次声波生理影响实验装置及评估方法

摘要

本发明提供一种次声波对生理影响实验装置，次声舱包括一个由吸声材料包裹的非封闭的舱体，舱体侧向设有赫姆霍兹共振孔，孔中设有共振反应管，共振反应管的尺寸根据次声舱的共振频率而确定；舱体内装有生理指标监测仪；扬声器室安装在次声舱内，次声波发生模块用于在预设的实验类型和实验环境下发出次声波，输出到扬声器在次声舱中发出次声波，使得次声舱内产生次声共振现象；隔音舱用于放置次声舱，还设有静电屏蔽间，内设有脑部指标监测仪；次声波声学特性分析模块用于接收次声波数据、生理指标监测仪和脑部指标监测仪的数据，计算次声波对生理的影响。本发明能够对不同频率的次声进行模拟，并且使模拟出的低频声环境具有可操控性和可重复性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验装置及其评估方法，尤其是一种次声波生理影响实验装置及其评估方法。

背景技术

目前，次声在武器上的应用，在理论上，无疑具有可行又诱人的前景，次声武器的安全性(可逆性伤害)，无污染性，无破坏性等几个方面与其他类型武器相比具有较大的优势，堪称“绿色武器”，到目前为止还未受到国际协议或其他方面的限制，或许将来很长时间也不会有。除作为攻击性武器外，用于武警、公安、海员用于反劫持和反骚乱等，应用前景较好。由于次声发展的必然性，制造一套次声对生理实验装置和评估体系是十分必要的。

与其他实验装置和评估体系不同，次声对人体存在着潜在危害，其作用机理目前仍不完全清楚，随频率与强度的变化其安全性会有较大差异，应具有相对安全的暴露强度、频率范围，另外涉及的生理指标多，生理变化时效不一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种次声波对生理影响实验装置及其评估方法，能够对不同频率的次声进行模拟，并且使模拟出的低频声环境具有可操控性和可重复性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种次声波对生理影响实验装置，其特征在于：它包括次声波发生模块、次声舱、扬声器室、隔音舱和次声波声学特性分析模块；其中，

次声舱包括一个由吸声材料包裹的非封闭的舱体，舱体设有用于受试人员进出的门，舱体侧向设有赫姆霍兹共振孔，孔中设有共振反应管，共振反应管的尺寸根据次声舱的共振频率而确定；舱体内装有生理指标监测仪；

扬声器室安装在次声舱内，次声波发生模块用于在预设的实验类型和实验环境下发出次声波，次声波发生模块发出的次声波输出到扬声器室中的扬声器，由扬声器在次声舱中发出次声波，在共振反应管的影响下使得次声舱内产生次声共振现象；

隔音舱用于放置所述的次声舱，由吸声材料制成，配有隔音舱门、电源、信号通道、设备通入连接孔；隔音舱内还设有静电屏蔽间，静电屏蔽间内设有脑部指标监测仪，脑部指标监测仪的监测端延伸在次声舱中；

次声波声学特性分析模块，用于接收次声波数据、生理指标监测仪和脑部指标监测仪的数据，并计算次声波对生理的影响。

按上述方案，所述的次声舱的共振频率通过以下公式获得：

式中，f0为共振频率，c为声速，S为次声对生理影响程度，由测试人员根据自己的主观感受得到，数值越大影响程度越深，l为次声舱共振反应管长度，d为共振反应管直径，V为空间的均匀性最大加权分贝误差。

按上述方案，所述的次声波发生模块包括计算机，由计算机软件模拟输出一个正弦信号有左右两个声道，所述的扬声器为8个，每个声道控制4个扬声器；所有扬声器均固定在一个扬声器室中，8个扬声器呈空间二条直线分布，每四个在一条直线上，线间距相等。

按上述方案，所述的生理指标监测仪包括血压检测仪、心率监测仪、血糖监测仪、血脂仪、胆固醇检测试剂盒、游离T3、T4Elisa试剂盒；所述的脑部指标监测仪包括脑电仪和脑干诱发电位仪；

采集人员k₁-k_m的血糖比例变化量EL₁K₁-EL_jK_i，人员k₁-k_m的血脂变化量GL₁K₁-GL_jK_i人员k₁-k_m的胆固醇变化量HL₁K₁-HL_jK_i，人员k₁-k_m的游离T3、T4变化量IL₁K₁-IL_jK_i，人员k₁-k_m的脑电波变化程度QL₁K₁-QL_jK_i；其中EL₁K₁-EL_jK_i、GL₁K₁-GL_jK_i、HL₁K₁-HL_jK_i、IL₁K₁-IL_jK_i、QL₁K₁-QL_jK_i均为归一处理后的归一值，具体的值由对应的生理指标来预先设定，当不存在时取默认值1；

所述的次声波声学特性分析模块通过以下公式计算次声波对生理的影响：

实验n的次声系数Infrasound_n为

实验n的生理指标在次声测试综合影响Physiology_n为：

第n次测试出的次声对生理影响系数为Infrasound_n·Physiology_n；

式中，f_n为实验n的次声暴露频率；W_n为实验n的次声暴露强度加权数，为预设值；T_n为实验n的暴露时间加权数；V_n为实验n的空间的均匀性最大加权分贝误差；S_n为实验n的次声对生理影响程度，由测试人员根据自己的主观感受得到，数值越大影响程度越深。

利用所述的次声波对生理影响实验装置实现的次声波生理影响评估方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、预设实验类型和环境参数；

S2、按照S1的预设发出次声波，在共振反应管的影响下使得次声舱内产生次声共振现象；进行一轮次声测试并采集受试人员的生理指标数据和脑部指标数据；

S3、根据采集的数据，结合环境预设的环境参数，计算次声波对生理的影响。

按上述方法，所述的环境参数包括：实验n的次声暴露频率f_n为0-20的整数，数值越大频率越高；实验n的次声暴露强度加权数为0-9的整数，数值越大分贝越高，Dn为……；实验n的暴露时间加权数为0-9的整数，数值越大暴露时间越长，t为……；实验n的空间的均匀性最大加权分贝误差V_n＝10×y，为0-9的整数，数值越小误差越小，y为……；实验n的次声对生理影响程度S_n是个归一值，为大于0且小于1的实数，由测试人员根据自己的主观感受得到，数值越大影响程度越深；

生理指标E、G、H、Q为第n次试验的全部次声对生理影响指标代码；每个参与次声实验的受试人员自己的角色承担相应多个生理指标的集合；

采集的生理指标数据和脑部指标数据包括：

受试人员根据所选定的特定实验n及生理指标开始现场测试，采集人员k₁-k_m的血糖比例变化量EL₁K₁-EL_jK_i，人员k₁-k_m的血脂变化量GL₁K₁-GL_jK_i人员k₁-k_m的胆固醇变化量HL₁K₁-HL_jK_i，人员k₁-k_m的游离T3、T4变化量IL₁K₁-IL_jK_i，人员k₁-k_m的脑电波变化程度QL₁K₁-QL_jK_i；其中EL₁K₁-EL_jK_i、GL₁K₁-GL_jK_i、HL₁K₁-HL_jK_i、IL₁K₁-IL_jK_i、QL₁K₁-QL_jK_i均为归一处理后的归一值，具体的值由特定的生理指标来预先设定，当不存在时取默认值1；

次声波对生理的影响按以下公式获得：实验n的次声系数Infrasound_n为：

实验n的生理指标在次声测试综合影响Physiology_n为：

实验n测试出的次声对生理影响系数为Infrasound·Physiology_n。

按上述方法，当次声系数Infrasound_n达到预定阈值A时，次声测试综合影响Physiology_n若均值位于区间[B，B+д)，则认为实验n中，次声对生理的影响程度较小；若均值位于区间[B+д，B+ё]，则认为实验n中，次声对生理的影响程度较大；若均值大于B+ё，则认为实验n中，次声对生理的影响程度过大，为确保实验安全实验无法完成；其中д，ё是两个预先指定的与次声系数Infrasound_n相关的区间宽度变量。

本发明的有益效果为：能够对不同频率的次声进行模拟，并且使模拟出的低频声环境具有可操控性和可重复性。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统装置图。

图2为图1中扬声器室的设备实体图。

图3为本发明中评价体系中各影响因子树状图。

图中：1.次声舱，3.赫姆霍兹共振孔，4.玻璃棉，5.扬声器室，6.扬声器，7.加强筋板，8.平衡压力孔。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明进一步说明。

本发明提供一种次声波对生理影响实验装置，它包括次声波发生模块、次声舱、扬声器室、隔音舱和次声波声学特性分析模块。

如图1和图2所示，次声舱1包括一个由吸声材料包裹的非封闭的舱体，舱体设有用于受试人员进出的门，舱体侧向设有赫姆霍兹共振孔3，孔中设有共振反应管，共振反应管的尺寸根据次声舱1的共振频率而确定；舱体内装有生理指标监测仪，所述的生理指标监测仪包括血压检测仪、心率监测仪、血糖监测仪、血脂仪、胆固醇检测试剂盒、游离T3、T4Elisa试剂盒，所述的脑部指标监测仪包括脑电仪和脑干诱发电位仪。采集人员k₁-k_m的血糖比例变化量EL₁K₁-EL_jK_i，人员k₁-k_m的血脂变化量GL₁K₁-GL_jK_i人员k₁-k_m的胆固醇变化量HL₁K₁-HL_jK_i，人员k₁-k_m的游离T3、T4变化量IL₁K₁-IL_jK_i，人员k₁-k_m的脑电波变化程度QL₁K₁-QL_jK_i；其中EL₁K₁-EL_jK_i、GL₁K₁-GL_jK_i、HL₁K₁-HL_jK_i、IL₁K₁-IL_jK_i、QL₁K₁-QL_jK_i均为归一处理后的归一值，具体的值由对应的生理指标来预先设定，当不存在时取默认值1。扬声器室5安装在次声舱1内，次声波发生模块用于在预设的实验类型和实验环境下发出次声波，次声波发生模块发出的次声波输出到扬声器室5中的扬声器6，由扬声器6在次声舱1中发出次声波，在共振反应管的影响下使得次声舱1内产生次声共振现象。所述的次声波发生模块包括计算机，由计算机软件模拟输出一个正弦信号有左右两个声道，所述的扬声器6为8个，每个声道控制4个扬声器6；所有扬声器6均固定在一个扬声器室5中，8个扬声器6呈空间二条直线分布，每四个在一条直线上，线间距相等，直径为12cm的扬声器，为了避免扬声器振动造成扬声器安装板的变型，在扬声器的间隔里安装了加强筋板7。扬声器室5顶盖开了若干个平衡压力孔8，用于压力平衡。本实施例中，舱体为矩形房间，体积约3m³，壁厚0.1m，由双层3mm厚钢板构成，整体置于隔音舱内；多根两端不封闭，孔径和长度的共振反应管，除了观察窗及下文所述的扬声器6外，次声舱1内的墙壁及地板的空腔内都填充了一层玻璃棉(110kg/m³，100mm厚)，作为吸声材料；在天棚上有一只白炽灯用于照明。

隔音舱用于放置所述的次声舱1，避免高强度的次声对外部工作人员的刺激和外部环境噪声对次声实验研究的干扰。隔音舱由吸声材料制成，配有隔音舱门、电源、信号通道、设备通入连接孔；隔音舱内还设有静电屏蔽间，静电屏蔽间内设有脑部指标监测仪，脑部指标监测仪的监测端延伸在次声舱中。本实施例中，隔音舱为用于医学听力检测的隔声室，包括有舱内吸音板，可多次拆卸和组合的板块结构，舱外喷塑外层漆，环保吸音塑胶地板，双层磁力吸引密封门，双层加密可透视玻璃制观察窗，电源为单向AC220V，配有信号通道，有设备通入室内连接孔，具有电磁屏蔽功能和静音效果。

次声波声学特性分析模块，用于接收次声波数据、生理指标监测仪和脑部指标监测仪的数据，并计算次声波对生理的影响。本模块的设备包括有PC机、信号监测仪表(声级计)、1627型次声滤波器，次声波实验过程中声级计连接次声滤波器，实时的将数据传输到PC中，实时对次声波的传输进行分析。如图3所示，所述的次声波声学特性分析模块通过以下公式计算次声波对生理的影响：

实验n的次声系数Infrasound_n为

实验n的生理指标在次声测试综合影响Physiology_n为：

第n次测试出的次声对生理影响系数为Infrasound_n·Physiology_n；

式中，f_n为实验n的次声暴露频率；W_n为实验n的次声暴露强度加权数，为预设值；T_n为实验n的暴露时间加权数；V_n为实验n的空间的均匀性最大加权分贝误差；S_n为实验n的次声对生理影响程度，由测试人员根据自己的主观感受得到，数值越大影响程度越深。

当启用次声波实验装置前，通过公式估算次声舱的共振频率，参照发生模块输出的频率，调整共振反应管的结构尺寸，当扬声器输出的基频正弦信号与上式的f₀相吻合时，次声舱内产生次声共振现象，由于次声频率是要随着试验中的要求不断改变的。因此，共振短管长度和直径也要随之而变。对于固定的短管，只有在共振频率点的位置其声压级才最大，而偏移共振频率点声压级则明显下降，这就要求不断地更换试验用共振短管尺寸。式中，f0为共振频率，c为声速，S为次声对生理影响程度，由测试人员根据自己的主观感受得到，数值越大影响程度越深，l为次声舱共振反应管长度，d为共振反应管直径，V为空间的均匀性最大加权分贝误差。

为了全面了解次声实验装置的性能，对该装置进行了严格的空间均衡度，非线性失真测试。结果对于声场空间的均匀性最大分贝误差不超过0.4dB，在低频段共振时，高频谐波与基频共振频率的声压级差25dB以上，当所有信号的声压级接近本底噪声水平时，最大的谐波信号频率不超过50hz，可以认为非线性失真小，影响微弱。因此可认为该试验装置设计合理，工作状态达到设计要求，能产生稳定的次声。

当受试者进入次声舱内启用次声波实验装置后，通过信号监测仪表检测次声舱内不同位置的次声声压级。本发明次声对生理影响研究主要从神经系统、心血管系统、内分泌系统、对前庭和听觉系统方面评价，具体测量项目如下：(1)干扰噪音；(2)输出的最大次声声压级；(3)室内声压级的空间均衡性；(5)脑干诱发电位反应听觉系统的变化；(6)血压、脉搏、心率、醛固酮、皮脂醇、胰岛素、游离T3、T4、血糖反应内分泌及交感神经变化；(7)受试者填写问题表格反应主观症状。

授权公告号为CN2724416Y的中国专利申请中公开了一种用于研究次声或低频声对动物的影响的动物实验用次声或低频声密封舱系统，该系统确立了动物出现应激反应，次声或低频声的频率范围为0.01hz-100hz，可调稳定声压级范围是60-150dB，放置一级雄性5周BALB/c小鼠在8hz或16hz、80dB～130dB中每天暴露1h、暴露持续1-28天随着暴露条件改变，实验小鼠肾上腺皮质束装状带3-β羟甾脱氢酶活性、酸性磷酸酶活性、组织形态学可出现的相应生理改变，包括出现应激反应、细胞有损伤并且细胞功能处于代偿状态、细胞损伤并且细胞功能处于失代偿状态、出现肾上腺皮质束状带的局部组织损伤。在此基础上预测暴露时间为30min、60min、90min的方案。

根据Landstro M的研究结果,次声的生理响应将仅仅发生在次声的听阑水平之上。痛觉与中耳系统的机械位移有关,可听声频段内的疼痛阑值被确定为140dB,当频率降至20Hz左右时疼痛阂值上升为162dB。依据Henrik Moller提出的听阂曲线,预测次声暴露强度为高于次声听阑曲线对应频率点20dB，根据上述结果，为确保安全，预测暴露强度范围为60-120dB。

考虑到本发明提供的仅仅是单频正弦信号，经舱体和共振腔管共振以后形成了与声源系统信号相同的单频共振基频信号以及衍生的谐频信号，次声舱内的声场信号并非是连续的宽带频谱,只能按单个主共振频率点去选择暴露频率。次声舱可提供的暴露频率点是6Hz、8Hz、10Hz、12HZ、14HZ、16Hz、15Hz和20Hz。为了保证选择的暴露频率点在次声频率范围内具有代表性，又同时兼顾暴露强度在听阑曲线以上20dB的条件不超出幅频特性曲线范围，预测次声暴露频率是6hz、8hz、12hz和16hz。

由于脑电仪和脑干诱发电位仪的检测需要静电屏蔽间且所有的信息在次声暴露后消失的快慢不一，因而除此外所有的检测暴露结束前后后次声舱内进行，在次声暴露结束前的10min，由受试者填写一份已经提好问题的表格，在表格上打上符号，暴露结束后检测的次序为：首先测量反应内分泌及交感神经变化的醛固醇、皮质醇、胰岛素、游离T3、T4、血糖以及反应常规指标，其次测量心电图来反映心血管系统的变化，然后在静电屏蔽间内测脑电图，反应神经系统变化，最后测脑干诱发电位图，反应听觉系统的变化，预测整套测量在反应的信息消失前完成。因而认为该次声对生理影响实验装置能满足在实验室内研究次声特性及次声对生理影响的需要。

利用所述的次声波对生理影响实验装置实现的次声波生理影响评估方法，它包括以下步骤：

S1、预设实验类型和环境参数。设定实验n∈实验类型L_n,环境参数，次声对生理影响程度S_n、血糖E、血脂G、胆固醇H、游离T3/T4、脑电波Q，次声舱空间均匀性最大分贝误差y。其中n表示第n次实验，L_n为第n次实验的实验类型，D_n为第n次实验的次声分贝，S_n为第n次实验的次声对生理影响程度。所述的环境参数包括：实验n的次声暴露频率f_n为0-20的整数，数值越大频率越高；实验n的次声暴露强度加权数为0-9的整数，数值越大分贝越高，D_n为次声强度实际测量量；实验n的暴露时间加权数为0-9的整数，数值越大暴露时间越长，t为暴露时间实际测量量；实验n的空间的均匀性最大加权分贝误差V_n＝10×y，为0-9的整数，数值越小误差越小，y为随空间不均匀性造成的偶然误差；实验n的次声对生理影响程度S_n是个归一值，为大于0且小于1的实数，由测试人员根据自己的主观感受得到，数值越大影响程度越深。

生理指标E、G、H、Q为第n次试验的全部次声对生理影响指标代码；每个参与次声实验的受试人员自己的角色承担相应多个生理指标的集合。

S2、按照S1的预设发出次声波，在共振反应管的影响下使得次声舱内产生次声共振现象。通过计算次声舱内的声压级，基于赫姆霍滋共振器，设计长度、直径恰当的共振反应管，从而尽量的避免次声舱共振对舱内声压级的影响。同时利用共振增益放大作用，来降低次声随空间变化而造成的失真，用较小的电功率产生较高的次声级，达到研究次声对生理影响实验的目的。进行一轮次声测试并采集受试人员的生理指标数据和脑部指标数据。采集的生理指标数据和脑部指标数据包括：

受试人员根据所选定的特定实验n及生理指标开始现场测试，采集人员k₁-k_m的血糖比例变化量EL₁K₁-EL_jK_i，人员k₁-k_m的血脂变化量GL₁K₁-GL_jK_i人员k₁-k_m的胆固醇变化量HL₁K₁-HL_jK_i，人员k₁-k_m的游离T3、T4变化量IL₁K₁-IL_jK_i，人员k₁-k_m的脑电波变化程度QL₁K₁-QL_jK_i；其中EL₁K₁-EL_jK_i、GL₁K₁-GL_jK_i、HL₁K₁-HL_jK_i、IL₁K₁-IL_jK_i、QL₁K₁-QL_jK_i均为归一处理后的归一值，具体的值由特定的生理指标来预先设定，当不存在时取默认值1。

S3、根据采集的数据，结合环境预设的环境参数，计算次声波对生理的影响。

次声波对生理的影响按以下公式获得：实验n的次声系数Infrasound_n为：

实验n的生理指标在次声测试综合影响Physiology_n为：

实验n测试出的次声对生理影响系数为Infrasound·Physiology_n。

当次声系数Infrasound_n达到预定阈值A时，次声测试综合影响Physiology_n若均值位于区间[B，B+д)，则认为实验n中，次声对生理的影响程度较小；若均值位于区间[B+д，B+ё]，则认为实验n中，次声对生理的影响程度较大；若均值大于B+ё，则认为实验n中，次声对生理的影响程度过大，为确保实验安全实验无法完成；其中д、ё是两个预先指定的与次声系数Infrasound_n相关的区间宽度变量。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。