一种脑力劳动工作状态下的声环境质量判定方法
阅读说明：本技术 一种脑力劳动工作状态下的声环境质量判定方法 (Sound environment quality judgment method in mental labor working state ) 是由 马蕙 陈静 王超 于 2021-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种脑力劳动工作状态下的声环境质量判定方法,包括采集人群处于复杂认知即脑力劳动工作状态时空间环境的声音信号；把采集到的声音信号转换为数字信号,进行L-(10),L-(10)-L-(90)和是否有突发噪声三个指标参量的计算、识别,包括：计算指标参量L-(10)的值,计算指标参量L-(10)-L-(90)的值和识别指标参量是否有突发噪声的值为“是”或“否”；(3)对声音环境进行质量判定。本发明解决了传统以单一等效连续A声级(L-(Aeq))衡量声环境质量与人实际感受差距大,衡量结果误差大的问题；解决了用表征空间信息的指标衡量声环境质量需要大量人力、设备,测量难度大的问题,解决了用空间信息指标衡量声环境质量受空间局限的问题。(The invention discloses a sound environment quality judgment method in a brain work working state, which comprises the steps of collecting sound signals of a space environment when a crowd is in a complex cognition, namely, the brain work working state; converting the collected sound signal into digital signal for L 10 ，L 10 ‑L 90 And whether there are computation, recognition of three index parameters of the burst noise, including: calculating an index parameter L 10 Is calculated as the index parameter L 10 ‑L 90 And the value for identifying whether the index parameter has burst noise is "yes" or "no"; (3) and performing quality judgment on the sound environment. The invention solves the problem that the traditional single equivalent continuous A sound level (L) Aeq ) The quality of the measured sound environment is large in difference with the actual feeling of people, and the error of the measurement result is large; solves the problems that the quality of the acoustic environment measured by the index for representing the spatial information needs a large amount of manpower and equipment and the measurement difficulty is large, and solves the problem of using airThe inter-information index measures the problem that the sound environment quality is limited by space.)
技术领域
本发明属于声环境质量监测领域，具体为判定人群处于复杂认知工作状态时声环境质量的方法。在本发明方法的基础上可以建立声环境监测系统，用于确定声环境是否适合人群进行复杂的认知工作。
背景技术
声环境质量监测是城市噪声控制的必要组成部分，通过预测声环境质量达到及时采取控制措施的目的。长期以来，工作时声环境质量的判定均以不影响认知绩效为目标，在认知绩效导向下，等效连续A声级(LAeq)是衡量声环境质量、预测声环境负面影响的主要指标。在GB 3096-2008《声环境质量标准》中，不同功能区中(如，行政办公区，商业金融区，工业生产区)均使用LAeq为声环境质量的衡量指标。国标中以LAeq来衡量声环境质量对于比较不同区域的噪声水平是有利的，但它缺乏考虑了不同场所中的特异性，不同场所中人群状态不同，对声环境的需求会有所差异。因而，使用有针对性的衡量指标可以使具体场景下的声环境质量判定的准确性更高，更有效。
人群在工作环境中，尤其是以脑力劳动为主的复杂认知工作环境中，在认知绩效导向下，常规衡量声环境质量的指标除LAeq外，还常用表征空间信息的指标。如，ISO国际标准《开放式办公室声环境测量标准(ISO3382-3:2012)》和GB/T36075.3-2018《声学室内声学参数测量第3部分：开放式办公室》中均使用言语声空间衰减率D2.S、声源4m处A声级Lp.A.S.4m、分心距离rD、最近工位处STI和私密距离rp来衡量声环境质量。
然而，以LAeq和表征空间信息为主的指标在衡量工作状态下声环境质量上存在以下问题：
(1)LAeq为等效连续A声级，指在规定测量时间T内A声级能量的平均值。对于连续的稳态噪声，它是一种较好的评价方法，但对于办公场所中不可控的起伏噪声，其衡量效果下降，并不能完全代表人在该状态下对声音感受的主观感觉。例如，在工作时，环境中出现了一个短暂的突发声，将短暂突发声的能量平均在整个测量时间T内时，并不会引起LAeq明显的改变，但短暂的突发的声音明显会打断人群的工作思路，同时引发心跳加速，引起人的不舒适感，因而，以LAeq作为判定声环境质量的指标显得单薄，无法适用。本技术采用的测量指标L10能更好的反映一段时间内声音信息给人带来的冲击效应，与人在工作状态下主观听觉更吻合；L10-L90主要反映声音的随时间的变异性，能更好地反映声音信号随着时间变化而带给人的影响；同时是否存在突发噪声则反映了人群在工作时思路是否会被打断。以上三个指标相结合的方式可以有效衡量复杂认知工作状态下的声环境质量。
(2)表征空间信息的指标，即：言语声空间衰减率D2.S、声源4m处A声级Lp.A.S.4m、分心距离rD、最近工位处STI、私密距离rp，在测量时需要大量的仪器设备，测量难度大。在人群正常工作时测量会干扰空间中人群正常工作，因而常规均采取空场测量，测量时存在两方面的问题：一方面空场测量时噪声是人工播放的，与实际存在差异；另一方面，在测量时需携带大量的仪器和设备，且无法单人完成。本技术采用的测量指标均可以单人操作单个仪器获取，大大节省了测量的成本和人力。
(3)现阶段，上述表征空间信息的指标在选取和测量时均以衡量开放办公空间这一典型空间的声环境质量为目标，因而其适用范围有局限。现实中，人群可能在多种多样的地点和空间中进行复杂认知工作，提出不受空间局限的衡量指标和衡量方法尤为必要。本技术采用的衡量指标以人群工作状态为出发点，不聚焦于空间指标，具有广泛的适用性；同时，所采取的衡量方法不仅考虑了认知/行为因素，还考虑了人群的非负身心感受和积极感受，以此指导而建立的衡量方法更有效，更接近人群真实需求，同时更符合健康中国的大背景。
针对传统的使用等效连续A声级(LAeq)和表征空间信息的指标(言语声空间衰减率D2.S、声源4m处A声级Lp.A.S.4m、分心距离rD，最近工位处STI、私密距离rp)进行声环境质量等级判定方法存在的缺陷，人们希望开发一种新的，广泛适用于衡量复杂认知工作状态下声环境质量的便捷、有效方法，以克服现有技术的不足。
累积百分声级LN用于评价测量时间段内噪声强度时间统计分布特征的指标，指占测量时间段一定比例的累积时间内A声级的最小值，单位为dB(A)。具体的指标累积百分声级有L10和L90。具体来说，在测量时间内有10％的时间A声级超过的值，即噪声的平均峰值L10，在众多表征暴露水平的指标中被证明与复杂认知工作状态下声环境对人的影响联系最为紧密，因为其能反映一段时间内声音信息给人带来的冲击效应，因而能更好的反应人在该状态下对声环境的感受。L90反应了一段时间内声音片段的背景声水平，其物理意义为：在测量时间内有90％的时间A声级超过的值，即噪声的平均本底值L90。因而，L10-L90表征了一段时间内声音的变异性，能更好地反映声音信号随着时间变化带个人的影响。Axelsson等人2010年在文章[A principal components model of soundscape perception]中发现，当L10-L90的值较大时，人群对城市声景感知的愉悦度下降，事件感上升。而事件感的上升对认知绩效和心理感受均有负面的作用，因而该指标可以用于评价复杂认知工作状态下声环境质量。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种脑力劳动工作状态下的声环境质量判定方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种脑力劳动工作状态下的声环境质量判定方法，包括以下步骤：
步骤一、采集人群处于脑力劳动工作状态下空间环境的声音信号；
步骤二、将步骤一采集到的声音信号转换为数字信号，提取衡量脑力劳动工作状态下声环境质量的指标参量并判断指标参量是否有突发噪声；指标参量包括L10，L90和L10-L90；
步骤三、确定声环境质量；首先判断指标参量L10的范围，其次根据L10的范围，确定进一步需要考察的指标，具体如下：
当L10＜50dB(A)时，判定结束，声环境质量为一级；
当50≤L10≤60dB(A)时，进一步考察指标参量是否有突发噪声的值；当指标参量是否有突发噪声为“否”时，判定结束，声环境质量为二级；当指标参量是否有突发噪声为“是”时，判定结束，声环境质量为三级；
当L10＞60dB(A)时，进一步考察指标参量L10-L90的值；当指标参量L10-L90≤12dB(A)时，判定结束，声环境质量为三级；当指标参量L10-L90＞12dB(A)时，判定结束，声环境质量为四级。
进一步的，步骤一中，采集点设在人群从事脑力劳动工作环境下距离最边缘就坐人位置的1-3米处，且距离墙体直线距离大于等于1.5米，距离地面1.2米高；采集时间为大于5分钟，最长时间小于1小时。
进一步的，步骤二中，指标参量L10和L10-L90以及是否有突发噪声三个指标要求为整体判定单位；指标参量L10和L10-L90均根据瞬时A声级(瞬时A声级用指标L表示)统计计算而来；L10为在测量时间内有10％的时间A声级超过的值，即噪声的平均峰值，单位为dB(A)，反映一段时间内声音信息给人带来的累积冲击效应；指标参量LA90为在测量时间内有90％的时间A声级超过的值，即噪声的平均本底值，单位为dB(A)；指标参量L10-L90为L10与L90的差值，单位为dB(A)，反映一段时间内声音随时间的变异性；突发噪声是指突然发生、持续时间短、强度高的噪声；包括手机铃声、装修声、硬质材料掉落声、室外传到室内的汽车鸣笛声、工程爆破声。
进一步的，步骤三中，声环境质量由“脑力劳动工作状态下，人群对健康声环境需求量表”判定，需求量表包含三个维度，分别是：(1)认知/行为需求；(2)非负身心感受；(3)积极感受；
认知/行为需求含两项衡量题目，包括：1)当前的声环境不会增加我完成手头任务的时间；2)当前的声环境不会打断我工作的思路；
非负身心感受含三项衡量题目，分别是：1)当前声环境没有使我心脏揪得很紧；2)当前声环境没有突然的惊吓，不会引起我心脏快速的跳动；3)当前声环境不会使我感到恐惧，或不安全；
积极感受包含三项衡量题目，分别是：1)当前声环境使我感到放松；2)当前声环境使我感到舒适；3)当前声环境是有正能量的，积极的；
以上8个题目均以七尺度衡量，从完全不满足(-3分)，比较不满足(-2分)，有一点不满足(-1分)，中立(0分)，有一点满足(1分)，比较满足(2分)到完全满足(3分)；最终，以认知/行为需求，非负身心感受和积极感受三个维度被满足程度的平均分作为声环境质量。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明首次采用L10，L10-L90，和突发噪声来判定脑力劳动工作状态下的声环境质量，使得判定的结果更加准确，更能满足人群多方面的需求。这主要体现在两个方面；
第一方面，等效连续A声级(LAeq)，指在规定测量时间T内A声级能量的平均值。对于连续的稳态噪声，它是一种较好的评价方法，但对于办公场所中不可控的起伏噪声，其衡量效果下降，并不能完全代表人在该状态下对声音感受的主观感觉。例如，在工作时，环境中出现了一个短暂的突发声，将短暂突发声的能量平均在整个测量时间T内时，并不会引起LAeq明显的改变，但短暂的突发的声音明显会打断人群的工作思路，同时引发心跳加速，引起人的不舒适感，因而，以LAeq作为判定声环境质量的指标显得单薄，无法适用。本技术采用的测量指标L10能更好的反映一段时间内声音信息给人带来的冲击效应，与人在工作状态下主观听觉更吻合；L10-L90主要反映声音的随时间的变异性，能更好地反映声音信号随着时间变化而带给人的影响；同时是否存在突发噪声则反映了人群在工作时思路是否会被打断。以上三个指标相结合的方式可以有效衡量脑力劳动工作状态下的声环境质量，使得判定结果更加准确。
第二方面，长期以来，工作时声环境质量的判定均以不影响认知绩效为目标，使用等效连续A声级(LAeq)来衡量声环境质量。因为本发明不仅考虑了人群的认知绩效，还考虑了人群的非负身心感受和积极感受。这使得声环境质量判定的结果更能满足人群多方面的需求，因而也更准确。
2.本发明首次采用L10，L10-L90来判定脑力劳动工作状态下的声环境质量，以上指标的测量相对于现阶段最常使用的表征空间信息的指标(言语声空间衰减率D2.S、声源4m处A声级Lp.A.S.4m、分心距离rD、最近工位处STI、私密距离rp)在测量时具有更高便捷性。而在测量上述表征空间信息的指标时，需要多种仪器设备(如：发令枪，电脑，麦克风，声级计等)，测量需多人同时参与配合。在人群正常工作时测量会干扰空间中人群正常工作，因而常规均采取空场测量，空场测量时噪声是人工播放的，与实际存在差异。综上，本技术采用的测量指标均可以单人操作单个仪器获取，节省了测量的成本和人力。
3.本发明首次采用L10，L10-L90，和突发噪声来判定脑力劳动工作状态下的声环境质量，指标的适用范围更广泛。而表征空间信息的指标(言语声空间衰减率D2.S、声源4m处A声级Lp.A.S.4m、分心距离rD、最近工位处STI、私密距离rp)在选取时均以衡量开放办公空间这一典型空间的声环境质量为目标，因而其适用范围有局限。本发明首次采用L10，L10-L90，和突发噪声三个指标来衡量人群在脑力劳动这一典型状态下的声环境质量，以状态为出发点，不局限于具体的空间中，这使得本发明的方法相对先前具有更广泛的适用性。
4.本发明首次采用L10，L10-L90，和突发噪声来判定脑力劳动工作状态下的声环境质量，并根据人群在脑力劳动下对声环境的需求给出了以上指标的具体限值(结合图2)，为噪声政策的制定者，以及企业管理人提供声环境质量判定的数值依据。
5.本发明还涉及到指标是否有突发噪声。突发噪声是指突然发生，持续时间较短，强度较高的噪声。在本发明中特指人群在脑力劳动工作中最常出现的噪声，如手机铃声、装修声、硬质材料(如保温杯)掉落声、室外传到室内的汽车鸣笛声、工程爆破声等。现有研究、政策中虽曾涉及到该指标，但该指标为首次被用于判定脑力劳动工作状态下声环境的质量，同时，以上三个指标需共同作用，因而为整体判定单位，以有效的衡量脑力劳动工作状态下声环境的质量。
6.在本发明方法的基础上可以建立脑力劳动工作状态下声环境质量等级的监测系统。在脑力劳动工作状态下，目前还没有相关监测系统，以本发明中的方法建立监测系统，供噪声政策的制定者，以及企业管理人提供直观的声环境质量判定结果。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是指标参量L10，L10-L90和是否有突发噪声与声环境质量(以认知/行为需求，非负身心感受和积极感受三个维度被满足程度的平均分)的关系曲线。
具体实施方式
复杂认知也即脑力劳动工作状态下声环境质量的等级有：一级指：认知/行为需求、非负身心感受和积极感受三个维度被满足程度的平均分大于0，即非常适合做脑力劳动工作的声环境；二级指：认知/行为需求、非负身心感受和积极感受三个维度被满足程度的平均分在0上下波动，落在0分以上的概率较大，比较适合做脑力劳动工作，如果运用在监测中，该声环境应该引起注意，必要时候及时干预，防止声环境质量向第三等级发展；三级指：认知/行为需求、非负身心感受和积极感受三个维度被满足程度的平均分在0上下波动，落在0分以下的概率较大，声环境比较不合适做脑力劳动工作，如果运用在监测中，需要及时干预，以满足人群做脑力劳动工作的需求；四级指：认知/行为需求、非负身心感受和积极感受三个维度被满足程度的平均分小于0，即声环境已非常不适合做脑力劳动工作，如果运用在监测中，需要立即干预。
维度：指验证声环境质量使用量表中包含的三个方面。本发明包含三个维度，分别是：(1)认知/行为需求；(2)非负身心感受；(3)积极感受。三个维度共包含8项题目。认知/行为需求含两项衡量题目，包括：1)当前的声环境不会增加我完成手头任务的时间；2)当前的声环境不会打断我工作的思路。非负身心感受含三项衡量题目，分别是：1)当前声环境没有使我心脏揪得很紧；2)当前声环境没有突然的惊吓，不会引起我心脏快速的跳动；3)当前声环境不会使我感到恐惧，或不安全。积极感受包含三项衡量题目，分别是：1)当前声环境使我感到放松；2)当前声环境使我感到舒适；3)当前声环境是有正能量的，积极的。以上8个题目均以七尺度衡量，从完全不满足(-3分)，比较不满足(-2分)，有一点不满足(-1分)，中立(0分)，有一点满足(1分)，比较满足(2分)到完全满足(3分)。对不同等级声环境质量，其维度被满足程度的平均分与指标参量的数值变化规律进行统计分析：不同等级声环境质量维度被满足程度的平均分与指标参量的数值变化规律应该具有比较明显的规律性，即：同一等级的声环境质量维度被满足程度的平均分，其对应的指标参量的值应该具有相似性，不同等级的声环境质量维度被满足程度的平均分，其对应的指标参量的值应该具有差异性。
指标参量：对声音信号的诸多声学指标进行分析，得到的表征声环境质量的物理量。本发明选用的指标参量有三个：L10，L10-L90和是否有突发噪声。L10表征的是在测量时间内噪声暴露水平的平均峰值。L10-L90表征的是声环境随时间的变异性。是否有突发噪声则表征暴露水平和时间特性的综合效应；突发噪声指突然发生、持续时间较短、强度高的噪声。其中，L10和L10-L90的单位为dB(A)，是否有突发噪声为名义变量，无单位。
本发明是用于判定脑力劳动工作状态下声环境质量的方法，由于不同等级声环境质量维度被满足程度的平均分与指标参量的数值变化规律具有比较明显的差异性，所以对指标参量的值进行区分可以用于衡量脑力劳动工作状态下声环境的质量。
本发明是脑力劳动工作状态下基于L10，L10-L90和突发噪声的一种声环境质量判定方法，见图1，包括步骤：
步骤一、采集人群处于脑力劳动工作状态下空间环境的声音信号。采集点设在人群从事脑力劳动工作地点距离最边缘就坐人位置的1-3米处，且距离墙体直线距离不小于1.5米，距离地面1.2米高；采集时间为不少于5分钟，最长时间建议不超过1小时；采集点附近应没有大的反射面；所用的采集声音信号的设备为数字录音机或相同功能的录音设备，如所用录音设备为双通道或多通道，则取其通道数的均值，采样频率为44.1kHz。
步骤二、把步骤一采集到的声音信号转换为数字信号，提取衡量脑力劳动工作状态下声环境质量的指标参量，包括：L10，L10-L90和是否有突发噪声。L10，L10-L90的值可选择自行计算，或用使用集成软件计算。
自行计算L10，L10-L90的方法：指标L的采样序列记为A＝(A1，A2，…，Ai，…An)，其中Ai为第i个采样点，n为采样点总个数。对指标L上述采样序列中的所有采样点的数据进行统计，获得L的总数据个数n，以从大到小的顺序将A1，A2，…，Ai，…An排列，从大到小，第0.1*n个数据为L10的值；从大到小，第0.9*n个数据为L90的值；L10与L90的差值即为L10-L90的值。
突发噪声的识别方法：选取不少于3人的奇数人数，在消声室、半消声室或听音室中对采集到的声音信号进行听音，选取的听音者需无听力障碍，共同判断声音片段中是否存在突发噪声，结果以多数人认定的结果为最终结果，判定结果为：“是”或“否”。
步骤三、确定声环境质量。
在步骤三中，首先判断由步骤二提取的指标参量L10值的范围，其次根据L10的范围，确定进一步需要考察的指标，具体如下：
当L10＜50dB(A)时，判定结束，声环境质量为一级；
当50≤L10≤60dB(A)时，进一步考察指标参量是否有突发噪声的值。当指标参量是否有突发噪声为“否”时，判定结束，声环境质量为二级；当指标参量是否有突发噪声为“是”时，判定结束，声环境质量为三级；
当L10＞60dB(A)时，进一步考察指标参量L10-L90的值。当指标参量L10-L90≤12dB(A)时，判定结束，声环境质量为三级；当指标参量L10-L90＞12dB(A)时，判定结束，声环境质量为四级。
本发明首次采用L10，L10-L90，和突发噪声来判定脑力劳动工作状态下的声环境质量，并根据人群在脑力劳动下对声环境的需求给出了以上指标的具体限值，为噪声政策的制定者，以及企业管理人提供声环境质量判定的数值依据。具体可见图2，该图是声环境质量等级分为4个等级的依据，看点的位置分的等级。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
步骤一：所判定的为某国企开放办公空间中人群进行脑力劳动工作状态时，声环境的质量。采集一段人群处于脑力劳动工作状态时，该开放办公空间的声环境信号，时长5分钟；采集点设在该开放办公空间距离地面1.2米高的过道处；采集点距离空间中最边缘就坐者1.5米处；采集点距离墙体直线距离远大于1.5米，周围无大的反射面；所用的采集声音信号的设备为双通道声音信号采集耳机(型号Head BHSII/SQoBold，海德声科贸易(上海)有限公司)，采样频率为44.1kHz。
步骤二：把采集到的声音信号转换为数字信号，提取衡量脑力劳动工作状态下声环境质量的三个指标参量，包括：L10，L10-L90和是否有突发噪声。
指标参量L10，L10-L90的值采用集成软件ArtemiS(海德声科贸易(上海)有限公司)计算。通过计算，LL10＝56.58，LR10＝56.40，取均值后L10＝56.49dB(A)；LL90＝53.17，LR90＝52.81，取均值后L90＝52.99dB(A)；L10-L90＝3.50dB(A)。
是否有突发噪声的识别方法：选取3人在半消声室中对采集到的声音信号进行听音，选取3人均无听力障碍，共同判断所属声音片段中是否存在突发噪声，3人的判断结果均为：否。
步骤三、确定声环境质量。
首先判断由步骤二提取的指标参量L10值的范围，其次根据L10的范围，确定进一步需要考察的指标，由于L10＝56.49dB(A)，属于区间50≤L10≤60dB(A)，因而进一步考察指标参量是否有突发噪声的值，指标参量是否有突发噪声的值为“否”，判定结束，声环境质量为二级。当前声环境比较适合做脑力劳动工作。
实施例2：
步骤一：所判定的为某学校一封闭小型办公室中人群进行脑力劳动工作状态时，声环境的质量。采集一段人群处于脑力劳动工作状态时，该开放办公空间的声环境信号，时长5分钟；采集点设在该开放办公空间距离地面1.2米高的过道处；距离最近就坐人1米处；采集点距离墙体直线距离1.8米，周围无大的反射面；所用的采集声音信号的设备为双声道声音信号采集耳机(型号Head BHSII/SQoBold，海德声科贸易(上海)有限公司)，它的采样频率为44.1kHz。
步骤二：把采集到的声音信号转换为数字信号，提取预测脑力劳动工作状态下声环境质量的三个指标参量，包括：L10，L10-L90和是否有突发噪声。
指标参量L10，L10-L90的值采用集成软件ArtemiS(海德声科贸易(上海)有限公司)计算。通过计算，LL10＝,LR10＝，取均值后L10＝73.14dB(A)；LL90＝,LR90＝，取均值后L90＝46.90dB(A)；L10-L90＝24.24dB(A)。
步骤三、确定声环境质量。
首先判断由步骤二提取的指标参量L10值的范围，由于L10＝73.14dB(A)，大于60dB(A)，因而进一步考察指标参量L10-L90的值，指标参量L10-L90＝24.24dB(A)，判定结束，声环境质量为四级，该声环境已非常不合适做脑力劳动工作。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
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