng).

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

利用廣義舒適度模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬不同聲壓級(jí)及不同頻率結(jié)構(gòu)兩類噪聲.其中，不同聲壓級(jí)噪聲實(shí)驗(yàn)中聲壓級(jí)從50dB～86dB共分為14個(gè)工況，頻率結(jié)構(gòu)采用線路實(shí)測(cè)噪聲頻率結(jié)構(gòu);不同頻率結(jié)構(gòu)噪聲實(shí)驗(yàn)中聲壓級(jí)從60.5dB～71dB共4個(gè)聲壓級(jí)，每個(gè)聲壓級(jí)又包括線路實(shí)測(cè)噪聲頻率結(jié)構(gòu)、低頻增強(qiáng)(0～250)、中頻增強(qiáng)(250～630)及高頻增強(qiáng)(630～2000)4種頻率結(jié)構(gòu)，每一實(shí)驗(yàn)工況均進(jìn)行5min.每完成一個(gè)工況后實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)要求填寫調(diào)查問卷，為減少不同工況之間的相互影響，每?jī)纱螌?shí)驗(yàn)間隔時(shí)間為15min，以減小相鄰工況間的相互影響.此外對(duì)于遞變的工況采取交叉進(jìn)行的方 法，以防止由于工況相近而對(duì)主觀評(píng)測(cè)造成誤差.

圖1 噪聲調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)集成

圖2 噪聲實(shí)驗(yàn)各工況ECG變化規(guī)律

保證每次實(shí)驗(yàn)在每天的同一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)車體內(nèi)的溫度保持(24±2)℃，保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境通風(fēng)及光照良好.為防止在實(shí)驗(yàn)過程中外來(lái)噪聲的干擾，所有實(shí)驗(yàn)者及工作人員要保持安靜，手機(jī)關(guān)機(jī).

1.4 數(shù)據(jù)獲取

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要分為乘坐舒適度主觀評(píng)測(cè)和心電信號(hào)兩部分.主觀評(píng)測(cè)中將乘坐舒適度等級(jí)分為4級(jí):沒有不舒適、稍微不舒適、不舒適及非常不舒適，舒適度等級(jí)越高表示越舒適.該部分?jǐn)?shù)據(jù)通過對(duì)調(diào)查問卷的統(tǒng)計(jì)分析得到被試者對(duì)乘坐舒適度的主觀評(píng)測(cè).

本實(shí)驗(yàn)中主要對(duì)心電信號(hào)(ECG)進(jìn)行分析，ECG的采集采用美國(guó)BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150型16通道多導(dǎo)生理信號(hào)記錄儀進(jìn)行記錄.采用Ⅱ?qū)?lián)法測(cè)量實(shí)驗(yàn)者的心電信號(hào)，參數(shù)設(shè)置為:放大器增益 500，采樣頻率 1000Hz，高通 0.5Hz，低通35Hz.利用系統(tǒng)附帶的Acqknowledge軟件對(duì)采集到的ECG信號(hào)進(jìn)行處理.

1.5 數(shù)據(jù)處理

HRV信號(hào)中蘊(yùn)含了大量的有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)和體液調(diào)節(jié)的大量信息，對(duì)這些信息的提取和分析可以定量的評(píng)估心臟交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的均衡性以及對(duì)心腦血管活動(dòng)的影響[6].

實(shí)驗(yàn)主要對(duì)HRV信號(hào)進(jìn)行頻域分析，選取LFnorm，HFnorm和LF/HF作為評(píng)價(jià)指標(biāo).其中LFnorm和HFnorm分別是標(biāo)化的低頻段功率與高頻段功率，在HRV分析中己經(jīng)趨于成熟，能夠在一定程度上反映出交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動(dòng)水平;LF/HF是用來(lái)量化交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)張力平衡狀態(tài)的指標(biāo)[7].心電信號(hào)獲取后，經(jīng)過濾波、除噪、R波檢測(cè)等預(yù)處理，計(jì)算出總功率(TP)、極低頻段功率(VLF)、低頻段功率(LF)及高頻段功率(HF)，然后對(duì)LF及HF按公式(1)進(jìn)行歸一化.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)用相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)參加實(shí)驗(yàn)人員填寫的調(diào)查問卷及相應(yīng)的生理指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都呈現(xiàn)出較好的線性規(guī)律:不同聲壓級(jí)噪聲實(shí)驗(yàn)中，主觀評(píng)測(cè)的舒適度等級(jí)隨聲壓級(jí)的增大而降低，即趨向于“不舒適”和“非常不舒適”，而相應(yīng)的生理指標(biāo)LFnorm平均值及LF/HF平均值大致遞增，HFnorm平均值大致遞減;不同頻率結(jié)構(gòu)噪聲實(shí)驗(yàn)中，相同聲壓級(jí)的主觀評(píng)測(cè)舒適度等級(jí)由實(shí)測(cè)頻率工況到高頻增強(qiáng)工況依次降低，而相應(yīng)的生理指標(biāo)LFnorm平均值及LF/HF平均值大致遞增，HFnorm平均值大致遞減.相應(yīng)工況的生理指標(biāo)變化規(guī)律如圖2所示.

綜上所述，可得出以下結(jié)論:

(1)頻率結(jié)構(gòu)相同的情況下，乘客所處環(huán)境的噪聲聲壓級(jí)越大越不舒適;聲壓級(jí)相同的情況下，噪聲中低頻成分、中頻成分及高頻成分越多越不舒適，并且對(duì)舒適度的影響依次增大.

(2)隨著噪聲舒適度等級(jí)的降低，相應(yīng)的生理指標(biāo)LFnorm平均值及LF/HF平均值大致遞增，HFnorm平均值大致遞減，并呈現(xiàn)出較好的線性規(guī)律.

3 結(jié)論

通過在廣義舒適度模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行噪聲舒適度模擬試驗(yàn)，采集被試者在各模擬工況下的ECG信號(hào)，分析相應(yīng)生理指標(biāo)的變化規(guī)律，并對(duì)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行噪聲舒適度的主觀評(píng)測(cè).對(duì)比分析主觀評(píng)測(cè)結(jié)果和ECG信號(hào)相應(yīng)指標(biāo)變化特征，得出ECG信號(hào)中的LH，HF及LF/HF指標(biāo)可以在一定程度上反映乘客的噪聲舒適程度.

目前，高速列車乘坐舒適度主要還是依靠主觀評(píng)測(cè)來(lái)進(jìn)行評(píng)判，參照本研究可以擴(kuò)展到對(duì)于其他因素的研究，從而使舒適度的評(píng)判得到量化.以心率變異性作為指標(biāo)評(píng)價(jià)乘客的乘坐舒適度，由于其具有客觀性和易于提取性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景.

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