基于生理指標(biāo)的噪聲對(duì)作業(yè)人員認(rèn)知績(jī)效的影響研究

景國(guó)勛，王 敏

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.安陽(yáng)工學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

隨著現(xiàn)代化企業(yè)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，生產(chǎn)機(jī)械化程度越來(lái)越高，機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的不同強(qiáng)度的噪聲，對(duì)作業(yè)人員的身心健康會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。噪聲強(qiáng)度增大會(huì)使人產(chǎn)生疲勞癥狀，導(dǎo)致注意力不集中，反應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)，失誤率增加，進(jìn)而使作業(yè)人員出現(xiàn)不安全行為的概率增大[1]。煤礦高強(qiáng)度噪聲污染會(huì)對(duì)礦工身體產(chǎn)生特異性和非特異性危害，也會(huì)直接或間接導(dǎo)致事故的發(fā)生[2]。井下噪聲對(duì)礦工的生理、心理和行為都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響[3]。噪聲等級(jí)的不同對(duì)作業(yè)人員認(rèn)知能力有著較大的影響[4]。在強(qiáng)噪聲環(huán)境下作業(yè)人員的行為能力明顯低于低噪聲環(huán)境[5]。國(guó)外學(xué)者Rostam等人研究了不同噪聲類型對(duì)認(rèn)知績(jī)效的影響[6]。李敏等人通過(guò)研究噪聲引起的皮電、心率以及失敗次數(shù)的變化，分析了噪聲水平對(duì)注意力的影響[7]。景國(guó)勛等人研究了煤礦噪聲對(duì)礦工行為的影響，結(jié)果表明噪聲等級(jí)大于65 dB后，作業(yè)人員的行為可靠性降低[8]。張?zhí)m研究了環(huán)境噪聲對(duì)兒童短時(shí)記憶力、注意力、閱讀理解能力和計(jì)算能力等一系列認(rèn)知活動(dòng)的影響，表明兒童的主觀煩惱度會(huì)隨著聲壓級(jí)的增大而增加[9]。王翹秀研究發(fā)現(xiàn)任務(wù)難度越大，操作人員的認(rèn)知行為越容易受到噪聲干擾[10]。戚作秋等人研究表明高聲壓級(jí)生產(chǎn)性噪聲導(dǎo)致被試煩躁、注意力分散，并對(duì)被試者的認(rèn)知能力造成干擾[11]。隨著人們對(duì)作業(yè)環(huán)境舒適度的要求逐漸提高，越來(lái)越多的學(xué)者開始研究噪聲對(duì)人體生理心理及行為的影響，但關(guān)于噪聲對(duì)生理指標(biāo)與認(rèn)知績(jī)效指標(biāo)的綜合影響研究較少。因此，通過(guò)對(duì)被試者在不同噪聲等級(jí)條件下的舒張壓、收縮壓、心率、心率變異性、平均反應(yīng)時(shí)、出錯(cuò)數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量研究，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出噪聲等級(jí)對(duì)生理指標(biāo)與認(rèn)知績(jī)效的影響規(guī)律[12]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和條件

選取20名被試者，均為男性，按實(shí)驗(yàn)測(cè)試順序進(jìn)行編號(hào)，依次標(biāo)記為1～20。要求所選被試者身體健康，無(wú)精神病史，聽覺無(wú)障礙，視力良好，無(wú)色盲、色弱癥等，實(shí)驗(yàn)期間不得服用任何影響精神狀態(tài)的藥物等，實(shí)驗(yàn)前不得引用酒精、咖啡類飲品。

在綜采綜掘?qū)嵱?xùn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，利用YLY2.8型礦用防爆錄音筆在山西長(zhǎng)治某礦綜采工作面采集混合噪聲，通過(guò)高保真立體環(huán)繞音響播放并控制噪聲的大小。在該礦測(cè)得綜采工作面最高噪聲等級(jí)達(dá)91.5 dB，根據(jù)《工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》以及關(guān)于煤礦噪聲的相關(guān)文獻(xiàn)，將噪聲等級(jí)設(shè)為35、55、75、95 dB 4種級(jí)別。由于研究的自變量為噪聲等級(jí)，為避免其他環(huán)境因素對(duì)被試者產(chǎn)生影響，利用空調(diào)、加濕器等控制溫濕度，將其他環(huán)境條件設(shè)為定值。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

利用E-Prime軟件對(duì)Stroop實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，其流程為指導(dǎo)語(yǔ)→練習(xí)階段→過(guò)渡語(yǔ)→試驗(yàn)階段→結(jié)束語(yǔ)。該實(shí)驗(yàn)的材料為4個(gè)代表顏色的單字（紅、黃、綠、藍(lán)），字體設(shè)置為黑體，分為字義與顏色一致和字義與顏色不一致2種條件，在不同噪聲的等級(jí)條件下，要求被試忽略字義，對(duì)單字的顏色進(jìn)行快速反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求被試距離屏幕中央60 cm左右，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤中的D、F、J、K鍵分別對(duì)應(yīng)紅色、藍(lán)色、綠色、黃色。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①被試者提前30 min進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，熟悉實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，在所設(shè)置的噪聲環(huán)境中適應(yīng)20 min，同時(shí)閱讀了解實(shí)驗(yàn)操作流程和實(shí)驗(yàn)要求；②利用MP150多導(dǎo)生理儀測(cè)量被試者心電指標(biāo)，將電極片貼在被試者身體的相應(yīng)部位，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用魚躍牌電子血壓計(jì)測(cè)量被試者的舒張壓與收縮壓；③計(jì)算機(jī)E-Prime界面會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)，被試者按照指導(dǎo)語(yǔ)進(jìn)行練習(xí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄被試的反應(yīng)時(shí)間和正確率，正確率達(dá)到95%之后方可進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)；④實(shí)驗(yàn)結(jié)束后播放20 min旋律優(yōu)美的輕音樂，緩解噪聲對(duì)被試者的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)MP150多導(dǎo)生理儀自帶的計(jì)算機(jī)Acknowledge軟件對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，導(dǎo)出HR、HRV、R-R間期的數(shù)值進(jìn)行分析。利用E-Prime自帶數(shù)據(jù)處理軟件EDataAid導(dǎo)出Stroop實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)每組80個(gè)反應(yīng)時(shí)數(shù)據(jù)取平均值，統(tǒng)計(jì)被試者的出錯(cuò)次數(shù)。最后利用Excel、Origin2018和SPSS19.0對(duì)數(shù)據(jù)分析。

2.1 不同等級(jí)噪聲對(duì)生理指標(biāo)的影響

2.1.1 不同等級(jí)噪聲對(duì)收縮壓和舒張壓的影響

20名被試者在不同噪聲等級(jí)條件下的收縮壓、舒張壓變化情況如圖1。被試者的收縮壓隨噪聲等級(jí)的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，在安靜環(huán)境（35 dB）下，被試者收縮壓的平均值為115.9 mmHg，噪聲為55 dB時(shí)，收縮壓平均值為111.4 mmHg，噪聲為75 dB時(shí)，收縮壓平均值為116.125 mmHg，噪聲為95 dB時(shí)，收縮壓平均值為121.7 mmHg。由此可知，噪聲等級(jí)在35～75 dB時(shí)收縮壓先減后增，之后收縮壓隨噪聲等級(jí)的增大而增大。被試者的舒張壓隨噪聲等級(jí)的增大而減小，噪聲為35 dB時(shí)，舒張壓平均值為76.45 mmHg，噪聲增大到95 dB時(shí)，舒張壓平均值為66.5 mmHg。綜上所述，噪聲等級(jí)對(duì)被試者的收縮壓和舒張壓都產(chǎn)生了較為顯著的影響。

圖1 噪聲等級(jí)與收縮壓、舒張壓的擬合圖Fig.1 Fitting diagrams of noise level with systolic and diastolic blood pressure

對(duì)收縮壓和舒張壓隨噪聲等級(jí)的變化趨勢(shì)進(jìn)行方差分析并建立模型。噪聲等級(jí)與收縮壓函數(shù)模型參數(shù)如下：R2為0.213；F值為10.400；自由度1值為2；自由度2值為77；顯著性為0；參數(shù)估算值常量為132.546；參數(shù)b1為-0.708；參數(shù)b2為0.006。噪聲等級(jí)與收縮壓顯著性小于0.05。由此可得收縮壓y1與噪聲等級(jí)x之間的二元線性回歸方程為：

y1=132.546-0.708x+0.006x2

噪聲等級(jí)與舒張壓函數(shù)模型參數(shù)如下:R方為0.209；F值為20.644；自由度1值為1；自由度2值為78；顯著性為0；參數(shù)估算值常量為81.916；參數(shù)b1為－0.162。噪聲等級(jí)與舒張壓顯著性小于0.05，具有統(tǒng)計(jì)意義。由此可得舒張壓y2與噪聲等級(jí)x之間的線性方程為：

y2=81.916-0.162x

2.1.2 不同等級(jí)噪聲對(duì)心電指標(biāo)的影響

將采集的心電信號(hào)數(shù)據(jù)繪制成圖2，R-R間期平均值RRI和心率變異性HRV隨著噪聲的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，表明噪聲增大，人的交感神經(jīng)活性增高。心率HR隨著噪聲的增大而增大，噪聲為35 dB時(shí)，20名被試者的心率平均值為86.1次/min，當(dāng)噪聲增加到95 dB時(shí)，心率平均值高達(dá)98.1次/min，由此可見噪聲等級(jí)對(duì)被試者的心率變異產(chǎn)生了較大影響。

圖2 不同噪聲等級(jí)RRI、HRV和HR的變化Fig.2 Variation of RRI,HRV and HR in different noise levels

對(duì)心率變異性HRV隨噪聲等級(jí)變化的趨勢(shì)進(jìn)行線性回歸分析并建立模型。不同噪聲等級(jí)HRV的回歸系數(shù)見表1。

表1 不同噪聲等級(jí)HRV回歸系數(shù)表Table 1 HRV regression coefficient table of different noise levels

由表1可知，常量和噪聲的顯著性均小于0.05，具有統(tǒng)計(jì)意義。由此可得不同噪聲等級(jí)x與HRV擬合值y3之間的線性方程：

y3=0.874-0.001x

2.2 不同等級(jí)噪聲對(duì)認(rèn)知績(jī)效的影響分析

對(duì)stroop實(shí)驗(yàn)中被試者的平均反應(yīng)時(shí)和差錯(cuò)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如圖3。由圖3可知，隨著噪聲等級(jí)的增大，被試者的平均反應(yīng)時(shí)和出錯(cuò)次數(shù)都不斷增加。

圖3 不同噪聲等級(jí)下被試者平均反應(yīng)時(shí)間和差錯(cuò)率指標(biāo)的變化Fig.3 Changes of mean reaction time and error rate under different noise levels

根據(jù)被試者的平均出錯(cuò)次數(shù)n，由式（1）計(jì)算差錯(cuò)率F。

不同噪聲等級(jí)對(duì)差錯(cuò)率的影響見表2。由表2可知，差錯(cuò)率由噪聲為35 dB時(shí)的0.486%到噪聲為95 dB時(shí)的3.611%，由此可知，不同噪聲等級(jí)對(duì)被試者的差錯(cuò)率產(chǎn)生了較大的影響。

表2 不同噪聲等級(jí)對(duì)差錯(cuò)率的影響Table 2 Effect of different noise levels on error rate

對(duì)被試者平均反應(yīng)時(shí)隨噪聲等級(jí)的變化進(jìn)行回歸分析并建立模型。不同噪聲等級(jí)平均反應(yīng)時(shí)間的回歸系數(shù)見表3。

表3 不同噪聲等級(jí)平均反應(yīng)時(shí)間回歸系數(shù)表Table 3 Regression coefficients of average response time for different noise levels

由表3可知，常量和噪聲顯著性均小于0.05。具有統(tǒng)計(jì)意義?？傻帽辉囌咂骄磻?yīng)時(shí)y與噪聲等級(jí)x之間的方程為：

y=51.049+0.153x

3 結(jié) 語(yǔ)

從生理指標(biāo)來(lái)看，噪聲對(duì)收縮壓、舒張壓和心率變異性都有較大影響，收縮壓在噪聲等級(jí)為35～75 dB之間隨著噪聲等級(jí)的增大呈先減后增的趨勢(shì)，噪聲等級(jí)大于75 dB時(shí)，收縮壓逐漸增大。人耳相對(duì)較適應(yīng)50～70 dB的環(huán)境噪聲，噪聲等級(jí)較大或較小時(shí)容易導(dǎo)致人的緊張或焦慮，進(jìn)而導(dǎo)致收縮壓增大。舒張壓隨著噪聲等級(jí)的增大而減小，噪聲等級(jí)增大時(shí)，RRI和HRV均減小，被試者交感神經(jīng)活性增強(qiáng)，心率HR隨之增大。從認(rèn)知績(jī)效指標(biāo)來(lái)看，隨著噪聲等級(jí)的增大，被試者平均反應(yīng)時(shí)和差錯(cuò)率都逐漸增大。受噪聲等級(jí)的影響，被試者注意力下降，反應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)，差錯(cuò)率增大，表明噪聲等級(jí)對(duì)被試者的認(rèn)知績(jī)效有著顯著的影響。通過(guò)回歸分析建立不同噪聲等級(jí)與各指標(biāo)的模型，量化噪聲等級(jí)與生理指標(biāo)、認(rèn)知績(jī)效的關(guān)系，為監(jiān)測(cè)煤礦工人的生理狀況與行為能力提供理論支持，為保障工人身心健康和生產(chǎn)安全進(jìn)行提供科學(xué)依據(jù)。