史杰遠(yuǎn) 劉紅敏 徐冉冉 范成龍

摘要：

為了評(píng)價(jià)船舶振動(dòng)、噪聲舒適度，提出基于煩惱率模型的評(píng)價(jià)方法?；谶m應(yīng)性理論，考慮船舶自然環(huán)境的復(fù)雜多變性，從生理、心理角度揭示人對(duì)振動(dòng)等不舒適因素反應(yīng)的不確定性。利用一般的振動(dòng)舒適度指標(biāo)——振動(dòng)加速度，考慮船舶不同區(qū)域乘客和船員的振動(dòng)舒適度感受，以及不同的人對(duì)同一振動(dòng)的舒適度感受差異性，采用集值統(tǒng)計(jì)法得到煩惱率算法。實(shí)船測(cè)試和問卷調(diào)查驗(yàn)證了該模型的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：

船舶; 舒適度; 煩惱率模型; 振動(dòng)

中圖分類號(hào)： TB533.2; U661.44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Evaluation of ship vibration and noise comfort

based on annoyance rate model

SHI Jieyuan， LIU Hongmin， XU Ranran， FAN Chenglong

（

Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

In order to evaluate the ship vibration and noise comfort， an evaluation method based on the annoyance rate model is proposed. Based on the theory of adaptability， considering the complex variability of the natural environment of ships， the uncertainty of the reaction of people to the uncomfortable factors such as vibration is revealed from the physiological and psychological point of view. Based on the general vibration comfort index - vibration acceleration， considering the vibration comfort of passengers and crew in different areas of a ship and the different experiences of different people on the same vibration， the annoyance rate algorithm is obtained by the set-value statistics. The feasibility and validity of the model are verified by real ship test and questionnaire survey.

Key words：

ship; comfort; annoyance rate model; vibration

收稿日期： 2017-06-09

修回日期： 2017-10-16

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金（51406112）;上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目（14YZ116）

作者簡(jiǎn)介：

史杰遠(yuǎn)（1993—），女，河南項(xiàng)城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇罢駝?dòng)、噪聲舒適性，（E-mail）1319576552@qq.com;

劉紅敏（1976—），女，上海人，副教授，碩導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)榇翱照{(diào)熱舒適傳熱優(yōu)化和節(jié)能控制，（E-mail）hmliu@shmtu.edu.cn

0 引 言

振動(dòng)是船舶航行過程中不可避免的不舒適因素。船體搖晃、沖擊負(fù)荷等引起的暈船、疲勞、不舒適感嚴(yán)重影響著船員和乘客舒適度，甚至危及他們的健康。目前常用的評(píng)價(jià)不同振動(dòng)水平下人體舒適度感受的方法[1]有能量吸收法（AP 法）、ISO標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)法、乘坐舒適度級(jí)數(shù)法（RCL法）等，振動(dòng)加速度指標(biāo)得到了廣泛的認(rèn)可。研究表明，人體能夠承受的振動(dòng)加速度限值與環(huán)境振動(dòng)的頻率、幅度和頻譜特性有關(guān)[2]。ABS[3] （美國(guó)船級(jí)社）基于船舶舒適度設(shè)計(jì)理念，研究了環(huán)境振動(dòng)頻率在1～80 Hz范圍內(nèi)的船舶，把測(cè)得的各個(gè)方向的振動(dòng)加速度進(jìn)行頻率加權(quán)，得到了振動(dòng)加速度均方根值，作為振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過長(zhǎng)期調(diào)查研究，給出了船舶不同區(qū)域的振動(dòng)加速度限值。

然而，在實(shí)際船舶環(huán)境下，受環(huán)境的復(fù)雜程度和個(gè)體差異等影響，振動(dòng)加速度限值存在以下局限性：① 限值本身存在不確定性。由于限值本身是人為劃定的，即使環(huán)境的振動(dòng)加速度在限值內(nèi)也不能保證100%的人滿意，在限值以上或以下也并不是所有人都不可忍受。② 限值無(wú)法解決諸如A區(qū)舒適、B區(qū)不舒適這類復(fù)雜環(huán)境的舒適度問題，如在船舶的客艙、工作艙、餐廳等區(qū)域，即使環(huán)境振動(dòng)加速度均在限值內(nèi)，人體的舒適度也不同。③ 振動(dòng)加速度超出限值帶來(lái)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)后果并未給出。在不同的環(huán)境條件下舒適度要求不同，簡(jiǎn)單地采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不利于經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

那么，在船舶環(huán)境下船員和乘客對(duì)振動(dòng)的舒適度感受如何？不同的人對(duì)同一振動(dòng)水平的感受差異性該如何評(píng)價(jià)？

宋志剛[4]針對(duì)工程結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)進(jìn)行了舒適性研究，建立了煩惱率模型并對(duì)不同場(chǎng)合進(jìn)行煩惱率曲線擬合;KWOK等[5]研究了高層建筑風(fēng)振動(dòng)中人體的感受和居住舒適度;唐傳茵等[6]應(yīng)用煩惱率模型評(píng)價(jià)車身加速度受到路面隨機(jī)激勵(lì)時(shí)的舒適度;吳陽(yáng)[1]基于煩惱率模型，應(yīng)用TS模糊算法，綜合影響熱舒適的六大因素，得出了一種評(píng)價(jià)客艙室內(nèi)舒適度的綜合評(píng)價(jià)模型。因此，可以用煩惱率模型來(lái)定量研究振動(dòng)舒適度。

噪聲是影響人體舒適度的一大因素。WEINSTEIN[7]基于噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)（等效連續(xù)A聲級(jí)）對(duì)不同聲級(jí)的高、低頻噪聲環(huán)境下人的煩惱程度進(jìn)行了調(diào)查研究，取得了顯著成果;鄒建芳等[8]從噪聲對(duì)人的神經(jīng)生化機(jī)制的影響的角度研究了噪聲對(duì)認(rèn)知活動(dòng)、語(yǔ)言交流、情緒及行為的影響;李亮[9]通過實(shí)驗(yàn)室模擬，研究了低氣壓聲環(huán)境下不同聲級(jí)的噪聲對(duì)人的生理指標(biāo)的影響。探討不同聲級(jí)的船舶噪聲環(huán)境下人的舒適度感受，有助于實(shí)現(xiàn)人體舒適度評(píng)價(jià)體系的完整性。

1 煩惱率模型

煩惱率模型是基于心理物理學(xué)中的隸屬度概念，采用集值統(tǒng)計(jì)法建立的數(shù)學(xué)模型?？紤]人在振動(dòng)刺激下主觀判斷標(biāo)準(zhǔn)的模糊性和感受能力的差異性，在心理物理學(xué)和心理學(xué)層面描述振動(dòng)舒適度標(biāo)準(zhǔn)的不確定性，量化評(píng)價(jià)結(jié)果。

在振動(dòng)舒適度問題上，必須承認(rèn)人的主觀意識(shí)活動(dòng)的模糊性，工程上一般從模糊數(shù)學(xué)的角度進(jìn)行分析。這種方法盡管也可以使“舒適”或“不舒適”的感受得到量化，但缺乏必要的心理物理學(xué)背景，而且在隸屬度函數(shù)的建立上模糊數(shù)學(xué)還沒有統(tǒng)一有效的方法體系，而隸屬度函數(shù)是描述模糊性問題的關(guān)鍵。因此，不考慮心理物理背景的數(shù)學(xué)上的量化是不成功的，反而使問題變得復(fù)雜、抽象。煩惱率模型結(jié)合了心理物理學(xué)上的費(fèi)希納定律——主觀反應(yīng)的隸屬度值與

中心振動(dòng)加速度的對(duì)數(shù)值成正比（vu=aln u+b），實(shí)驗(yàn)證明這種分布不拒絕正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其中對(duì)數(shù)正態(tài)分布的擬合效果比較好。下面給出離散分布和連續(xù)分布情況下的煩惱率算法。

1.1 煩惱率算法

在離散分布情況下，振動(dòng)煩惱率計(jì)算公式[4]為

A（x=i）=mj=1（vjnij）mj=1nij=

mj=1vjp（x=i|j）

（1）

式中：Ax=i為第i個(gè)振動(dòng)加速度下的煩惱率;vj為第j類振動(dòng)感受的隸屬度函數(shù);m為振動(dòng)主觀感受等級(jí)（一般取5或11）;

nij為第i個(gè)振動(dòng)加速度下有第j類振動(dòng)感受的人的數(shù)目;

mj=1nij

為第i個(gè)振動(dòng)加速度下統(tǒng)計(jì)得到的總?cè)藬?shù)。

p（x=i|j）=nijmj=1（vjnij）

（2）

式（2）反映了人對(duì)振動(dòng)舒適度感受的差異性。在連續(xù)分布情況下，這種差異性可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布描述：

f（x|u）=12πuσexp-（ln u-μln x）2σ2

（3）

式中：

u是振動(dòng)加速度，m/s2;x為u的期望值;μln x為ln x的平均值，

μln x=ln x-0.5σ2;

σ2=ln1+δ2，

δ是u的變異系數(shù)，其變化范圍為0.1～0.5，取δ=0.3，則σ=0.294。

其物理意義為：對(duì)于一個(gè)加速度為x的振動(dòng)刺激，由于人們的感受的差異性，實(shí)際感受到的是一個(gè)加速度為u的振動(dòng)刺激，即雖然振動(dòng)感受度不同，但總的統(tǒng)計(jì)平均振動(dòng)水平還是相當(dāng)于加速度為x的振動(dòng)刺激，這是簡(jiǎn)單使用振動(dòng)加速度限值來(lái)評(píng)價(jià)做不到的。對(duì)比離散分布的情況，根據(jù)式（3），連續(xù)分布情況下煩惱率計(jì)算公式為

A（x）=

∫∞umin12πσuexp-（ln（u/x）+0.5σ2）22σ2v（u）du

（4）

v（u）=0， u<umin

aln u+b， umin≤u≤umax

1， u>umax

（5）

式中：

umin表示人體“感覺不到”的振動(dòng)加速度上限;umax表示人體“不能忍受”的振動(dòng)加速度下限;a和b是待定系數(shù)，由振動(dòng)加速度的限值決定，可由式（6）計(jì)算得到;

vu=aln u+b為主觀感受隸屬度函數(shù)。

aln umin+b=0

aln umax+b=1

（6）

根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)，可取umin=0.071 5 m/s2，umax=0.286 m/s2，代入上式得

aln 0.071 5+b=0

aln 0.286+b=1

（7）

則可得a=0.721，b=1.903。

1.2 煩惱率模型的應(yīng)用與討論

煩惱率模型最先應(yīng)用于土木工程中，用于評(píng)價(jià)和優(yōu)化橋梁等構(gòu)件振動(dòng)給人體帶來(lái)的不舒適感。下面從已有的船舶振動(dòng)舒適度標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，應(yīng)用煩惱率算法，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的主觀可接受性。

《機(jī)械振動(dòng) 客船和商船適居性 振動(dòng)、測(cè)量和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》（GB/T 7452—2007）規(guī)定，船舶振動(dòng)測(cè)量頻率應(yīng)選擇1～80 Hz，對(duì)測(cè)量值采用頻率加權(quán)的方法，得到頻率加權(quán)加速度有效值（即通過振動(dòng)測(cè)量?jī)x器將人體最敏感頻率范圍以外的其他頻帶的振動(dòng)加速度有效值進(jìn)行頻率加權(quán)，等效折算為1～80 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)加速度均方根值）。由于在船舶航行過程中人體承受X，Y，Z 3個(gè)方向上的振動(dòng)，在評(píng)價(jià)舒適性時(shí)，需測(cè)得3個(gè)方向上的頻率加權(quán)加速度值，并選擇測(cè)得的最大振動(dòng)加速度值作為所測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度。根據(jù)GB/T 7452—2007得到的船舶不同區(qū)域振動(dòng)加速度的限值見表1。

由表1可知，不同區(qū)域由于實(shí)際情況和要求的不同，振動(dòng)加速度的限值也不同。這反映了船舶環(huán)境的復(fù)雜性，同時(shí)也反映了振動(dòng)感受的主觀性。根據(jù)GB/T 7452—2007，人對(duì)振動(dòng)的容忍度用振

動(dòng)加速度強(qiáng)度指標(biāo)量化，采用符號(hào)r。當(dāng)振動(dòng)加速度等于r1時(shí)，大多數(shù)人對(duì)振動(dòng)的感覺表示滿意;當(dāng)振動(dòng)加速度等于2r1時(shí)，有一部分人感覺不舒適;當(dāng)振動(dòng)加速度等于r2（r2=4r1）時(shí)，絕大多數(shù)人感覺不可忍受。

表1

船舶不同區(qū)域適居性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)