卧姿人体振动响应测量仪的研究

　　引言

　　为了评价在卧铺客车以及其他各种运输工具和机械产品中的卧姿人体承受的全身振动过程中,各种振动环境对卧姿人体舒适性的影响,国家及有关部门根据对卧姿人体承受振动的实验室试验研究和道路试验研究成果,于2001年制定颁发了《卧姿人体全身振动舒适性的评价》[1]、《卧铺客车平顺性随机输入行驶试验方法》[2]等标准。为了能对卧姿人体振动响应测量结果进行实时显示,开展了卧姿人体振动响应测量仪的研究。

　　1　卧姿人体全身振动舒适性评价准则

　　测量时的人体姿态为仰卧姿,应符合GB/T15619—1995《人体机械振动与冲击术语》[3]的规定,双手自然地放在臀部两侧,全身放松并在试验过程中保持姿势不变。规定由身体的背部垂直向上指向胸部为x轴方向,水平面内由脚部或臀部指向头部为z轴方向,由身体的右侧指向左侧为y轴方向。参照ISO相关的标准,采用2次计权评价的方法,即在卧姿人体与铺位紧密接触的头部和臀部处,分别放置一个可测量x轴方向振动加速度的传感器垫盘,获得头部和臀部x轴方向加速度时间历程信号axh(t)和axb(t)。

　　先进行部位计权计算:根据axh(t)和axb(t)的样本(采样频率200 Hz,每段采样1 024点),计算各自的1/3倍频程上的加速度均方根值为

　　式中　axhj、axbj——头部、臀部的第j个1/3倍频程上的加速度均方根值,m/s2

　　由对应的加速度自功率谱密度函数(简称自谱密度函数)Gah(f)或Gab(f)在该1/3倍频程上积分获得axhj和axbj,自谱密度函数可由时间历程axh(t)或axb(t)用直接法经快速傅里叶变换后平方获得。按国家标准规定,在0.5～80 Hz范围内可求得23个1/3倍频程上的axbj和axhj(j=1,2,…,23)。

　　文献[1,2]给出了头部和臀部的部位计权系数Wxhj和Wxbj(见图1),这是根据对中国人卧姿承受振动试验而总结出的规律,可见它是随频率的变化而变化的。

　　这样,可根据公式axbhj=Wxbjaxbj+Wxhjaxhj求出1/3倍频程上的部位计权加速度均方根值,在0.5～80 Hz的测量频带上,共有23个部位计权加速度均方根值axbhj,它反映了在一个1/3倍频带上的头部、臀部两部分振动的综合影响。

　　下一步的工作是进行频率计权加速度的计算:如同坐姿人体受振动的影响那样,头、臀两部位振动对人体的影响程度与频率也是密切相关的。标准给出了频率计权系数Wxbhj(j=1,2,…,23),这是对中国人群体做出的试验结果归纳(见图2)。可见在3 Hz以下,两个部位振动的影响都有很大的衰减。

　　可得到卧姿人体全身振动的最终评价值——卧姿人体臀头部x轴振动的频率计权加速度均方根值axbhw,根据axbhw的大小,分1～6级给出舒适性的等级评价。