基于生理指标的噪声对作业人员认知绩效的影响研究

景国勋，王 敏

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.安阳工学院，河南 安阳 455000）

随着现代化企业的发展与科技的进步，生产机械化程度越来越高，机械设备产生的不同强度的噪声，对作业人员的身心健康会产生不同程度的影响。噪声强度增大会使人产生疲劳症状，导致注意力不集中，反应时间加长，失误率增加，进而使作业人员出现不安全行为的概率增大[1]。煤矿高强度噪声污染会对矿工身体产生特异性和非特异性危害，也会直接或间接导致事故的发生[2]。井下噪声对矿工的生理、心理和行为都会产生不同程度的影响[3]。噪声等级的不同对作业人员认知能力有着较大的影响[4]。在强噪声环境下作业人员的行为能力明显低于低噪声环境[5]。国外学者Rostam等人研究了不同噪声类型对认知绩效的影响[6]。李敏等人通过研究噪声引起的皮电、心率以及失败次数的变化，分析了噪声水平对注意力的影响[7]。景国勋等人研究了煤矿噪声对矿工行为的影响，结果表明噪声等级大于65 dB后，作业人员的行为可靠性降低[8]。张兰研究了环境噪声对儿童短时记忆力、注意力、阅读理解能力和计算能力等一系列认知活动的影响，表明儿童的主观烦恼度会随着声压级的增大而增加[9]。王翘秀研究发现任务难度越大，操作人员的认知行为越容易受到噪声干扰[10]。戚作秋等人研究表明高声压级生产性噪声导致被试烦躁、注意力分散，并对被试者的认知能力造成干扰[11]。随着人们对作业环境舒适度的要求逐渐提高，越来越多的学者开始研究噪声对人体生理心理及行为的影响，但关于噪声对生理指标与认知绩效指标的综合影响研究较少。因此，通过对被试者在不同噪声等级条件下的舒张压、收缩压、心率、心率变异性、平均反应时、出错数等指标进行测量研究，并对数据进行统计分析得出噪声等级对生理指标与认知绩效的影响规律[12]。

1 实验设计

1.1 实验对象和条件

选取20名被试者，均为男性，按实验测试顺序进行编号，依次标记为1～20。要求所选被试者身体健康，无精神病史，听觉无障碍，视力良好，无色盲、色弱症等，实验期间不得服用任何影响精神状态的药物等，实验前不得引用酒精、咖啡类饮品。

在综采综掘实训实验室进行模拟实验，利用YLY2.8型矿用防爆录音笔在山西长治某矿综采工作面采集混合噪声，通过高保真立体环绕音响播放并控制噪声的大小。在该矿测得综采工作面最高噪声等级达91.5 dB，根据《工业企业卫生标准》以及关于煤矿噪声的相关文献，将噪声等级设为35、55、75、95 dB 4种级别。由于研究的自变量为噪声等级，为避免其他环境因素对被试者产生影响，利用空调、加湿器等控制温湿度，将其他环境条件设为定值。

1.2 实验设计与过程

利用E-Prime软件对Stroop实验流程进行设计，其流程为指导语→练习阶段→过渡语→试验阶段→结束语。该实验的材料为4个代表颜色的单字（红、黄、绿、蓝），字体设置为黑体，分为字义与颜色一致和字义与颜色不一致2种条件，在不同噪声的等级条件下，要求被试忽略字义，对单字的颜色进行快速反应。实验过程中要求被试距离屏幕中央60 cm左右，标准键盘中的D、F、J、K键分别对应红色、蓝色、绿色、黄色。

具体实验步骤如下：①被试者提前30 min进入实验室，熟悉实验室环境，在所设置的噪声环境中适应20 min，同时阅读了解实验操作流程和实验要求；②利用MP150多导生理仪测量被试者心电指标，将电极片贴在被试者身体的相应部位，启动实验设备，实验过程中利用鱼跃牌电子血压计测量被试者的舒张压与收缩压；③计算机E-Prime界面会出现实验指导语，被试者按照指导语进行练习，系统会自动记录被试的反应时间和正确率，正确率达到95%之后方可进行正式实验；④实验结束后播放20 min旋律优美的轻音乐，缓解噪声对被试者的影响。

2 实验结果

实验数据自动保存在计算机中，通过MP150多导生理仪自带的计算机Acknowledge软件对心电数据进行初步处理，导出HR、HRV、R-R间期的数值进行分析。利用E-Prime自带数据处理软件EDataAid导出Stroop实验数据，对每组80个反应时数据取平均值，统计被试者的出错次数。最后利用Excel、Origin2018和SPSS19.0对数据分析。

2.1 不同等级噪声对生理指标的影响

2.1.1 不同等级噪声对收缩压和舒张压的影响

20名被试者在不同噪声等级条件下的收缩压、舒张压变化情况如图1。被试者的收缩压随噪声等级的增大呈先减小后增大的趋势，在安静环境（35 dB）下，被试者收缩压的平均值为115.9 mmHg，噪声为55 dB时，收缩压平均值为111.4 mmHg，噪声为75 dB时，收缩压平均值为116.125 mmHg，噪声为95 dB时，收缩压平均值为121.7 mmHg。由此可知，噪声等级在35～75 dB时收缩压先减后增，之后收缩压随噪声等级的增大而增大。被试者的舒张压随噪声等级的增大而减小，噪声为35 dB时，舒张压平均值为76.45 mmHg，噪声增大到95 dB时，舒张压平均值为66.5 mmHg。综上所述，噪声等级对被试者的收缩压和舒张压都产生了较为显著的影响。

图1 噪声等级与收缩压、舒张压的拟合图Fig.1 Fitting diagrams of noise level with systolic and diastolic blood pressure

对收缩压和舒张压随噪声等级的变化趋势进行方差分析并建立模型。噪声等级与收缩压函数模型参数如下：R2为0.213；F值为10.400；自由度1值为2；自由度2值为77；显著性为0；参数估算值常量为132.546；参数b1为-0.708；参数b2为0.006。噪声等级与收缩压显著性小于0.05。由此可得收缩压y1与噪声等级x之间的二元线性回归方程为：

y1=132.546-0.708x+0.006x2

噪声等级与舒张压函数模型参数如下:R方为0.209；F值为20.644；自由度1值为1；自由度2值为78；显著性为0；参数估算值常量为81.916；参数b1为－0.162。噪声等级与舒张压显著性小于0.05，具有统计意义。由此可得舒张压y2与噪声等级x之间的线性方程为：

y2=81.916-0.162x

2.1.2 不同等级噪声对心电指标的影响

将采集的心电信号数据绘制成图2，R-R间期平均值RRI和心率变异性HRV随着噪声的增大呈现减小的趋势，表明噪声增大，人的交感神经活性增高。心率HR随着噪声的增大而增大，噪声为35 dB时，20名被试者的心率平均值为86.1次/min，当噪声增加到95 dB时，心率平均值高达98.1次/min，由此可见噪声等级对被试者的心率变异产生了较大影响。

图2 不同噪声等级RRI、HRV和HR的变化Fig.2 Variation of RRI,HRV and HR in different noise levels

对心率变异性HRV随噪声等级变化的趋势进行线性回归分析并建立模型。不同噪声等级HRV的回归系数见表1。

表1 不同噪声等级HRV回归系数表Table 1 HRV regression coefficient table of different noise levels

由表1可知，常量和噪声的显著性均小于0.05，具有统计意义。由此可得不同噪声等级x与HRV拟合值y3之间的线性方程：

y3=0.874-0.001x

2.2 不同等级噪声对认知绩效的影响分析

对stroop实验中被试者的平均反应时和差错率进行统计分析如图3。由图3可知，随着噪声等级的增大，被试者的平均反应时和出错次数都不断增加。

图3 不同噪声等级下被试者平均反应时间和差错率指标的变化Fig.3 Changes of mean reaction time and error rate under different noise levels

根据被试者的平均出错次数n，由式（1）计算差错率F。

不同噪声等级对差错率的影响见表2。由表2可知，差错率由噪声为35 dB时的0.486%到噪声为95 dB时的3.611%，由此可知，不同噪声等级对被试者的差错率产生了较大的影响。

表2 不同噪声等级对差错率的影响Table 2 Effect of different noise levels on error rate

对被试者平均反应时随噪声等级的变化进行回归分析并建立模型。不同噪声等级平均反应时间的回归系数见表3。

表3 不同噪声等级平均反应时间回归系数表Table 3 Regression coefficients of average response time for different noise levels

由表3可知，常量和噪声显著性均小于0.05。具有统计意义。可得被试者平均反应时y与噪声等级x之间的方程为：

y=51.049+0.153x

3 结 语

从生理指标来看，噪声对收缩压、舒张压和心率变异性都有较大影响，收缩压在噪声等级为35～75 dB之间随着噪声等级的增大呈先减后增的趋势，噪声等级大于75 dB时，收缩压逐渐增大。人耳相对较适应50～70 dB的环境噪声，噪声等级较大或较小时容易导致人的紧张或焦虑，进而导致收缩压增大。舒张压随着噪声等级的增大而减小，噪声等级增大时，RRI和HRV均减小，被试者交感神经活性增强，心率HR随之增大。从认知绩效指标来看，随着噪声等级的增大，被试者平均反应时和差错率都逐渐增大。受噪声等级的影响，被试者注意力下降，反应时间加长，差错率增大，表明噪声等级对被试者的认知绩效有着显著的影响。通过回归分析建立不同噪声等级与各指标的模型，量化噪声等级与生理指标、认知绩效的关系，为监测煤矿工人的生理状况与行为能力提供理论支持，为保障工人身心健康和生产安全进行提供科学依据。