救護車乘臥振動舒適性試驗、分析與評價方法研究

牛 福，孟令帥，蘇 琛，吳文娟，段德光，孟 光，孫景工

0 引言

在救護車運送傷病員時，多數工況是救護車在平穩(wěn)隨機的道路上行駛，有時也會遇到惡劣路況。路面不平是影響救護車乘臥舒適性的重要因素之一。由于路面不平而傳遞到救護車上的振動，會使救護車上的傷病員感到不適，嚴重時會影響傷病員的健康甚至二次傷害。

人體振動舒適性的研究正日益受到廣泛重視，并制定了相關國際標準[1-2]。徐新喜等學者[3-9]就救護車臥姿傷病員乘臥舒適性試驗、評價進行了大量研究，在實踐中優(yōu)化了試驗設計與評價方法。孫景工、高振海等研究人員[10-13]在試驗、分析的基礎上，通過二次隔振技術，有效改善了救護車臥姿傷病員的乘臥舒適性。

參照GB/T 4971—2009[14]的定義，救護車乘臥振動舒適性是指為救護車上傷病員提供舒適的乘臥振動環(huán)境的性能。我國在參照相關國際標準的基礎上，也制定了適合中國國情的人體振動舒適性試驗、分析與評價標準。救護車傷病員乘臥振動舒適性試驗、分析與評價方法并無專門的國家、行業(yè)標準，一般沿用普通車輛正常臥姿人體的相關標準。通過對相關標準的對比分析，發(fā)現有些試驗、分析以及評價方法不盡相同，而這些相關標準均為有效，并未廢止或取代。在實際工作中，可能存在相關標準選擇上的問題，筆者通過分析、總結，探討了在實際救護車乘臥振動舒適性試驗、分析、評價上的一些方法。

1 救護車乘臥振動舒適性試驗方法

影響救護車乘臥振動舒適性試驗的因素既有主觀的、也有客觀的；既有理論方法上的、也有實踐經驗上的?，F主要從以下幾個方面對救護車乘臥振動舒適性試驗方法進行探討。

1.1 試驗道路

GB/T 4970—2009[15]指出，車輛隨機輸入行駛的振動試驗道路應為瀝青路或水泥路，具體試驗路面等級可根據試驗具體需要而定。

QC/T 677—2001[16]規(guī)定，振動試驗道路一般應符合GB/T 7031—2005[17]所規(guī)定的相應等級路面，道路分級見表1。

表1 道路等級分級表

A級為最平坦路面，H級為最崎嶇路面。試驗道路應主要包括3種：（1）瀝青路，相當于B級路面；（2）水泥路，相當于B級路面；（3）砂石路，相當于C級路面。

試驗道路規(guī)定應優(yōu)選瀝青路或水泥路，砂石路試驗可供參考。而在實際試驗工作中，救護車，特別是急救車，存在越野路、急造路或其他惡劣路況上行駛的工況，那么在試驗路面等級上，可根據需要選擇GB/T 7031—2005規(guī)定的D、E或F等級的路面進行乘臥舒適性試驗。

另外，根據實踐經驗，路面等級可參考：（1）路面壓實的鄉(xiāng)間土路，參考D、E級路面；（2）中等破損的鄉(xiāng)間土路，參考E、F級路面；（3）遭到破壞的鄉(xiāng)間土路，參考F級路面；（4）收割過的耕地或草地，參考F級路面；（5）履帶式車輛駛過的破損路，參考F、G級路面；（6）履帶式車輛駛過的已毀路，參考G、H級路面。

1.2 試驗車速

按GB/T 4970—2009的相關規(guī)定，試驗應使用良好或一般路面。良好路面規(guī)定的試驗車速為40 km/h～最高設計車速（但不應超過試驗路面限制的最高車速），可按每隔10或20 km/h選取試驗車速。

QC/T 677—2001較 GB/T 4970—2009更為具體，規(guī)定了試驗車速一般應包括5種車速，并應使用常用擋位進行道路振動試驗。

（1）瀝青路和水泥路。車速一般為 50、60、70、80、90 km/h，常用車速選取70 km/h。

（2）砂石路。車速一般為 40、50、60、70、80 km/h，常用車速選取60 km/h。

車速偏差應為試驗車速的±4%。

若救護車或急救車在越野路、急造路或其他惡劣路況上行駛，實際試驗中行駛車速可選擇為20、30、40、50、60 km/h，常用車速為 40 km/h。

1.3 試驗人體載荷

按GB/T 4970—2009的規(guī)定，臥姿人體振動試驗載荷應為自然人，身高為（1.70±0.05）m、體質量為（65±5）kg。該標準與 QC/T 474—2011[18]所述一致。

而QC/T 677—2001規(guī)定，臥姿人體振動試驗載荷應為自然人，身高為（1.70±0.05）m、體質量為（60±5）kg。

上述標準關于載荷出現差異，實際試驗時應采用最新標準，即載荷應為（65±5）kg的自然人。

1.4 試驗儀器與要求

1.4.1 試驗儀器

試驗儀器系統(tǒng)一般應由加速度傳感器（坐墊式）、抗混濾波放大器、信號采集處理分析儀、數據自動采集和信號處理系統(tǒng)軟件、計算機等組成。ICP傳感器的普及，將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體，可直接與記錄、顯示和采集設備等連接，簡化了測試系統(tǒng)，可大幅提高工作效率、測試精度和可靠性。

1.4.2 試驗位置

對于臥姿人體，GB/T 18368—2001[19]認為，臥姿人體承受振動試驗載荷時，振動分別通過臀、頭的支撐接觸部位傳遞到人體。

在實際振動試驗中，我們應遵循GB/T 13441.1—2007[20]的規(guī)定，臀部測試部位應設在臀部支撐接觸區(qū)域中心，偏差一般應不大于100mm。頭部測試部位應設在頭部支撐接觸區(qū)域中心，偏差一般應不大于30mm。

1.4.3 傳感器安裝

傳感器墊盤（或坐墊式傳感器）應緊密接觸人體，人體軸間與傳感器靈敏軸的偏差應符合GB/T 13441.1—2007中5.2的相關規(guī)定，其偏差一般應不大于 15°。

1.4.4 試驗人員要求

支撐面上臥姿人體，其雙手應自然地分別靠攏在臀部兩側，試驗過程中應全身完全放松并保持規(guī)定的姿勢。一般地，試驗條件中應說明是否放置枕頭或約束系統(tǒng)（如是否系安全帶）。

1.5 試驗數據采集與處理

試驗數據采集時應采用抗混濾波器，并應用窗函數。數據處理中涉及的采樣時間間隔、頻率分辨率和獨立樣本個數等需滿足采樣定理。

經綜合分析，數據采集與處理建議采用的參數是：（1）采樣時間：t≥180 s；（2）截斷頻率：fc=100.00 Hz；（3）采樣時間間隔：Δt=0.005 s；（4）頻率分辨率：Δf=0.195 3 Hz；（5）試驗獨立樣本數：q≥25；（6）窗函數：Hanning窗函數（用于功率譜密度計算）。

2 救護車乘臥振動舒適性分析方法

臥姿人體、特別是救護車傷病員，在受到振動激勵時，其不同部位、不同頻率下的振動感知是不同的。在進行救護車乘臥振動舒適性分析時，是根據臥姿人體在臀、頭等部位輸入的振動加速度綜合計權分析的。具體是通過部位計權與頻率計權的部位-頻率二次計權法獲得等效加速度均方根值[19]。

2.1 部位計權

一般使用加速度自功率譜密度函數Ga（f）來表征部位計權加速度。第一次計權可獲得臀-頭部位計權加速度，是臥姿人體的臀、頭部支撐接觸中心而得的等效加速度均方根值之和。通過部位計權處理而得的隨頻率而變的等效加速度，是進行第二次計權的基礎。

可根據式（1）獲得1/3倍頻程加速度均方根值：

式中：aj為第j（j=1，2，…，23）個加速度均方根值（中心頻率為fj），單位為m/s2；fuj，f1j為1/3倍頻程中心頻率fj的上、下限頻率（0.5～80 Hz頻率范圍），單位為Hz；Ga（f）為加速度自譜，單位為m2/s3。

式（1）中的a是由支撐面?zhèn)鹘o臥姿人體臀、頭部的加速度axb、axh，Ga（f）就是與axb、axh的加速度自譜，對應得到的aj是臀、頭部輸入的1/3倍頻程加速度均方根值 axbj、axhj。

可根據式（2）計算臥姿人體部位計權加速度：

式中：axbhj為第j（1，2，…，23）個1/3倍頻程臀-頭部位計權加速度均方根值（中心頻率為fj），單位為m/s2；Wxbj、Wxhj為臀、頭部輸入加速度的部位計權系數；axbj、axhj為1/3倍頻程臀、頭部輸入加速度均方根值，單位為m/s2。

臥姿人體臀-頭部振動部位計權系數見表2。

在實際計算分析時，可將式（2）轉為矩陣的形式，若以 diag（a1，a2，…，an）表示一個對角線元素依序為 a1，a2，…，an的對角陣，則有矩陣形式見式（3）：

式中：diag（axbh）為1/3倍頻程臀-頭部位計權加速度均方根值對角陣；diag（Wxb）、diag（Wxh）為臀、頭部輸入加速度的部位計權系數對角陣；diag（axb）、diag（axb）為1/3倍頻程臀、頭部輸入加速度均方根值對角陣。

2.2 頻率計權

頻率計權是用部位計權加速度后再對頻率計權而得的臥姿臀-頭計權加速度，第二次計權處理得到臀-頭頻率計權加速度。

表2 臥姿人體臀-頭部振動加速度頻率計權系數

由式（2）獲得部位計權加速度后，可由式（4）計算臥姿人體臀-頭部頻率計權加速度：

式中：axbhw為臥姿人體臀-頭部頻率計權加速度均方根值，單位為m/s2；axbhj為第j個1/3倍頻程中心頻率下的臥姿人體臀-頭部計權加速度均方根值，單位為m/s2；Waxbhj為第 j個 1/3倍頻程中心頻率下的臥姿人體臀-頭部加速度的頻率計權系數。

臥姿人體臀-頭部加速度頻率計權系數見表3。

在實際計算分析時，可將式（4）轉為矩陣的形式，若以tr（A）表示矩陣A的跡，即矩陣A主對角線上元素a1，a2，…，an的代數和，則有矩陣形式見式（5）：

表3 臥姿人體臀-頭部加速度頻率計權系數

式中：axbhw為臥姿人體臀-頭部頻率計權加速度均方根值；diag（Wxbh）為臥姿人體臀-頭部加速度的頻率計權系數對角陣；diag（axbh）為1/3倍頻程臀-頭部位計權加速度均方根值對角陣。

3 救護車乘臥振動舒適性評價方法

救護車乘臥振動舒適性評價方法有主觀評價與客觀評價之分。QC/T 677—2001、GB/T 18368—2001、GB/T 13441.1—2007均綜合應用了主觀感知評價與客觀數據分析評價方法，規(guī)定了臥姿人體全身振動舒適性評價標準，但不完全一致。比如在加速度均方根值范圍方面有一定差別，在舒適性評價上用語也有顯著不同。GB/T 18368—2001與GB/T 13441.1—2007的評價基本一致。而QC/T 677—2001專門用于臥鋪客車平順性分析評價，其規(guī)定較上述2個標準稍微嚴格一些，更適合用于救護車乘臥振動舒適性評價，其舒適性評價用語更為合理。因此，筆者建議救護車乘臥振動舒適性評價采用QC/T 677—2001規(guī)定的評價標準，見表4。

表4 臥姿人體振動舒適性評價分級區(qū)間（評價指標為臀-頭部頻率計權加速度）

4 結語

本文通過分析現行相關國際、國家標準，對救護車乘臥振動舒適性試驗、分析與評價方法進行了探討，有助于在試驗、分析與評價方法等方面提供相關具體依據。

然而，相關國際、國家標準規(guī)定臥姿人體均是針對正常健康人，即可以從事正常生活起居、旅行、能承受正常工作負荷的人。救護車主要用于運送傷病員，不同程度的傷病員對振動的感知、不同的振動激勵對傷病員的影響或傷害以及傷病員的乘臥舒適性評價等，在相關國際、國家標準中均未確定計權因子。另一方面，傷病員在運送過程中一般要系安全帶，ISO 2631-1:1997、ISO 8041—2005 均提及安全帶對振動測量、乘臥舒適性的影響，并規(guī)定了相關計權因子，而相關國家標準還未作出相關規(guī)定，這或許是將來研究救護車乘臥振動舒適性試驗、分析與評價方法的重要內容。此外，本文討論僅為臥姿人體承受垂直振動的乘臥舒適性試驗、分析與評價，但實際情況是臥姿人體在救護車運送過程中始終承受垂直振動、水平振動以及縱向角振動等多方向振動激勵。因此，多向復合振動激勵下的救護車傷病員乘臥舒適性試驗、分析與評價，仍需要進一步研究。

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[15] GB/T 4970—2009 汽車平順性試驗方法[S].

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[17] GB/T 7031—2005 機械振動道路路面譜測量數據報告[S].

[18] QC/T 474—2011 客車平順性評價指標及限值[S].

[19] GB/T 18368—2001 臥姿人體全身振動舒適性的評價[S].

[20] GB/T 13441.1—2007 機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第一部分：一般要求[S].