人體動力特性振動臺試驗研究＊

杜陽陽,紀金豹,倪志偉

(北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京 100124)

0 引言

隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟水平的提高,人們對于生產、生活的環(huán)境質量要求也不斷提升,振動對人體的影響已經(jīng)越來越成為不可忽視的問題。從工業(yè)廠房的生產到建筑業(yè)的施工,以及大型城市由地鐵、輕軌、多層高架橋道路組成的高速交通體系,無一不是人們熟知的振動源。各種各樣的振動都時刻影響著人們的工作、生活和健康[1]。環(huán)境振動已經(jīng)和大氣污染一樣,成為一種環(huán)境污染[2],國際上已經(jīng)將其列為七大環(huán)境公害之一,因此,研究振動對人體的影響具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的與人相關的結構動力學模型,大多忽略人的作用,大量研究表明人體是一個非常復雜的生物彈性系統(tǒng)[3],并且振動特性隨著外界環(huán)境、姿勢以及自身的職業(yè)、性別、年齡、健康狀況等的變化而變化。近年來,人們開始把振動環(huán)境下人體簡化成不同自由度的質量、剛度、阻尼模型,研究人體在各種振動系統(tǒng)中的主客觀感受。如長春汽車研究所在1980年代末就對坐姿人體模型進行了研究[4-5]。汪芳子、戴詩亮等人也對人體振動模型進行了大量研究,用模態(tài)法進行參數(shù)識別,分析人體模型的非線性[6-10]。軍事醫(yī)學科學院的孫景工、牛福等學者以及吉林大學的姚為民等都對人體臥姿模型進行了研究[11-15],清華大學的夏群生等研究了適合中國人體情況的立姿人體垂直振動模型[16]。獲得廣泛認可的是國際標準組織頒布的ISO5982-1981標準提供的豎向振動下人體臥姿、立姿和坐姿下的并聯(lián)動力模型[16]。Griffin根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)研究了豎向振動下具有不同自由度的人體動力模型的特性和誤差,Sachse和Pavic等通過對不同參數(shù)的人體模型進行對比分析認為需要建立適合于土木工程的人體動力模型[17-18]。

在實際的環(huán)境振動中,人體在水平方向下的響應不能簡單忽略,目前世界范圍內一直缺乏對水平兩向人體振動特性的研究。振動臺試驗是研究人體地震反應最直接的方法之一,通過觀測人體在地震波作用下的反應,能夠掌握人體的動力特性和地震響應特點。本文結合人機工程學的結果,考慮人體站、躺、坐三種姿勢的影響,進行水平兩向白噪聲輸入的振動臺試驗,研究人體不同部位的動力特性。

1 人體動力特性振動臺實驗

1.1 試驗設備

試驗在北京工業(yè)大學工程結構實驗中心的地震模擬振動臺上完成,振動臺臺面尺寸3 m×3 m,最大載重量10 t,空載最大加速度2.5 g,最大位移1.2 cm,工作頻率0.1～50 Hz。利用I CP壓電式加速度傳感器和 IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加速度信號。

1.2 受試者人員選取

根據(jù)國外心理量測學研究結果,在置信度為95%,誤差0.5%時所需受試人數(shù)為8～12人。本試驗選擇20名受試者進行試驗,其中男性13名,女性7名,職業(yè)為學生和工人,年齡24～52歲,身高1.52～1.80 m,體重47～80 kg。全體受試者均為身體健康,無骨骼、肌肉疾病的成年人,身體情況符合中國成年人人體尺寸標準(GB/T10000),具有一定的代表性。

1.3 測點布置方法

依據(jù)“人體全身振動環(huán)境的測量規(guī)范”(GB/T13441-1992),結合試驗目的,測點布置圖設計如圖1所示。在臺面及人體的頭、肩、腹部、上肢、下肢安置加速度傳感器,以記錄臺面和人體的加速度時程。實際加速度傳感器布置效果如圖2所示,其固定方法為采用長度為30 cm、60 cm(兩條)、120 cm、150 cm的彈力布帶固定于腕部、頭部、膝蓋、腹部和肩部,外側縫制一層粘鏈布,將加速度傳感器裝在用松緊布制成的口袋里(口袋由兩種材料制成,外側為粘鏈布,粘面向外,內側為彈力松緊布,端部用粘鏈布用于調節(jié)長度),將裝傳感器的口袋粘在布帶上。每個部位布置三個傳感器以便于分別量測X、Y、Z向的加速度信號。保證加速度傳感器主軸方向與測量方向一致,并且注意保證三個方向的加速度傳感器相互正交。

圖1 測點布置圖

1.4 試驗設計和試驗過程

采用0.1～50 Hz限寬白噪聲作為激勵信號,采集人體在站、躺、坐三種姿勢下的頭部、肩部、腹部、上肢、下肢五個部位的加速度信號,采樣頻率為200 Hz。試驗中按照X、Y方向分別輸入白噪聲信號,即X方向的試驗過程結束后,再進行Y方向的試驗。

對于全體受試者,每人進行三種姿勢的試驗,每種姿勢兩個方向。站姿時立正姿勢,但全身自然放松;坐姿時,受試者自然坐在帶有靠背的折疊椅上,兩腳自然下垂。躺姿時受試者全身放松,仰臥在簡易床上。在在每次試驗之間受試者有一定的休息時間,以消除前次試驗對后次試驗的影響。

2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

將測得的加速度時域信號利用Matlab軟件進行FFT變換得到人體在不同姿勢下各部位的自振頻率及頻譜分布曲線。根據(jù)頻譜分布規(guī)律分析頻率分布的影響因素。

2.1 方向和姿勢對人體動力特性的影響分析

站姿下人體X、Y方向的振動響應沒有明顯區(qū)別,腿部振動頻率較其他部位高(圖3);躺姿下人體各部分的振動響應差異較小,在3～5 Hz的范圍內,各部分頻率比立姿有所提高(圖4);坐姿下人體各部分頻率差異較大,其中腹部振動明顯高于其他部位(圖5)。由結果可知,姿勢變化會對人體各部分振動頻率和幅度產生顯著影響,隨著人體重心的降低,振動頻率會有所升高。

圖3 站姿下人體頻率分布

圖4 躺姿下人體頻率分布

圖2 傳感器布置照片

由于試驗內容及試驗對象的特殊性,傳感器自身質量不能過大,在安裝與試驗過程中,都要

圖5 坐姿下人體頻率分布

振動信號沿人體X向(前后向)輸入與Y向(左右向)輸入在相同部位的振動頻率比較接近,除不同部位的振動頻率有所差別外,人體兩個水平方向的振動頻率基本一致。

2.2 其它因素對人體動力特性的影響分析

鑒于人體兩個水平方向振動頻率基本一致,因此僅以坐姿下Y向振動頻率與年齡、體重、身高的關系進行說明。受試者年齡范圍為24～52歲,身高1.52～1.80 m,體重47～80 kg,按照指標不同平均分為3組,得到人體振動頻率與年齡、體重、身高的柱狀圖如圖6～圖8所示,從圖中可以看出,人體各部分頻率受其它因素的影響規(guī)律并不相同,坐姿下人體腹部和上肢振動頻率明顯高于其他部位,腹部振動頻率有隨年齡增長而減小的趨勢、上肢頻率有隨身高增加逐漸增大的趨勢,而坐姿下肩部頻率受其它因素的影響相對最小。

圖6 坐姿下Y方向人體頻率隨年齡的變化

圖7 坐姿下Y方向人體頻率隨體重的變化

圖8 坐姿下Y方向人體頻率隨身高的變化

3 結論

水平方向人體動力特性振動臺試驗表明:

(1)人體自振頻率隨受試者個體和體態(tài)影響有一定差異,但確實存在相對集中的頻率范圍,這說明人體動力建模和人體振動反應規(guī)律的研究是可行的;

(2)受試者姿態(tài)對人體頻率影響明顯,這說明人體動力模型研究中應當注意人體在動力學角度的特殊性,尤其不能忽視人體的能動反應影響;

(3)人體頻率分布規(guī)律的研究工作可以為建立考慮人體不同部位的質量、剛度、阻尼的人體動力模型提供實測數(shù)據(jù)支持。

通過人體振動試驗可以客觀的評價環(huán)境振動特性對人體舒適度的影響,可為環(huán)境振動的治理提供依據(jù),為多維人體動力模型和環(huán)境振動人體舒適度評價體系的建立提供了實測數(shù)據(jù)的支持。同時由于人體是一個復雜、活躍而充滿個性差異的生物動力系統(tǒng),其對振動的感受不僅受到自身質量分布等動力特性的影響,也受到其生理、心理等因素的影響,人體動力模型的建立和人體舒適度的研究應當基于人體振動試驗數(shù)據(jù)的歸納和分析,而不能僅僅依賴于理論計算。由于目前世界范圍內對雙水平向人體振動試驗的研究基本上是一項空白,準確把握人體的動力特性從理論到應用還需要投入進一步的試驗性研究。

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