基于VR的声光环境对人体热舒适及生理反应的影响.pdf

建筑行业节能1NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION基于VR的声光环境对人体热舒适及生理反应的影响钟宪准 于航*苏子雄 唐寅（同济大学，上海 201804）摘要：通过人工气候室实验研究基于虚拟现实技术(VR)构建的声光环境对人体热感觉、热舒适及生理参数的影响及性别差异，分析主观投票和生理参数间的相关性。结果显示：偏冷环境下(20)，暖色调声光环境可将热感觉投票向中性校正，冷色调声光环境可加剧受试者冷感，使其更不舒适；中性环境下(25)，声光环境对热感觉、热舒适的影响较小；声光环境联合作用效果强于单独作用效果；性别差异在热感觉、热舒适方面最为显著，声、光环境对男性热感觉、热舒适的影响略强于对女性的影响；人体热感觉、热舒适均与多种生理参数间存在显著相关关系。关键词：热舒适；热环境；声环境；光环境；虚拟现实技术中图分类号：TU112；TU113 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）08-0001-05 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.001Effect of acoustic and luminous environments based on virtual reality on human thermal comfort and physiological responseZHONG Xian-zhun YU Hang SU Zi-xiong TANG YinAbstract：According to the experiment of artificial climate chamber,the effect and gender difference of acoustic and luminous environments constructed by virtual reality(VR)technology on human thermal sensation,thermal comfort and physiological parameters were studied,and the correlation between subjective votes and physiological parameters was analyzed.The results show that in cold environment(20)exposing to warm tone acoustic and luminous environments corrects the negative thermal sensation votes to zero even to positive,while exposing to cool tone acoustic and luminous environments enhance peoples coldness,makes them more uncomfortable.In neutral environment(25),acoustic and luminous environments barely affect peoples thermal sensation and thermal comfort.The combined effect of acoustic environment and luminous environment on human thermal sensation and comfort is greater than that of single factor.Gender differences are more significant in terms of thermal comfort and thermal sensation than physiological response,and the impact of acoustic and luminous environment on male is slightly stronger than that on women.The correlation between thermal sensation and thermal comfort and physiological parameters is generally significant.Key words:thermal comfort;thermal environment;acoustic environment;luminous environment;virtual reality technology引言随着人们对室内环境舒适性的要求越来越高，学者们越来越关注室内环境对人体健康的影响。人体热舒适是衡量人体舒适性的重要指标之一。不同热环境下，人体的热舒适不同，代谢率、皮肤温度和心率等生理指标也会发生变化1。人体舒适度不只与热环境相关。声、光环境不仅能够参与昼夜节律调节2，影响人体心理健康及幸福感3，也对人体舒适度有影响4-5。部分学者研究了热、声、光复合因素对热舒适及生理参数的影响6-8，但现有研究仍存在局限。多数热舒适实验均在人工气候室内开展。随着虚拟现实技术(VR)日趋成熟，利用VR搭建的虚拟场景的真实感、还原度越来越好，能够给使用者作者简介：钟宪准（1999），男，硕士在读，研究方向为人体热舒适。通信作者：于航（1964），女，博士，教授，研究方向为热舒适环境、建筑供暖空调方案和相关系统、城市新区能源系统设计优化技术。基金项目：上海市2020年度“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（项目编号：20dz1207200、20dz1207201）；国家自然科学基金资助项目（项目编号：52078355）收稿日期：2023-06-14引用本文：钟宪准，于航，苏子雄，等.基于VR的声光环境对人体热舒适及生理反应的影响 J.节能，2023，42（8）：1-5.建筑行业节能2节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023较好的体验感和沉浸感。近几年，一些学者已使用VR设备开展实验，部分实验证实了基于VR设备开展实验的可行性9-11，并在一定限度上降低了实验投入的人力、物力成本。因此，文中探究基于VR设备进行热舒适实验的方法，研究声、光环境对人体热感觉、热舒适及生理参数的影响，分析人体热感觉、热舒适与生理参数的关联。1实验方法使用VR设备在人工气候室中探究不同声光环境对人热舒适和生理参数的影响。在实验过程中通过主观问卷获得受试者的热感觉、热舒适投票，由相关仪器记录受试者的皮肤电位、皮肤温度及心率。根据所得数据分析受试者的生理参数和热舒适与环境间的关联。1.1工况设计于2021年在同济大学人工气候室开展实验。人工气候室布局如图1所示。人工气候室由操作间（房间A）及气候室（房间B）组成。气候舱内室可以实现室内温度、湿度及辐射温度等参数的恒定控制。选取燃烧的火堆及木柴燃烧声作为暖色调虚拟声光场景，海边的夜晚及潮汐声作为冷色调虚拟声光场景。设置空白场景作为对照，此场景下受试者仍然佩戴VR设备，但设备处于关闭状态。选取25 （中性环境）与20（偏冷环境）两种工况。实验工况组合如表1所示。1.2受试者实验共有20名受试者（男、女各10名）参与，年龄在1825岁，不同性别受试者的基本信息如表2所示。所有受试者均身心健康，视觉、听觉良好，实验前一晚睡眠充足。实验方案通过了同济大学伦理委员会的伦理审查。受试者在实验开始前阅读并签署知情同意书。1.3数据采集实验采用主观问卷与客观测试相结合的方式采集受试者的热感觉、热舒适投票及生理参数。受试者胸口、手臂、大腿、小腿各佩戴一块Pyro Button温度传感器（精度为0.2），实时记录皮肤温度，手腕处佩戴皮肤电反应仪，实时记录皮肤电位和心率。主观问卷指标如图2所示。1.4实验流程实验包含准备阶段、适应阶段和实验阶段，具体实验流程如图3所示。1.4.1准备阶段受试者在操作间观看指导视频、佩戴传感器及皮肤电反应仪并更换统一测试服装（长袖衬衫、运动短裤、短袜及鞋，服装热阻为0.59 clo）。图1人工气候室布局表1实验工况组合工况编号N1N2N3N4N5N6N7室内温度/25252525252525虚拟画面无燃烧的火堆无燃烧的火堆海边的夜晚无海边的夜晚背景音乐无无木柴燃烧声木柴燃烧声无潮汐声潮汐声工况编号C1C2C3C4C5C6C7室内温度/20202020202020虚拟画面无燃烧的火堆无燃烧的火堆海边的夜晚无海边的夜晚背景音乐无无木柴燃烧声木柴燃烧声无潮汐声潮汐声图2主观问卷指标表2不同性别受试者的基本信息性别男性女性年龄21.91.221.62.5身高/cm1753.81656.4体重/kg65.05.854.210.2图3具体实验流程建筑行业节能3NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION1.4.2适应阶段受试者进入气候室，在研究员的帮助下佩戴VR设备，闭眼静坐20 min。静坐结束后，开启VR设备并向受试者描述虚拟环境使其更好地沉浸在虚拟环境中。1.4.3实验阶段在相邻两组实验工况间插入1组空白工况，各实验工况与空白工况均持续10 min。受试者在各工况开始后的2 min、5 min及10 min完成热感觉投票和热舒适投票。2结果与分析2.1虚拟声光环境对人体主观热感受的影响各工况下的热感觉投票结果如图4所示。图中*表示两工况间的数据存在显著差异，*表示两工况间的数据存在极显著差异。中性工况N右上角的标注为其与对应工况C之间的显著性差异。偏冷环境空白工况下，受试者的热感觉投票结果多为负值(-0.650.59)。暖色调声光环境可以显著提高受试者热感觉投票值至0或正值。C5、C7工况可以显著降低受试者的热感觉投票值，加剧受试者的冷感。中性环境空白工况下，受试者的热感觉投票结果分布在“有点冷”和“有点热”之间(0.340.57)。除同时暴露于冷色调声光环境外，其余各声光环境下均有受试者的热感觉投票值达到2，但仅在N4工况中热感觉投票值有显著提升。在背景温度不同、声光环境相同的两组工况间，受试者的热感觉投票值均存在显著差异。通过极差分析发现温度是影响人体热感觉的主要原因，色温对热感觉的影响大于背景音乐。同时暴露于暖色调声光环境中对人体热感觉的提高最大，同时暴露于冷色调声光环境中对人体热感觉的降低最大。各工况下的热舒适投票结果如图5所示。在偏冷环境下，冷色调声光环境使受试者的热舒适投票值显著增加，3个工况的投票均值分别为0.86、0.94和1.14，投票值最高可达3。在中性环境下，受试者的热舒适投票均值分布在0.050.22，虚拟声光环境对受试者热舒适的影响不大。暖色调声光环境在偏冷环境下对受试者热不适的消除作用使其热舒适投票值与中性环境下热舒适投票值的差异显著性降低，差异的显著水平从0.01水平降低至0.05水平或不显著。通过极差分析发现温度是影响人体热舒适的主要原因，色温和背景音乐对人体热舒适的影响作用大致相同。声光环境对人体热舒适影响的协同作用比其中一者的单独影响大。2.2虚拟声光环境对人体生理参数的影响各工况下受试者的心率变化如图6所示。受试者的心率随温度升高稍有增加，但变化不显著。受试者心率在暴露于暖色调光环境或同时暴露于暖色调声光环境时显著增加，并在暴露于3种冷色调声光环境时显著降低。通过极差分析发现色温是影响心率的主要因素，背景音乐是影响心率的次要因素。各工况下受试者的皮肤温度变化如图7所示。中性环境中受试者的皮肤温度均值比偏冷环境中高0.5 左右。除C2-N2外，其余6组对照工况的受试者皮肤温度均存在显著性差异。偏冷环境下，与空白工况相比，只有C3工况对皮肤温度造成显著影响；中性环境下，与空白工况相比，N2、N5、N6工况的皮肤温度存在显著差异，N4工况存在极显著差异。极差分析发现温度是影响人体皮肤温度的主要因素，色温及背景音乐对人体皮肤温度的影响较小。各工况下受试者的皮肤电位变化如图8所示。与偏冷环境相比，仅C7-N7对照工况下中性环境中受试者的图5各工况下的热舒适投票结果图6各工况下受试者的心率变化图4各工况下的热感觉投票结果图7各工况下受试者的皮肤温度变化建筑行业节能4节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023皮肤电位有显著提升。通过极差分析发现，温度是影响人体皮肤电位的主要因素，色温及背景音乐是影响人体皮肤电位的次要因素。2.3虚拟声光环境对热舒适及生理参数影响的性别差异受试者主观感受及生理反应的性别差异如图9所示。工况编号右上角的标注代表：在该工况下，男性受试者与女性受试者的“主观感受”或“生理参数”存在显著差异或极显著差异。女性热感觉投票值通常比男性低，更容易感到热不适。虚拟声光环境对男女受试者热感觉、热舒适的影响程度不同，导致各声光环境下男女受试者主观投票差异的显著性与空白工况不同。极差分析显示，声、光环境对男性热感觉、热舒适的影响略强于对女性的影响。女性皮肤电位在偏冷环境下更高，在中性环境下更低。这可能与女性受试者对较低温度感到更不舒适有关。除C3工况外，各实验工况下的女性受试者心率均略高于男性，除N7工况外，女性受试者皮肤温度均略低于男性。但各工况下男女受试者生理参数均无显著性差异。2.4主观投票和生理参数间的相关性使用SPSS软件进行主观投票与生理参数间的相关性分析，受试者主观感受和生理参数间的相关性数值如表3所示。由表3可知，热感觉投票与皮肤电位、心率及皮肤温度均在0.01水平呈显著相关。热舒适投票与皮肤电位在0.05水平呈显著相关，与皮肤温度呈0.01水平显著的极强相关。受试者主观感受与生理参数的相关关系如图10所示。表3受试者主观投票和生理参数间的相关性项目热感觉投票热舒适投票皮肤电位0.705*-0.697*心率0.723*-0.354皮肤温度0.723*-0.837*注：*表示在0.01水平显著相关，*表示在0.05水平显著相关。（a）热感觉投票（b）热舒适投票（c）皮肤电位（a）热感觉投票和皮肤电位（d）心率（e）皮肤温度图9受试者主观感受及生理参数的性别差异图8各工况下受试者的皮肤电位变化建筑行业节能5NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION当皮肤电位、心率或皮肤温度较高时，热感觉投票值倾向于更高，在偏冷环境下这种趋势更明显。在偏冷环境下，当皮肤电位、心率或皮肤温度较高时，热舒适投票值倾向于更低；在中性环境下，热舒适投票值与生理参数间的变化关系不明显。3结语探索一种基于VR的人体热舒适实验方法，基于VR设备在人工气候室开展实验，得出以下主要结论：在偏冷环境下，暖色调声光环境可将受试者的热感觉投票结果向中性校正，冷色调声光环境可以加剧受试者的冷感，使受试者感到更不舒适。声光环境联合作用效果强于其中一者单独作用的效果。在中性环境下，声光环境倾向于使受试者热感觉投票结果升高，但升高幅度不大。中性环境下，声光环境对受试者热舒适投票值的影响非常小。性别差异在热感觉、热舒适方面最为显著。女性在较低温度下更容易感到寒冷和不舒适，皮肤温度也更低。声、光环境对男性热感觉、热舒适的影响略强于对女性的影响。热感觉投票与皮肤温度、心率及皮肤电位间均存在显著正相关关系；在中性及偏冷环境中，热舒适投票与皮肤温度及皮肤电位呈显著负相关关系。参考文献1 储向阳，于航，焦瑜，等.与生理参数相关的热舒适实验研究综述 J.建筑热能通风空调，2018，37（12）：60-64，21.2 Burgess H J，Molina T A.Home lighting before usual bedtime impacts circadian timing：A field studyJ.Photochem Photobiol，2014，90：723-726.3 Clark C，Paunovic K.WHO environmental noise guidelines for the European region：A systematic review on environmental noise and quality of life，wellbeing and mental health J.International Journal of Environmental Research and Public Health，2018，15（11）：2400.4 李亮.低气压下声环境对人体舒适度影响的探究 D.青岛：青岛理工大学，2014.5 张金程.低气压下光环境对人体舒适感影响的研究 D.青岛：青岛理工大学，2014.6 Huang L，Zhu Y X，Ouyang Q，et al.A study on the effects of thermal，luminous，and acoustic environments on indoor environmental comfort in offices J.Building and Environment，2012，49：304-309.7 张璐.热声复合因素对人体舒适度的影响探究 D.青岛：青岛理工大学，2016.8 李潇斐，刘国丹，童力，等.色彩波长与温度复合作用下人体热舒适研究 J.青岛理工大学学报，2019，40（5）：73-77，90.9 田丰，许昊骏，王攀，等.3D-VR色彩视觉舒适度评价 J.上海大学学报：自然科学版，2017，23（3）：324-332.10 毛润坤，张莹，董雪婷，等.基于心理声学的VR音频舒适度的主观评测和客观量化 J.电声技术，2019，43（3）：74-77.11 Li C，Sun C G，Sun M K，et al.Effect of brightness levels on stress recovery when viewing a virtual reality forest with simulated natural lightJ.Urban Forestry&Urban Greening，2020，Doi：10.1016/j.ufug.2020.126865.（b）热感觉投票和心率（c）热感觉投票和皮肤温度（d）热舒适投票和皮肤电位（e）热舒适投票和心率（f）热舒适投票和皮肤温度图10受试者主观感受与生理参数的相关关系