基于体压分布的汽车座椅振动舒适性评价*

2022-12-27高开展张志飞徐中明

汽车工程 2022年12期

高开展，罗巧，张志飞，徐中明

（重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400030）

前言

汽车座椅作为与驾乘人员接触的主要人机交互界面，是影响汽车乘坐舒适性的重要因素［1］。对于座椅舒适性的评价主要分为两个方面：①主观评价方法，如语义差分法［2］、舒适性量表法［3］、舒适性问卷法［4］等；②客观评价方法，如体压分布测量［5］、加速度测量［6］、生物肌电力测量［7］以及姿势分析［8］等。其中，加权加速度均方根值作为量化全身振动对人类健康和舒适性影响的指标广泛应用于坐姿人体振动评价［9］和汽车座椅舒适性评价［10］。

近年来，随着测试技术的发展，人体与座椅界面间的压力测量作为量化人-椅界面间相互作用的方法，在汽车座椅的舒适性评价和设计过程中逐渐得到应用［11］。通过对静态工况下人-椅接触面的压力分布进行研究，发现坐姿人体的不舒适度与平均压力［12-14］、最大压力［15］、压力梯度［16］或坐骨结节附近的最大压力有关［17-18］。Uenishi等［19］通过驾驶状态下的体压分布测量对比3种不同的泡沫座椅，发现平均压力变化率均方根是评价振动不舒适较为合适的指标。Ahmadian等［20］根据人-椅界面间压力大小对人体细胞的生理影响不同，对不同范围内的压力进行加权，提出区域压力均方根的概念，以评估长时间乘坐对人体健康造成的影响。Na等［21］发现驾驶工况下的体压分布能够反映驾驶员姿势变化，并依此来预测驾驶员的移动频率。Tahir等［22］通过对驾驶工况下不同身高和体质量的驾驶员压力分布进行定量分析，用于指导符合人机工程学的座椅舒适性设计。Lantoine等［5］基于对驾驶工况的模拟，探究了不同座椅软硬程度和道路类型对压力分布和不适感的影响，以帮助改进座椅靠背和坐垫的舒适性设计。

尽管体压分布能更全面地描述人-椅界面的相互作用，但其应用主要集中在静态工况，对于振动激励这一动态工况下的研究进展缓慢。Wu等［23］通过对1-10 Hz正弦振动下人体与刚性座椅接触面的压力分布进行研究，发现在整个频率范围内压力幅值随着振动激励强度的增加而增加。此外，Wu等［17］还发现正弦振动下人体与泡沫座椅接触面间坐骨结节处的最大压力同样随着振动激励强度的增加而增加。Inagaki等［24］将压力随时间的变化率纳入1 Hz及以下的座椅振动舒适的评价中，但其应用较有限。Hinz等［25］对3种振动激励强度下的压力分布进行测量，发现无论是平均压力还是最大压力都随激励强度的增大而增大。在振动舒适性评价中，振动激励强度是影响人体振动响应特性、舒适性感受的重要因素［26-27］，同样也会显著改变人-椅接触面的体压分布［23］。尽管振动激励下的压力分布会对乘坐舒适性产生影响［28］，但目前对于振动舒适性的评价主要依赖于加速度测试［6，29-30］，体压分布并未充分发挥其作用，值得进一步探究。

为探究如何借助体压分布测量来表征汽车座椅的振动舒适性，设计汽车座椅振动舒适性主客观评价试验。以垂向振动为激励，在不同振动激励强度下开展振动加速度测试、体压分布测试和主观评价。利用非参数统计分析方法和史蒂文斯幂定律分析振动加速度和体压分布指标与主观评分之间的相关程度和关联性大小，为汽车座椅振动舒适性评价提供参考。

1 座椅振动舒适性主客观试验

1.1 试验设备与人员

选用某款汽车座椅固定在振动台台面，如图1所示。试验采用的振动台为北京思齐致新科技公司生产的电磁激励单轴振动台，台面最大负载3 kN，最大行程±150 mm，工作频率范围为0.1-50 Hz。利用SIControl分析系统对试验所用的6种垂向激励信号进行迭代重现，频率带宽0.5-20 Hz，加速度均方根值为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 m/s2，保证激励信号的重现误差小于1%。

图1 振动舒适性试验

利用IMC数据采集器、B&K 4515-B三向加速度传感器分别采集座椅椅面和靠背的加速度，采样频率设置为200 Hz，采样时间为60 s。采用XSENSOR体压测量系统对人-椅接触面的压力进行采集，如图2所示。其中靠背用体压垫型号为PX100：40.64，有效测量面积为50.8×81.2 cm2，量程1.4-27 kPa；坐垫用体压垫型号为LX210：40.40，有效测量面积为50.8×50.8 cm2，量程0.69-103.43 kPa；体压分布测试的采样频率为32 Hz。

图2 体压分布测量试验

本次试验招募了12名受试者，受试者特征如表1所示。要求全体受试者近期无身体不适，且近3年内无腰背痛或肌肉骨骼疾病，所有受试者均签署了知情同意书。试验开始前对每位受试者进行简单指导，并对不同振动激励逐个体验，以帮助受试者熟悉试验内容和流程。此外，试验开始前每位受试者须在汽车座椅上静坐3 min，以确保泡沫坐垫的松弛特性达到相对稳定状态。

表1 受试者特征

1.2 试验设计

开展振动加速度测试时，调整并固定座椅靠背与坐垫夹角为110°，然后正确放置、固定坐垫加速度传感器。受试者以放松姿势坐在座椅上，背靠椅背，手自然放置于大腿上，将脚放在振动台的脚踏板上并保持大腿水平，如图1所示。振动台随机播放（随机序号在Matlab中生成）6种不同加速度均方根值的垂向激励信号。为保证测量数据的一致性，每次测量重复进行3次，且保证3次测量误差不超过5%。此外，要求受试者全程佩戴安全带，如有不适可按下急停按钮以终止试验。

体压分布测试与振动加速度测试分开进行，要求正确放置、固定体压垫，保证表面平整无褶皱。受试者身穿较柔软的衣服，采用与振动加速度测试时相同的坐姿，如图2所示。体压数据采集前先根据体压图像进行调试，待体压数据稳定后对靠背和坐垫压力数据同时进行采集，每次测量重复进行3次。

主观评价与体压测试同时进行，采用5分制不舒适性评价量表（见表2），对振动引起的不适进行打分。测试时，随机播放6种不同强度的垂向激励信号，受试者根据体验对指定振动信号给出对应不舒适度分值，并做记录。为避免视觉和噪声对受试者主观感受造成影响，要求受试者在试验过程中带上耳机（播放白噪声），同时闭上双眼。若受试者对自己的判断不确定，可以要求重新进行测试。

表2 不舒适性评价量表

1.3 数据处理

1.3.1 振动加速度

ISO 2631-1：1997将加权加速度均方根作为基本的评价方法，用来评价振动对人体舒适性的影响［29］。该指标综合考虑了振动强度、频率和振动方向对人体舒适性的影响。加权加速度均方根的计算方法如下。

首先将采集到的加速度时间历程x（n）进行频谱分析得到功率谱密度函数G（af），其频谱X（k）计算的离散表达式为

式中：N为傅里叶变换的点数；k代表离散的频率点。

功率谱密度函数G（af）为

式中Fs为采样频率。

则各轴的加权加速度均方根为

式中w（f）为频率加权函数，其中xs、ys、yb、zb方向的加权函数为w（df），zs的加权函数为w（kf），xb的加权函数为w（cf）。

加权加速度均方根值的计算公式为

式中i=1，2。当i=1时，av1代表座椅椅面处的加权加速度均方根值，此时轴加权系数kx、ky、kz均为1.0；当i=2时，av2代表座椅靠背处的加权加速度均方根值，此时轴加权系数kx、ky、kz分别为0.8、0.5、0.4［29］。

则同时考虑椅面和靠背处的加权加速度均方根值的计算公式为

1.3.2 体压分布

平均压力均值指人-椅接触面间不同时刻全部接触点压力在时间和空间上的算术平均值，即

最大压力均值指人-椅接触面间不同时刻所有接触点中最大压力在时间上的算术平均值，即

式中pip，j=max(pi，j)，pip，j代表测量周期内第j帧的最大压力。

压力变化率均方根值是指振动条件下压力在指定时间历程内变化率的均方根［19］，即

式中：T代表总的时间周期；p（t）代表平均压力时间历程。

文献［31］表明，振动下坐姿人体的不舒适感与人-椅界面间的力有关。由于XSENSOR体压测量系统所测得的压力为法向压力，本文中结合人-椅接触面的接触面积，提出法向力变化率均方根指标，即法向压力和接触面积的乘积在指定时间历程内变化率的均方根为

式中F（t）=p（t）×A（t），其中A（t）为接触面积时间历程。

根据式（6）～式（9）分别在靠背面、坐垫面计算平均压力均值、最大压力均值、压力变化率均方根和法向力变化率均方根，再计算人-椅接触面的总体指标，即

式中：SPcrms代表坐垫处的平均压力变化率均方根值；BPcrms代表靠背处的平均压力变化率均方根值；代表人-椅接触面的平均压力变化率均方根值。

式中：SFcrms代表坐垫处的法向力变化率均方根值；BFcrms代表靠背处的法向力变化率均方根值；代表人-椅接触面的法向力变化率均方根值。

1.4 非参数统计学分析方法

使用非参数检验对多个相关样本进行差异显著性检验。Friedman检验对分析样本无正态分布的要求，故采用Friedman双向方差分析对12组样本进行非参数统计学分析，根据显著性因子p是否小于0.05来判断测试样本是否存在显著差异。使用Spearman秩相关分析来确定客观指标和不舒适评分之间的相关程度，将显著性因子p与0.05比较，判断测试变量是否显著相关，根据相关系数β的大小判断相关性的强弱。

2 试验结果与分析

2.1 主观测试结果

12名受试者在不同振动激励强度下的主观评分结果如图3所示。从图中可以看出，随着振动激励强度的逐渐增大，受试者的主观不舒适性评分也随之增加。对于同一振动加速度均方根值而言，受试者之间的主观不舒适性评分有所不同，说明个体间的差异可能导致不同受试者对同一振动激励的主观感受不同。差异显著性水平统计学分析结果表明，振动激励强度的变化对受试者主观不舒适度有显著影响（Friedman，p<0.01）。因此，随着振动激励强度的增大，经由汽车座椅传递给人体的振动随之增大，对于同一个座椅和固定坐姿而言，振动输入激励强度的改变是导致舒适性变化的根本原因。

图3 不同振动激励强度下的主观不舒适性评分

2.2 客观测试结果

12名受试者在不同振动激励强度下加权加速度均方根值分析结果如图4所示。同样地，随着振动激励强度的逐渐增大，人-椅接触面的加权加速度均方根值随之增加。差异显著性水平统计学分析结果表明，输入激励强度的变化对人-椅接触面的加权加速度均方根值有显著影响（Friedman，p<0.01）。

图4 不同振动激励强度下加权加速度均方根值

图5展示了某一受试者在垂向激励工况下10、20、30 s时刻（从左至右）体压分布的测试结果。从图中可以看出，靠背最大压力均出现在肩胛骨附近，坐垫最大压力均出现在人体坐骨结节附近，以坐骨结节为中心向外逐渐减小，从坐骨结节至大腿前沿，压力逐渐减小。对不同时刻肩胛骨和坐骨结节区域的压力分布进行局部放大，从中可以看出靠背压力和坐垫处压力在不同时刻有明显变化，其中坐垫处的压力分布形式与文献［17］报道的结果一致。

图5 某一受试者不同时刻的体压分布云图

对12名受试者体压分布时间历程中的50 s数据进行处理，分别得到不同振动激励强度下各个受试者与座椅接触面的平均压力均值、最大压力均值、平均压力变化率均方根值和法向力变化率均方根值，如图6～图9所示。从图中可以看出，随着振动激励强度的增大，人-椅接触面的平均压力均值和最大压力均值都有所变化，但规律不明显，而平均压力变化率均方根值和法向力变化率均方根值则逐渐增大。差异显著性水平统计学分析结果表明，输入激励强度的变化对人-椅接触面的平均压力均值和最大压力均值的变化无显著影响（Friedman，p>0.05），而对平均压力变化率均方根值和法向力变化率均方根值均有显著影响（Friedman，p<0.01）。

图6 不同振动激励强度下的平均压力均值

图9 不同振动激励强度下的法向力变化率均方根值

从以上分析结果可以看出，不同的振动激励强度对人-椅接触面的平均压力变化率均方根值和法向力变化率均方根值的影响与对主观不舒适性评分的影响趋势一致，而平均压力均值、最大压力均值既无法反映振动激励强度的变化，也没有呈现与主观不舒适性评分类似的变化趋势。

图7 不同振动激励强度下的最大压力均值

图8 不同振动激励强度下的平均压力变化率均方根值

2.3 主客观结果相关性分析

为进一步探究动态工况下12名受试者的主观不舒适性评分与客观测试量的相关关系，对主观评分、加速度、体压分布等主客观指标进行相关性分析，结果如表3所示。从表中可以看出，主观不舒适性评分与人-椅接触面的加权加速度均方根值、平均压力变化率均方根值和法向力变化率均方根值均有显著相关关系（Spearman，p<0.01），且相关系数均大于0.8。虽然不舒适评分与平均压力均值在0.05级别（双尾）存在相关关系，但相关系数β仅为0.26，说明相关性并不强。而不舒适性评分与最大压力之间不存在显著相关性（Spearman，p>0.05）。对比表3中的分析结果可以发现，受试者主观不舒适性评分与人-椅界面间的平均压力变化率均方根值以及法向力变化率均方根值的联系更为紧密。

表3 主客观指标相关性分析

3 主客观关联性分析

对于振动加速度、体压分布等客观指标和主观不舒适性评分，采用史蒂文斯幂定律确定其关联性。史蒂文斯幂定律描述了刺激的客观物理量与受试者产生的感觉之间的关系［32］，即

式中：φ代表振动激励的客观量；ψ代表对应激励下的心理主观物理量；k为一个常数；n反映了人体不适随客观量的增长率。

利用对数坐标系将其转化为线性关系：

用12名受试者的客观测试量中位数代替客观量φ，主观不舒适性评分的中位数代替心理主观物理量ψ，利用式（14）对主客观物理量进行线性拟合。拟合的效果通过拟合优度进行判断，其表达式为

式中：yi表示第i个试验样本；yˉ表示试验样本的平均值；表示通过线性回归得到的预测变量，一般情况下，R2取值在［0，1］之间，该值越大则表示模型拟合精度越好。

采用史蒂文斯幂定律对主客观测试量进行线性回归拟合，相应的拟合参数如表4所示。受试者不舒适评分与人-椅接触面的加权加速度均方根值、平均压力变化率均方根值和法向力变化率均方根值的关联性分析结果如图10～图12所示。可以看出，主观不舒适性评分与加权加速度和体压分布指标均呈正相关关系，拟合优度R2均大于98.0%，说明人-椅接触面的加权加速度均方根值、平均压力变化率均方根值和法向力变化率均方根值与主观不舒适性评分均有较高的关联性。