电动汽车声音警示信号重要性的人因实验分析

王 强

（河南工学院，河南 新乡 453003）

1 实验背景

相较于汽油或柴油车，电动汽车在行驶时噪音很小，尤其是低速行驶时不易被交通参与者察觉。经过实际比对发现，电动汽车和柴油动力汽车（以下简称“柴油汽车”）在以 10公里/小时行驶时噪音差距达6dB(A)，随着时速加快，二者的行驶噪音差别变小，当时速高于 40公里/小时，二者噪音相当，此时其噪音主要来自轮胎[1]。

在城市中，由于各种交通噪音的存在，交通参与者要在一定距离外从这些低噪音中有效识别到运行中的电动汽车有很大难度，尤其是视力障碍人士很难察觉驶近的电动汽车。

在前期实验中，笔者对12位视力障碍人士进行了观察和测试，要求这些被测试者分别通过听觉判断一辆电动汽车和一辆柴油汽车的驶近过程。两辆车均以10公里/小时的速度在非常平坦的路面上驶近，结果显示，柴油汽车在安全距离内（10米以外）被察觉，而电动汽车在数米内才被察觉。

为了实现电动汽车驶近行人时的有效预警，有制造商在前保险杠或车轮毂上安装一个扩音器，发出警示信号，但这种做法与推广电动汽车的原因之一——降低交通噪音却背道而驰[2]。因此，有必要对电动汽车的声音警示信号进行实验研究，获取声级低但能起到明显警示作用的声音信号。

2 实验过程

此实验主要是以人的听觉系统对车辆来向进行有效识别为基础，借助模拟出的存在背景交通噪音的十字路口环境，让被测者判断来车方向，并详细描述实验中采用的听觉场景和警示刺激方法。为使数据有可比性，在车辆选择上，分别选择一辆电动汽车和一辆柴油汽车进行实验，而被测试者则是选择了40名年龄在18—48周岁的成年男子，并保证测试在他们意识清醒、情绪稳定的状态下进行，其中35名视力正常或矫正视力正常，5名有视力障碍。

2.1 信号刺激物设计

刺激物场景（见图1）：一名行人站在机动车道边并面向机动车道，准备穿过马路，一辆车与行人呈直角在其面前以20公里/小时速度通过，车与行人的最短距离为1米。

图1 刺激物场景

在实验中，行人由人工头（双耳采集和回放系统HMS IV）替代，电动汽车和柴油汽车依次从人工头前方通过，同时由人工头记录整个前方左右各 30米共60米内所收到的声音信号。这样，信号的持续时间为10.8秒，同时记录装置将信号转换为频率 44.1kHz，分辨率16比特。

给予电动汽车的警示信号为纯音合成，信号的频率限制在300至1500Hz，采用9种频率，间隔150 Hz，即 300Hz、450Hz、600Hz、750Hz、900Hz、1050Hz、1200Hz、1350Hz、1500Hz。之所以选择这样的频率范围进行实验是考虑到实际应用时所使用喇叭的技术限制，其放射效率限制在300Hz以上；而频率在1500Hz以下时，人的听阈受年龄的影响不大。这就是本实验的第一个目的，即将良好的被识别能力与总体声级较低的警示信号相结合，将能量集中于有限的频率带可以使信号高于该频率带的被识别门槛。

将以上获取到的这9种信号叠加上电动汽车不发出任何声音警示时的正常行驶声音信号，这样便获得了9种“电动汽车+警示音响”的警示信号刺激物（s1—s9）。为形成有效对比，另加上人工头搜集到的电动汽车和柴油汽车正常行驶声音信号，一共构成11种信号刺激物，模拟出汽车以 20公里/小时速度在行人面前通过的全方位移动声源（见图2）。

2.2 背景噪音设计

本实验设计采用两种背景噪音：第一种由不同的录音组成，同样通过人工头搜集，意图模拟出一种远离听者的背景交通噪音，并将样本集中起来以便获得一种比较固定的2分钟噪音环境，在实验中连续重复播放；第二种背景噪音则在第一种背景噪音基础上加入下雨天搜集到的雨声，这是考虑到视力障碍人士常说下雨时他们很难了解街上的声音环境。

在下文中，这两种场景分别称为“晴天”和“雨天”，在这两种场景中配置的声级均为69分贝，该声级的波动范围为±3分贝（即66—72分贝）。

2.3 实验场所设计

测试在双层墙（或单层墙）消音室内进行，由计算机控制信号刺激物和背景噪音播放，然后通过无线耳塞扬声器传输给一个高质量的双耳耳机，在被测试者接受测试前，先利用人工头进行声级核实[3]。

2.4 实验实施

实验开始前，让听者了解几种刺激物并进行短时间培训，培训期间采用五种刺激物（从整套刺激物中随机挑选）。

被测试者戴上耳机后会持续听到连续播放的背景噪音，由电脑随机选择时间加入一种车辆声音，车辆可以来自听者的右方或左方。给被测试者介绍十字路口场景，让他们尽快确定车辆来自何方。为防止将车辆声音与背景声音混淆，被测试者被告知目标车辆会比听起来遥远的环境交通噪音近得多。按下电脑键盘上的两个键之一做出反应：如果认为车辆来自左方，按空格键；如果认为车辆来自右方，按回车键。

该相互刺激间隔随机选择为1至20秒。每一种刺激物出现 8次（来自听者左右方各 4次），总共出现88次，持续时间约45分钟。为避免被测试者疲倦，实验分成2组，每组44种音响。两组之间，听者稍作休息。

实验中需要将有效数据记入实验记录，包括：刺激物号码、开始时间、抵达方向、以秒为单位计算的听者的反应时间、听者报告的抵达方向。

3 实验结果

3.1 样本选择

如果某个被测试者对信号刺激物的错失率超过20%，即车辆通过后超过 5.4秒才有反应，或者错失了对某一刺激物出现的所有各次反应，则会在进一步的分析中被排除。3名被测试者符合以上条件，留下37名被测试者的有效数据供分析。

这37名被测试者（与驶近方向有关的）在各次测试中的错误率仅为 3.45%。因此，反应时间基于所有各次测试进行分析，无论对与错，错的次数极少，即使错，也显示被测试者察觉到了车辆（或警示）声音。

但是，被测试者的平均反应时间（RT）相当不同（见图3），有些在车辆首次出现后1.3秒就有反应，有些则当车辆几乎驶过后才有反应，即大约5秒。它们相对应于车辆距离位于路边的参与者22.8米和2.2米。

图3 被测试者的平均反应时间

3.2 盲人、正常视力被测试者

实验结果表明（见图4），视力正常者和视力障碍者反应时间在雨天（下部）和晴天（上部）的总体平均值非常相近，对不同音响刺激物的反应图形非常相似。至于平均反应时间，在视力正常者和视力障碍者之间无重大差别，尽管视力障碍者的总体反应时间比视力正常者平均快约250毫秒，但考虑到这个时间差极小，所以可以证实视力障碍对反应时间无重大影响。

图4 盲人和视力正常人反应时间的平均值

3.3 交通噪音条件

对比图4中晴天和雨天两种交通噪音条件下获取的实验数据，很明显，晴天被测试者察觉较早，尤其是对不太突出的警示信号及对纯电动汽车的正常行驶信号。

3.4 警示信号的不同

比较对不同警示信号的察觉性差别（见图5），可以发现，不同警示信号被准确识别到的反应时间有差别，有些甚至大于2秒。

图5 将图4中给出的数据重新排列呈现晴天和雨天之间的对比

如图6所示，实验中被记录的车辆以恒速20公里/小时移动，将反应时间转换成对应的距离，即每秒行驶5.5米。平均来说，在雨天，某些车辆被察觉时已进入非安全距离，尤其是未装备警示信号发射装置的电动汽车，即车与行人距离小于7.5米，该距离为以20公里/小时车速行驶汽车的有效停车距离，再将司机的反应时间及刹车时间考虑进去，留给行人的反应时间更少了。

图6 将反应时间转换成对应距离时的情况

对叠加有警示信号的刺激物分析可以发现，几乎所有的警示信号就其对反应时间的影响来说都是可区别的，也就是说各种频率的警示信号都有利于电动汽车在交通背景噪音下被识别。尤其是信号刺激物 3和7，被测试者对其反应时间普遍快于其他警示信号刺激物，就像察觉一辆高噪音的柴油汽车驶近时一样有效。同时，这两种信号刺激物在来车方向判断上也存在明显优势。

4 结论

此实验充分考虑到数据的可比性，利用听者（视力正常者和视力障碍者）、听力场景（晴天和雨天）、警示信号特点（不同频率声音信号）的数据对比，来分析对相对安静的电动汽车加装声音警示信号发射装置的重要性[4]。最终实验结论如下：

（1）此次研究中，视力障碍者平均反应并不比视力正常者快多少，但在理想的听力条件下，即无雨声干扰下，附加的声音警示信号对其的影响比对视力正常者稍大。然而，整体来看，有声音警示信号预警的情况下，两类人群对行驶车辆的辨识度明显提高，这对设计一种视力障碍者和视力正常者通用的声音警示信号是个鼓励。

（2）至于声学背景，有效信号刺激物（柴油汽车、配备显著声音警示信号的电动汽车）并不受雨声的干扰，而同时效率较低的警示物反应时间延长1秒。这恰好反映出在雨天噪音环境下，人普遍对声音警示信号的识别性较未发射警示信号而正常行驶的电动汽车的识别性更好。

s3和 s7两种声音警示信号在实验测试中表现最佳，与察觉柴油汽车时的表现相同，这两种信号声音均属于低声压级。本次实验显示有可能设计合成音响，不提高或仅稍微提高未装备附加声音警示装置的电动汽车的总体声级，而保持低于柴油汽车的声级；经优化调整，反应时间可能缩短大约2秒或50%以上。进而可以开发一个加装在电动汽车上能有效发出声音警示信号又低噪的装置，以提高电动汽车行驶的安全性。

[1] 郭伟东.浅析电动汽车动力性能的设计和仿真[J].山东工业技术，2016(22).

[2] 朱久兵.残疾人无障碍设施建设的法律思考[J].法制与社会,2009 (11).

[3] 郭威,杨桂萍.建设无障碍设施的思考[J].中国科技信息,2009(4).

[4] 高岳.安静行驶车辆低速提示音标准法规国际状况及发展趋势分析[J].科技创新与应用,2013(19).