人体动力特性振动台试验研究＊

杜阳阳,纪金豹,倪志伟

(北京工业大学建筑工程学院,北京 100124)

0 引言

随着社会的发展和经济水平的提高,人们对于生产、生活的环境质量要求也不断提升,振动对人体的影响已经越来越成为不可忽视的问题。从工业厂房的生产到建筑业的施工,以及大型城市由地铁、轻轨、多层高架桥道路组成的高速交通体系,无一不是人们熟知的振动源。各种各样的振动都时刻影响着人们的工作、生活和健康[1]。环境振动已经和大气污染一样,成为一种环境污染[2],国际上已经将其列为七大环境公害之一,因此,研究振动对人体的影响具有非常重要的意义。

传统的与人相关的结构动力学模型,大多忽略人的作用,大量研究表明人体是一个非常复杂的生物弹性系统[3],并且振动特性随着外界环境、姿势以及自身的职业、性别、年龄、健康状况等的变化而变化。近年来,人们开始把振动环境下人体简化成不同自由度的质量、刚度、阻尼模型,研究人体在各种振动系统中的主客观感受。如长春汽车研究所在1980年代末就对坐姿人体模型进行了研究[4-5]。汪芳子、戴诗亮等人也对人体振动模型进行了大量研究,用模态法进行参数识别,分析人体模型的非线性[6-10]。军事医学科学院的孙景工、牛福等学者以及吉林大学的姚为民等都对人体卧姿模型进行了研究[11-15],清华大学的夏群生等研究了适合中国人体情况的立姿人体垂直振动模型[16]。获得广泛认可的是国际标准组织颁布的ISO5982-1981标准提供的竖向振动下人体卧姿、立姿和坐姿下的并联动力模型[16]。Griffin根据大量试验数据研究了竖向振动下具有不同自由度的人体动力模型的特性和误差,Sachse和Pavic等通过对不同参数的人体模型进行对比分析认为需要建立适合于土木工程的人体动力模型[17-18]。

在实际的环境振动中,人体在水平方向下的响应不能简单忽略,目前世界范围内一直缺乏对水平两向人体振动特性的研究。振动台试验是研究人体地震反应最直接的方法之一,通过观测人体在地震波作用下的反应,能够掌握人体的动力特性和地震响应特点。本文结合人机工程学的结果,考虑人体站、躺、坐三种姿势的影响,进行水平两向白噪声输入的振动台试验,研究人体不同部位的动力特性。

1 人体动力特性振动台实验

1.1 试验设备

试验在北京工业大学工程结构实验中心的地震模拟振动台上完成,振动台台面尺寸3 m×3 m,最大载重量10 t,空载最大加速度2.5 g,最大位移1.2 cm,工作频率0.1～50 Hz。利用I CP压电式加速度传感器和 IMC数据采集系统采集加速度信号。

1.2 受试者人员选取

根据国外心理量测学研究结果,在置信度为95%,误差0.5%时所需受试人数为8～12人。本试验选择20名受试者进行试验,其中男性13名,女性7名,职业为学生和工人,年龄24～52岁,身高1.52～1.80 m,体重47～80 kg。全体受试者均为身体健康,无骨骼、肌肉疾病的成年人,身体情况符合中国成年人人体尺寸标准(GB/T10000),具有一定的代表性。

1.3 测点布置方法

依据“人体全身振动环境的测量规范”(GB/T13441-1992),结合试验目的,测点布置图设计如图1所示。在台面及人体的头、肩、腹部、上肢、下肢安置加速度传感器,以记录台面和人体的加速度时程。实际加速度传感器布置效果如图2所示,其固定方法为采用长度为30 cm、60 cm(两条)、120 cm、150 cm的弹力布带固定于腕部、头部、膝盖、腹部和肩部,外侧缝制一层粘链布,将加速度传感器装在用松紧布制成的口袋里(口袋由两种材料制成,外侧为粘链布,粘面向外,内侧为弹力松紧布,端部用粘链布用于调节长度),将装传感器的口袋粘在布带上。每个部位布置三个传感器以便于分别量测X、Y、Z向的加速度信号。保证加速度传感器主轴方向与测量方向一致,并且注意保证三个方向的加速度传感器相互正交。

图1 测点布置图

1.4 试验设计和试验过程

采用0.1～50 Hz限宽白噪声作为激励信号,采集人体在站、躺、坐三种姿势下的头部、肩部、腹部、上肢、下肢五个部位的加速度信号,采样频率为200 Hz。试验中按照X、Y方向分别输入白噪声信号,即X方向的试验过程结束后,再进行Y方向的试验。

对于全体受试者,每人进行三种姿势的试验,每种姿势两个方向。站姿时立正姿势,但全身自然放松;坐姿时,受试者自然坐在带有靠背的折叠椅上,两脚自然下垂。躺姿时受试者全身放松,仰卧在简易床上。在在每次试验之间受试者有一定的休息时间,以消除前次试验对后次试验的影响。

2 试验数据处理与分析

将测得的加速度时域信号利用Matlab软件进行FFT变换得到人体在不同姿势下各部位的自振频率及频谱分布曲线。根据频谱分布规律分析频率分布的影响因素。

2.1 方向和姿势对人体动力特性的影响分析

站姿下人体X、Y方向的振动响应没有明显区别,腿部振动频率较其他部位高(图3);躺姿下人体各部分的振动响应差异较小,在3～5 Hz的范围内,各部分频率比立姿有所提高(图4);坐姿下人体各部分频率差异较大,其中腹部振动明显高于其他部位(图5)。由结果可知,姿势变化会对人体各部分振动频率和幅度产生显著影响,随着人体重心的降低,振动频率会有所升高。

图3 站姿下人体频率分布

图4 躺姿下人体频率分布

图2 传感器布置照片

由于试验内容及试验对象的特殊性,传感器自身质量不能过大,在安装与试验过程中,都要

图5 坐姿下人体频率分布

振动信号沿人体X向(前后向)输入与Y向(左右向)输入在相同部位的振动频率比较接近,除不同部位的振动频率有所差别外,人体两个水平方向的振动频率基本一致。

2.2 其它因素对人体动力特性的影响分析

鉴于人体两个水平方向振动频率基本一致,因此仅以坐姿下Y向振动频率与年龄、体重、身高的关系进行说明。受试者年龄范围为24～52岁,身高1.52～1.80 m,体重47～80 kg,按照指标不同平均分为3组,得到人体振动频率与年龄、体重、身高的柱状图如图6～图8所示,从图中可以看出,人体各部分频率受其它因素的影响规律并不相同,坐姿下人体腹部和上肢振动频率明显高于其他部位,腹部振动频率有随年龄增长而减小的趋势、上肢频率有随身高增加逐渐增大的趋势,而坐姿下肩部频率受其它因素的影响相对最小。

图6 坐姿下Y方向人体频率随年龄的变化

图7 坐姿下Y方向人体频率随体重的变化

图8 坐姿下Y方向人体频率随身高的变化

3 结论

水平方向人体动力特性振动台试验表明:

(1)人体自振频率随受试者个体和体态影响有一定差异,但确实存在相对集中的频率范围,这说明人体动力建模和人体振动反应规律的研究是可行的;

(2)受试者姿态对人体频率影响明显,这说明人体动力模型研究中应当注意人体在动力学角度的特殊性,尤其不能忽视人体的能动反应影响;

(3)人体频率分布规律的研究工作可以为建立考虑人体不同部位的质量、刚度、阻尼的人体动力模型提供实测数据支持。

通过人体振动试验可以客观的评价环境振动特性对人体舒适度的影响,可为环境振动的治理提供依据,为多维人体动力模型和环境振动人体舒适度评价体系的建立提供了实测数据的支持。同时由于人体是一个复杂、活跃而充满个性差异的生物动力系统,其对振动的感受不仅受到自身质量分布等动力特性的影响,也受到其生理、心理等因素的影响,人体动力模型的建立和人体舒适度的研究应当基于人体振动试验数据的归纳和分析,而不能仅仅依赖于理论计算。由于目前世界范围内对双水平向人体振动试验的研究基本上是一项空白,准确把握人体的动力特性从理论到应用还需要投入进一步的试验性研究。

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