Page 361 - 《振动工程学报》2025年第11期
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第 11 期                    匡 昊，等：多轴振动对坐姿人体视在质量的影响研究                                         2819


                                   [7]
              2~4、1~3  和  4~6 Hz 之间 。然而，由于人体为复杂的
              非线性力学系统，其在多轴振动下的动力学响应不
              能简单地通过线性叠加单轴振动下的动力学响应来
              表 征 [7-9] 。 MANDAPURAM  等  [10]  对 比 了 不 同 频 率 响
              应估计方法计算得到的多轴振动与单轴振动下人体
              的视在质量，指出不同方法计算结果之间存在差异
              是由于人体的生物动力学响应受到了多轴振动输入                                     图 1 半消声室内的六自由度振动台
              耦合效应的影响。WU           等  [11]  测量了侧倾、横向和垂            Fig. 1 The six-axes vibrator at the semi anechoic laboratory
              向耦合激励下坐姿人体在人-座椅界面上的动态力                            传感器。除此之外，在测力板和靠背的中心位置各
              响应，并对比了单输入单输出              (single-input and single-  自安装了  2  个三向加速度坐垫传感器，型号为               PCB
              output, SISO) 和 多 输 入 单 输 出  (multi-input and single-
                                                                356B41，用于测量座板和靠背处的加速度；在振动台
              output, MISO) 方法计算得到的人体视在质量，结果                    的 地 板 上 安 装了    1  个 三 向 加 速 度 传 感 器 ， 型 号 为
              表明   MISO  方法更适用于计算具有多个相干振动输
                                                                356A17，用于测量地板上的加速度。信号采集使用
              入的人体视在质量。
                                                                具有 24 个通道的 LMS SCADAS 移动式设备，采样频
                  探究人体在多轴振动下的视在质量特性对于提
                                                                率为 400 Hz。
              高驾乘人员的舒适性具有重要意义，但目前大多数
                                                                                                   z   p
              研究主要关注多直线轴振动工况。然而，角振动激
              励也会对驾驶员的身心健康产生显著影响，尤其是                                      力传感器              安全带    y   x
              俯 仰 方 向 的 振 动 激 励   [12] 。 WYLLIE  等   [13]  探 究 了  12
              名受试者在低频纵向和俯仰振动下的舒适性变化规                                     坐垫加速度传感器
              律，结果显示人体对纵向和俯仰振动有着不同的感                                      测力板
              知机制，这表明在评估多轴振动下坐姿人体的舒适
                                                                         加速度传感器
              性时，应分别考虑纵向和俯仰振动的效应。振动环
              境下坐姿人体的舒适性与生物动力学响应间存在明                                                    六自由度振动台
                                                                                               振动激励信号
              显的相关性      [14] ，然而目前坐姿人体在多直线轴和俯
                                                                             图 2 实验仪器布置示意图
              仰耦合振动下的生物动力学响应特性仍未探明，难
                                                                       Fig. 2 The diagram of the experimental setup
              以为车辆的振动舒适性优化提供指导。
                  本研究的目的在于确定在多直线轴耦合俯仰振                          1.2    受试者
              动下与在单轴振动下坐姿人体视在质量之间的差
              异，探究振动轴向、幅值和频率特性对坐姿人体生                                共有 13 名受试者参与了此次试验，皆为浙江大
                                                                学的在校学生，他们的平均年龄为 22.9 岁（年龄范围
              物动力学响应的影响规律，并为车辆减振优化提供
                                                                为  20~30  岁，标准差为    3.1  岁），平均身高为 171.5 cm
              有价值的指导建议。

                                                                （身高范围为      160~182 cm，标准差为     5.7 cm），平均体
                                                                重为 68.8 kg（体重范围为      50~81 kg，标准差为     9.7 kg）。
              1    多  轴  振  动  下  人  体  生  物  动  力  学  试  验
                                                                在进行试验前，所有受试者均需确认没有任何以振

                                                                动为诱因的身体疾病或认知障碍，并签署了试验健
              1.1    试验仪器
                                                                康安全协议。本试验研究获得了浙江大学科技伦理
                  试验在浙江大学声学振动与人因工程实验室内                          委员会的批准。

              使用六自由度振动试验台进行，如图                 1  所示。
                                                                1.3    试验流程
                  如图  2  所示，试验时，在振动台面固定了一个刚
              性座椅，用于采集人体的生物动力学响应。在低于                                试验中共设计并使用了 51 个振动激励，包括不
              25 Hz 的频率范围内，该刚性座椅没有振动模态。试                        同加速度均方根值的单轴、双轴、三轴和四轴振动
              验进行全程中，受试者需系好安全带，以正常直立的                           信号，具体信息如表          1 所示。所有振动激励均为宽
              姿势坐在刚性座椅上，背部倚靠于竖直靠背之上。                            频白噪声振动信号，频率范围均为 0.5~20 Hz，时长均
                                                                                                             2
              刚性座椅的座板和靠背分别安装了一个三轴测力板                            为  50 s。其中，单轴振动信号幅值为            0.4、0.8、1.2 m/s ，
              和一个三轴力传感器，分别用于测量座面和靠背处                            多轴振动信号由不同轴向的幅值为                 0.4、0.8、1.2 m/s 2
              的动态力响应，其中测力板型号为                 Kistler 9281 B  型，  的组合构成（考虑到试验安全性，使用的四轴振动信
                                                                                                     2
              力传感器型号为熙源电子科技有限公司                   L3010  型力     号没有包括单一轴向振动幅值为                 1.2 m/s 的信号）。
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