救护车乘卧振动舒适性试验、分析与评价方法研究

牛 福，孟令帅，苏 琛，吴文娟，段德光，孟 光，孙景工

0 引言

在救护车运送伤病员时，多数工况是救护车在平稳随机的道路上行驶，有时也会遇到恶劣路况。路面不平是影响救护车乘卧舒适性的重要因素之一。由于路面不平而传递到救护车上的振动，会使救护车上的伤病员感到不适，严重时会影响伤病员的健康甚至二次伤害。

人体振动舒适性的研究正日益受到广泛重视，并制定了相关国际标准[1-2]。徐新喜等学者[3-9]就救护车卧姿伤病员乘卧舒适性试验、评价进行了大量研究，在实践中优化了试验设计与评价方法。孙景工、高振海等研究人员[10-13]在试验、分析的基础上，通过二次隔振技术，有效改善了救护车卧姿伤病员的乘卧舒适性。

参照GB/T 4971—2009[14]的定义，救护车乘卧振动舒适性是指为救护车上伤病员提供舒适的乘卧振动环境的性能。我国在参照相关国际标准的基础上，也制定了适合中国国情的人体振动舒适性试验、分析与评价标准。救护车伤病员乘卧振动舒适性试验、分析与评价方法并无专门的国家、行业标准，一般沿用普通车辆正常卧姿人体的相关标准。通过对相关标准的对比分析，发现有些试验、分析以及评价方法不尽相同，而这些相关标准均为有效，并未废止或取代。在实际工作中，可能存在相关标准选择上的问题，笔者通过分析、总结，探讨了在实际救护车乘卧振动舒适性试验、分析、评价上的一些方法。

1 救护车乘卧振动舒适性试验方法

影响救护车乘卧振动舒适性试验的因素既有主观的、也有客观的；既有理论方法上的、也有实践经验上的。现主要从以下几个方面对救护车乘卧振动舒适性试验方法进行探讨。

1.1 试验道路

GB/T 4970—2009[15]指出，车辆随机输入行驶的振动试验道路应为沥青路或水泥路，具体试验路面等级可根据试验具体需要而定。

QC/T 677—2001[16]规定，振动试验道路一般应符合GB/T 7031—2005[17]所规定的相应等级路面，道路分级见表1。

表1 道路等级分级表

A级为最平坦路面，H级为最崎岖路面。试验道路应主要包括3种：（1）沥青路，相当于B级路面；（2）水泥路，相当于B级路面；（3）砂石路，相当于C级路面。

试验道路规定应优选沥青路或水泥路，砂石路试验可供参考。而在实际试验工作中，救护车，特别是急救车，存在越野路、急造路或其他恶劣路况上行驶的工况，那么在试验路面等级上，可根据需要选择GB/T 7031—2005规定的D、E或F等级的路面进行乘卧舒适性试验。

另外，根据实践经验，路面等级可参考：（1）路面压实的乡间土路，参考D、E级路面；（2）中等破损的乡间土路，参考E、F级路面；（3）遭到破坏的乡间土路，参考F级路面；（4）收割过的耕地或草地，参考F级路面；（5）履带式车辆驶过的破损路，参考F、G级路面；（6）履带式车辆驶过的已毁路，参考G、H级路面。

1.2 试验车速

按GB/T 4970—2009的相关规定，试验应使用良好或一般路面。良好路面规定的试验车速为40 km/h～最高设计车速（但不应超过试验路面限制的最高车速），可按每隔10或20 km/h选取试验车速。

QC/T 677—2001较 GB/T 4970—2009更为具体，规定了试验车速一般应包括5种车速，并应使用常用挡位进行道路振动试验。

（1）沥青路和水泥路。车速一般为 50、60、70、80、90 km/h，常用车速选取70 km/h。

（2）砂石路。车速一般为 40、50、60、70、80 km/h，常用车速选取60 km/h。

车速偏差应为试验车速的±4%。

若救护车或急救车在越野路、急造路或其他恶劣路况上行驶，实际试验中行驶车速可选择为20、30、40、50、60 km/h，常用车速为 40 km/h。

1.3 试验人体载荷

按GB/T 4970—2009的规定，卧姿人体振动试验载荷应为自然人，身高为（1.70±0.05）m、体质量为（65±5）kg。该标准与 QC/T 474—2011[18]所述一致。

而QC/T 677—2001规定，卧姿人体振动试验载荷应为自然人，身高为（1.70±0.05）m、体质量为（60±5）kg。

上述标准关于载荷出现差异，实际试验时应采用最新标准，即载荷应为（65±5）kg的自然人。

1.4 试验仪器与要求

1.4.1 试验仪器

试验仪器系统一般应由加速度传感器（坐垫式）、抗混滤波放大器、信号采集处理分析仪、数据自动采集和信号处理系统软件、计算机等组成。ICP传感器的普及，将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，可直接与记录、显示和采集设备等连接，简化了测试系统，可大幅提高工作效率、测试精度和可靠性。

1.4.2 试验位置

对于卧姿人体，GB/T 18368—2001[19]认为，卧姿人体承受振动试验载荷时，振动分别通过臀、头的支撑接触部位传递到人体。

在实际振动试验中，我们应遵循GB/T 13441.1—2007[20]的规定，臀部测试部位应设在臀部支撑接触区域中心，偏差一般应不大于100mm。头部测试部位应设在头部支撑接触区域中心，偏差一般应不大于30mm。

1.4.3 传感器安装

传感器垫盘（或坐垫式传感器）应紧密接触人体，人体轴间与传感器灵敏轴的偏差应符合GB/T 13441.1—2007中5.2的相关规定，其偏差一般应不大于 15°。

1.4.4 试验人员要求

支撑面上卧姿人体，其双手应自然地分别靠拢在臀部两侧，试验过程中应全身完全放松并保持规定的姿势。一般地，试验条件中应说明是否放置枕头或约束系统（如是否系安全带）。

1.5 试验数据采集与处理

试验数据采集时应采用抗混滤波器，并应用窗函数。数据处理中涉及的采样时间间隔、频率分辨率和独立样本个数等需满足采样定理。

经综合分析，数据采集与处理建议采用的参数是：（1）采样时间：t≥180 s；（2）截断频率：fc=100.00 Hz；（3）采样时间间隔：Δt=0.005 s；（4）频率分辨率：Δf=0.195 3 Hz；（5）试验独立样本数：q≥25；（6）窗函数：Hanning窗函数（用于功率谱密度计算）。

2 救护车乘卧振动舒适性分析方法

卧姿人体、特别是救护车伤病员，在受到振动激励时，其不同部位、不同频率下的振动感知是不同的。在进行救护车乘卧振动舒适性分析时，是根据卧姿人体在臀、头等部位输入的振动加速度综合计权分析的。具体是通过部位计权与频率计权的部位-频率二次计权法获得等效加速度均方根值[19]。

2.1 部位计权

一般使用加速度自功率谱密度函数Ga（f）来表征部位计权加速度。第一次计权可获得臀-头部位计权加速度，是卧姿人体的臀、头部支撑接触中心而得的等效加速度均方根值之和。通过部位计权处理而得的随频率而变的等效加速度，是进行第二次计权的基础。

可根据式（1）获得1/3倍频程加速度均方根值：

式中：aj为第j（j=1，2，…，23）个加速度均方根值（中心频率为fj），单位为m/s2；fuj，f1j为1/3倍频程中心频率fj的上、下限频率（0.5～80 Hz频率范围），单位为Hz；Ga（f）为加速度自谱，单位为m2/s3。

式（1）中的a是由支撑面传给卧姿人体臀、头部的加速度axb、axh，Ga（f）就是与axb、axh的加速度自谱，对应得到的aj是臀、头部输入的1/3倍频程加速度均方根值 axbj、axhj。

可根据式（2）计算卧姿人体部位计权加速度：

式中：axbhj为第j（1，2，…，23）个1/3倍频程臀-头部位计权加速度均方根值（中心频率为fj），单位为m/s2；Wxbj、Wxhj为臀、头部输入加速度的部位计权系数；axbj、axhj为1/3倍频程臀、头部输入加速度均方根值，单位为m/s2。

卧姿人体臀-头部振动部位计权系数见表2。

在实际计算分析时，可将式（2）转为矩阵的形式，若以 diag（a1，a2，…，an）表示一个对角线元素依序为 a1，a2，…，an的对角阵，则有矩阵形式见式（3）：

式中：diag（axbh）为1/3倍频程臀-头部位计权加速度均方根值对角阵；diag（Wxb）、diag（Wxh）为臀、头部输入加速度的部位计权系数对角阵；diag（axb）、diag（axb）为1/3倍频程臀、头部输入加速度均方根值对角阵。

2.2 频率计权

频率计权是用部位计权加速度后再对频率计权而得的卧姿臀-头计权加速度，第二次计权处理得到臀-头频率计权加速度。

表2 卧姿人体臀-头部振动加速度频率计权系数

由式（2）获得部位计权加速度后，可由式（4）计算卧姿人体臀-头部频率计权加速度：

式中：axbhw为卧姿人体臀-头部频率计权加速度均方根值，单位为m/s2；axbhj为第j个1/3倍频程中心频率下的卧姿人体臀-头部计权加速度均方根值，单位为m/s2；Waxbhj为第 j个 1/3倍频程中心频率下的卧姿人体臀-头部加速度的频率计权系数。

卧姿人体臀-头部加速度频率计权系数见表3。

在实际计算分析时，可将式（4）转为矩阵的形式，若以tr（A）表示矩阵A的迹，即矩阵A主对角线上元素a1，a2，…，an的代数和，则有矩阵形式见式（5）：

表3 卧姿人体臀-头部加速度频率计权系数

式中：axbhw为卧姿人体臀-头部频率计权加速度均方根值；diag（Wxbh）为卧姿人体臀-头部加速度的频率计权系数对角阵；diag（axbh）为1/3倍频程臀-头部位计权加速度均方根值对角阵。

3 救护车乘卧振动舒适性评价方法

救护车乘卧振动舒适性评价方法有主观评价与客观评价之分。QC/T 677—2001、GB/T 18368—2001、GB/T 13441.1—2007均综合应用了主观感知评价与客观数据分析评价方法，规定了卧姿人体全身振动舒适性评价标准，但不完全一致。比如在加速度均方根值范围方面有一定差别，在舒适性评价上用语也有显著不同。GB/T 18368—2001与GB/T 13441.1—2007的评价基本一致。而QC/T 677—2001专门用于卧铺客车平顺性分析评价，其规定较上述2个标准稍微严格一些，更适合用于救护车乘卧振动舒适性评价，其舒适性评价用语更为合理。因此，笔者建议救护车乘卧振动舒适性评价采用QC/T 677—2001规定的评价标准，见表4。

表4 卧姿人体振动舒适性评价分级区间（评价指标为臀-头部频率计权加速度）

4 结语

本文通过分析现行相关国际、国家标准，对救护车乘卧振动舒适性试验、分析与评价方法进行了探讨，有助于在试验、分析与评价方法等方面提供相关具体依据。

然而，相关国际、国家标准规定卧姿人体均是针对正常健康人，即可以从事正常生活起居、旅行、能承受正常工作负荷的人。救护车主要用于运送伤病员，不同程度的伤病员对振动的感知、不同的振动激励对伤病员的影响或伤害以及伤病员的乘卧舒适性评价等，在相关国际、国家标准中均未确定计权因子。另一方面，伤病员在运送过程中一般要系安全带，ISO 2631-1:1997、ISO 8041—2005 均提及安全带对振动测量、乘卧舒适性的影响，并规定了相关计权因子，而相关国家标准还未作出相关规定，这或许是将来研究救护车乘卧振动舒适性试验、分析与评价方法的重要内容。此外，本文讨论仅为卧姿人体承受垂直振动的乘卧舒适性试验、分析与评价，但实际情况是卧姿人体在救护车运送过程中始终承受垂直振动、水平振动以及纵向角振动等多方向振动激励。因此，多向复合振动激励下的救护车伤病员乘卧舒适性试验、分析与评价，仍需要进一步研究。

[1] ISO 2631-1：1997（E） Mechanical Vibration and shock-Evaluation of Human Exposure to Whole-Body Vibration[S].

[2] ISO 8041：2005 Human response to vibration—Measuring instrumentation[S].

[3] 徐新喜.全身振动对人体的影响与防护[J].医疗卫生装备，1993，14（3）：9-12，48.

[4] 徐新喜，孙景工，张庆勇，等.急救车担架系统乘卧舒适性的试验研究与评价[J].医疗卫生装备，1994，15（5）：7-10，49.

[5] 徐新喜，祁建城，李若新，等.救护车卧姿乘员受振舒适性的评价研究[J].汽车技术，1996（4）：9-13.

[6] 徐新喜，祁建城，李若新，等.卧姿人体全身振动暴露的舒适性评价与应用[J].医疗卫生装备，1996，17（3）：7-9.

[7] 徐新喜，祁建城，李若新，等.卧姿乘员受振实验及救护车舒适性的评价[J].专用汽车，1996（1）：45-49.

[8] 祁建城，徐新喜，李若新，等.救护车卧姿伤病员受振舒适性的评价研究[J].公路交通科技，1998（1）：64-68.

[9] 祁建城，李若新，徐新喜，等.救护车平顺性的研究概况与展望[J].公路交通科技，2000（2）：56-59.

[10] 孙景工，牛福，高振海，等.基于磁流变隔振技术的某型越野救护车乘卧舒适性试验与分析[J].噪声与振动控制，2009（6）：156-160.

[11] 段德光，牛福，高振海，等.野战救护车担架支架隔振效果对比试验研究[J].医疗卫生装备，2010，31（2）：39-42.

[12] 苏琛，徐新喜，高振海，等.某履带急救车减振效率及乘卧舒适性分析[J].振动测试与诊断，2012（5）：854-857，869.

[13] 徐新喜，高振海，苏琛，等.某履带式卫生急救车振动控制[J].噪声与振动控制，2013（2）：64-67.

[14] GB/T 4971—2009 汽车平顺性术语和定义[S].

[15] GB/T 4970—2009 汽车平顺性试验方法[S].

[16] QC/T 677—2001 卧铺客车平顺性随机输入行驶试验方法[S].

[17] GB/T 7031—2005 机械振动道路路面谱测量数据报告[S].

[18] QC/T 474—2011 客车平顺性评价指标及限值[S].

[19] GB/T 18368—2001 卧姿人体全身振动舒适性的评价[S].

[20] GB/T 13441.1—2007 机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第一部分：一般要求[S].