飞机飞越噪声持久时间的烦恼度实验研究

王亚晨，刘胜楠，董怡玮，蔡 俊

（上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240）

飞机飞越噪声持久时间的烦恼度实验研究

王亚晨，刘胜楠，董怡玮，蔡 俊

（上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240）

飞机飞越噪声是造成居民烦恼度的主要来源之一。为研究单次飞机飞越噪声事件中烦恼度的影响因素，根据飞越噪声特点制备了飞越噪声仿真信号并计算了信号的Moore响度。招募志愿者在静音实验室内进行了噪声烦恼度测试，分析了飞越噪声持久时间以及响度与烦恼度的相关性，并结合调查问卷分析志愿者背景因素对烦恼度的影响。结果表明，对于上升速度、峰值声压相同的噪声信号，烦恼度与持久时间有较大的相关性。持久时间越长，烦恼度越大。但过长的噪声信号会造成人耳的感觉适应现象，使之对烦恼的敏感度降低。累计百分数响度N10与烦恼度有良好的线性关系。N10越大，烦恼度越高。背景调查结果表明，性别差异对烦恼度没有显著性影响。日常耳机使用频率高的个体由于长期使用耳机造成的噪声敏感程度降低，因此对相同信号的烦恼度低于耳机使用频率低的个体。

声学；烦恼度；仿真信号；飞机飞越噪声；Moore响度

近年来，我国的民用航空事业迅速发展。与此同时，飞机噪声造成的扰民现象备受关注，尤其是机场附近的居民[1]。近年来不断出现的环保投诉事件也在一定程度上阻碍了民用航空事业的发展。

飞机噪声会严重干扰人们日常交流，引起厌烦，忧郁，焦躁等不良情绪[2]。长期暴露在高噪声下，还有可能造成听力损失，提高患高血压、心脑血管疾病的几率[3]。噪声烦恼度反应了人对噪声的个体不良反应，包括“不舒适”、“烦恼”、“干扰”等症状，是评价人对噪声主观反应的常用方法。通过大量社会调查的方法建立飞机噪声声学指标与烦恼度之间的关系成为了当前研究的热点[4]。Mark Brink等通过大量社会调查，建立了昼夜等效声级（Ldn，Lden）与烦恼度的关系曲线，居民烦恼度随着噪声暴露量的增加不断升高[5]。翟国庆等对杭州萧山国际机场周围的噪声污染现状进行社会调查，获得飞机噪声L¯WEPCN的烦恼度阈值为72.4 dB[6，7]。

这些研究广泛采用了社会调查的方法，偏重于研究一段时间内飞机噪声整体对人的影响。但对于单次的飞机飞越噪声事件来说，其烦恼度的影响因素研究未见报道。本研究根据飞越噪声的特点制备了一系列具有不同持久时间的飞机飞越噪声信号，并招募志愿者在静音室内进行噪声烦恼度的测试。通过对测试结果进行统计分析从而研究单次飞越事件持久时间对烦恼度的影响。计算了信号的Moore响度以分析烦恼度和响度的关系。结合志愿者的背景调查，分析了志愿者自身因素对烦恼度的影响。

1 研究方法

1.1 飞越噪声信号仿真

根据飞机飞越噪声信号的时频域特性，使用Matlab编写程序实现对噪声信号的仿真。基本仿真思路是使用数字滤波器对白噪声信号进行滤波，使其构成飞机噪声中的随机噪声成分。随机噪声的幅值变化通过计算飞机飞越噪声信号在时域内包络曲线所得到。然后对随机噪声信号进行多普勒效应修正，使其具有运动声源的特征，从而更加接近实际的飞越噪声。仿真步骤如图1所示。

图1 飞机飞越信号仿真步骤

1.1.1 飞越噪声信号的包络曲线

在飞机的飞越过程中，飞机噪声的声压级会随着时间变化。当一架飞机向监测点靠近时，监测点接收到的地面声压级开始逐渐升高。当飞机飞行到监测点正上方附近时，地面噪声达到峰值，可达90至120 dB（A）。声压级达到峰值后会持续一段时间，之后随着飞机的飞离逐渐降低，最后回到环境背景噪声的水平。飞越噪声声压级在时域内的变化曲线称之为信号的包络曲线[8]。理想的飞机飞越噪声时域包络曲线如图2所示。

图2 理想化的飞机飞越噪声信号包络曲线

在图2中，持久时间定义为飞越噪声在峰值时的持续时间。上升时间是噪声声压级从背景声压级上升到峰值时所用时间。上升速度即声压级的增长速率，单位定义为dB/s。飞越噪声的上升速度、持久时间与飞机的飞行状态有关。一般来说，上升速度快的噪声信号其持久时间较短，声压级衰减的速度也较快。考虑到在飞机飞离的过程中，声压级的衰减并不会给人带来意外或者惊吓的效果，因此在理想的包络曲线中，噪声声压级的衰减速度定义为与上升速度相同。根据我国主要民航机型的相关数据[9-11]，选定了5 dB/s、10 dB/s、15 dB/s三个等级的上升速度，每个上升速度分别有1 s到5 s的持久时间。峰值声压级定为90 dB。噪声仿真信号参数如表1所示。

表1 噪声信号参数

根据飞越噪声信号的包络曲线，按照一定的采样率将之离散化可以得到时域内声压级值的有限长序列。由此可以计算得到仿真信号随机噪声成分的幅值随时间变化的数据。

1.1.2 多普勒效应修正

飞机飞越噪声属于运动声源。当一架飞机飞越地面观测者上空时，观测者因多普勒效应而感受到波源频率的改变，会听到噪声的声调随飞越发生变化。为了使仿真信号更加符合实际飞越噪声的特点，需要对仿真信号进行多普勒效应的修正[12]。其方法是根据飞越噪声的时频域能量谱图插值拟合得到信号频率的时间变化函数，由此生成一系列多普勒效应修正序列并将之叠加在之前生成的随机噪声成分上[13，14]。

1.2 响度计算

响度综合考虑了声音频率和声压级的影响，体现了人的听觉系统对声能量的主观反应，是人对噪声主观感受的常用评价量。Moore响度计算模型可以对频谱和声压级连续变化的声音信号进行响度计算[15]。

如图3所示，由于飞越噪声幅值起伏较大，采用累计百分数响度N10作为响度评价量，即信号时长内响度水平N10的时间为10%。编写了Matlab程序计算每个信号的Moore时变响度曲线并计算N10值。

图3 飞越噪声时域内响度曲线

1.3 烦恼度测试

烦恼度测试实验在静音室内进行，以保证实验进行时不会有外界的声源干扰，室内的本底噪声低于20 dB。志愿者在静音室内使用测试软件和耳机进行信号的播放收听以及烦恼度打分。由于所采用的ER-2耳机为入耳式耳塞，因此需要使用外耳修正滤波器以消除耳机在耳道内引起的共振效应。仿真信号由测试软件按随机顺序依次播放出来，志愿者为每一个听到的噪声信号按照自己的烦恼度主观感受打分。烦恼度的数值标准定义为0到10，并用“一点也没有”、“轻微”、“一般”、“严重”、“非常严重”五档描述性标准进行说明。烦恼度测试系统如图4所示，静音室及实验设备如图5所示。

图4 烦恼度测试系统

图5 静音室以及实验设备

1.4 背景调查

根据实验的内容和目的，设计了背景调查问卷以分析实验志愿者的性别、年龄、噪声暴露程度等对主观烦恼度产生的影响。在实验开始前，实验志愿者需要填写表格中的客观选项，由实验者评估噪声暴露等级和噪声重视水平。实验结束后，向实验志愿者征询对于实验过程中收听的模拟信号的主观感受，以文字的形式记录在评价一栏中。

1.5 志愿者招募与筛选

共有30名志愿者参加了烦恼度测试。志愿者主要为在校学生，年龄分布在18岁至28岁。男女志愿者各有15名。

所有志愿者都会在静音室内进行听力阈值的测试以保证志愿者具有正常的听力水平。在正式测试开始前，测试软件会播放几组测试信号，以供志愿者了解和熟悉噪声信号的特点以及打分流程。试听完成之后开始正式的烦恼度测试实验。完成实验后会再进行一次听力阈值测试，并填写调查问卷表。

2 结果与讨论

2.1 持久时间对烦恼度的影响

实验结果共获得了450个烦恼度测试数据。使用箱型图来进行质量控制，剔除了6个异常值，获得444个有效数据。对三个信号组分别作方差齐性检验及单因素方差分析，结果如表2所示。

表2 持久时间方差分析

三组信号方差齐性检验P值均大于0.05，满足方差齐性的要求。方差分析的P值均小于0.05，其组间均数差别具有统计学意义，说明持久时间对烦恼度有显著性影响。计算每个信号的烦恼度均值与标准误，并绘制其与持久时间的关系曲线并作线性拟合，如图6所示。

三组信号线性拟合的校正决定系数（R2）分别为0.83、0.81、0.91。烦恼度和持久时间之间存在较好的关联度。在上升速度，峰值声压一定的情况下，烦恼度随着持久时间的增加而线性上升。从志愿者填写调查问卷的主观评价反馈来看，大部分志愿者提到“时间太久的信号比较烦人”，与烦恼度测试的结果相符合。三个信号组的烦恼度的整体水平随上升速度的增加而降低，5 dB/s上升速度下的烦恼度明显高于其他。这是由于较慢上升速度的信号整体持续时间要更长，这导致了烦恼度的显著上升。

表3列出了三组信号不同持久时间之间均值差的显著性。当持久时间超过3 s时，烦恼度随着持久时间变化的显著性变得不明显。这可能是感觉适应现象所造成的[16]。人耳收到了噪声信号的刺激，才产生了主观的烦恼度。但是，同种刺激持续时间过长时，人类的感觉器官的灵敏性会下降，对于刺激的反应程度会下降[17]。当飞机飞越的时间增加时，个体一开始感受到了烦恼度的增长。但是当飞越时间持续足够久，人耳对于飞越峰值时的噪声信号感受到了习惯，人耳的敏感程度随之下降，使得个体感受上，持续时间过久的噪声信号产生的烦恼度不再增长，甚至有下降的趋势。

图6 烦恼度与持久时间关系曲线（95%置信区间）

表3 不同持久时间均值差

2.2 烦恼度与响度的关系

三个信号组信号响度与烦恼度值的关系曲线如图7所示。

图7 烦恼度与响度关系曲线（95%置信区间）

三组信号线性拟合的校正决定系数（R2）分别为0.81、0.88、0.71。同一信号组内烦恼度随响度的增长而线性增加。其拟合方程分别为

由于三组信号的总时长不同，在同样的响度峰值情况下，总时间较长的信号N10值相对较低，因此组间的N10所对应的烦恼度不具有可比性。但三组信号的烦恼度响度拟合曲线接近平行，说明烦恼度和累积百分数响度N10具有良好的线性关系。

2.3 志愿者背景差异对烦恼度的影响

对于相同的信号，志愿者的生理条件、生活环境等个体差异同样会造成烦恼度的主观感觉的不同。调查问卷表中将噪声暴露程度，噪声重视程度分为低、中、高三类，由志愿者结合自己的生活体验来进行评估。由于志愿者主要为在校大学生，耳机的使用是学生常见的噪声暴露来源。因此考虑了耳机的使用频率对烦恼度的影响分析。志愿者背景调查情况分布见表4。

表4 志愿者背景调查情况 单位：人数

由于噪声暴露程度和重视程度带有比较大的主观性，因此选择性别和耳机使用频率两个因素来分析个体差异对烦恼度的影响。

2.3.1 方差分析

为了检验性别和耳机使用频率差异对烦恼度影响的显著性，进行了二维方差分析。结果如表5所示。

表5 二维方差分析结果

分析结果可见，性别的主效应P值为0.174（＞0.05），不具备统计学意义，可以认为性别差异对于烦恼度没有显著性影响。耳机使用频率的主效应P值为0.002（＜0.05），具有统计学意义，即耳机使用频率对烦恼度有显著性影响。两者间交互效应P值为0.549，没有交互作用的存在。

2.3.2 性别差异的分析

计算每个持久时间信号的男女志愿者烦恼度均值以及标准误。不同性别的烦恼度随持久时间的变化如图8所示。

图8 不同性别的烦恼度

由图8可见，男性志愿者的主观烦恼度和女性实验志愿者的主观烦恼度在数值上极为接近，最大的差值为0.13，最小的差值为0.03。分析认为性别因素对于个体感受到的烦恼程度的影响很小。

2.3.3 耳机使用频率差异的分析

根据ANOVA的结果，耳机使用频率对烦恼度有显著性影响。计算每个持久时间信号下不同耳机使用频率的烦恼度均值和标准误。不同耳机使用频率下烦恼度曲线如图9所示。

图9 不同耳机使用频率的烦恼度曲线

由图9可见，对于不同耳机使用频率的个体，在相同噪声信号下产生的主观烦恼程度为低耳机使用频率的个体＞中耳机使用频率的个体＞高耳机使用频率的个体。耳机使用频率的不同直接关系到个体对于声音的敏感程度。使用耳机的频率高，耳朵对于声音的敏感度会下降，对于飞机飞越噪声的敏感度就降低，飞机飞越噪声对个体产生的烦恼影响就越小。

3 结语

在分析飞机飞越噪声的基础上，使用matlab编程制备具有不同上升速度和持久时间的飞越噪声仿真信号。采用Moore响度计算模型计算了仿真信号时域内响度曲线以及N10值。招募志愿者填写背景调查问卷并在静音实验室内进行飞越噪声信号的烦恼度测试。使用方差分析，曲线拟合等统计学方法分析了飞越噪声持久时间与烦恼度的相关性，根据志愿者性别，日常耳机使用情况等个体因素对烦恼度的影响。得到的主要实验结论如下：

（1）飞越噪声的持久时间对于烦恼度有显著性影响。烦恼度随着持久时间的增加呈线性增长趋势。飞越噪声的上升速度影响到整体的持续时间，烦恼度随着上升速度的提高整体降低。达到3 s以上持久时间的飞越噪声会造成感觉适应现象，烦恼度随持久时间的增长会变得不明显；

图8 BP神经网络训练误差曲线

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

王亚晨（1989－），男，河南南阳人，上海交通大学环境科学与工程学院，硕士生，主要研究方向：环境噪声影响评价及控制技术研究。

蔡俊（通讯作者），男，硕士生导师。E-mail:juncai@sjtu.edu.cn