Page 64 - 《振动工程学报》2026年第5期

1268 振 动 工 程 学 报 第 39 卷

究人体局部振动响应特征和人体模态参数识别 [8-10] 。 究：一方面，前后方向、侧向和垂向三轴同时振动激
前后方向或垂向单轴振动激励下，有靠背支撑的坐 励下，人体振动响应在矢状面和冠状面内的振动运
姿人体前后轴向表观质量共振峰位于 2.0~5.0 Hz 频 动耦合情况还未知；另一方面，车辆振动引起的下腰
段 内 [11] ， 而 垂 向 表 观 质 量 的 两 个 共 振 峰 分 别 位 于 肢疼痛现象常见于职业司机群体，但现有人体动力
5.0~6.0 Hz 和 8.0~12.0 Hz 频段 [11-12] 。侧向振动激励下 学模型尚未充分考虑人体腰椎结构，不能用于预测
坐姿人体靠背处侧向表观质量的第一个共振峰位于 多轴振动激励下的人体腰椎振动响应。
1.0 Hz 附近，而座板处侧向表观质量的第一个峰值 本文旨在建立三维坐姿人体动力学模型，用于
则位于 2.8 Hz 附近 [13] 。国内对全身振动激励下的人 预测前后方向、侧向和垂向同时振动激励下的身体
体生物动力学响应研究起步较晚。林泽峰等 [14] 探究 振动传递函数，并揭示三轴振动激励下人体表观质
了侧倾振动下的人体视在惯量，识别到位于 1 和 2.5 Hz 量或身体振动传递函数中共振峰的产生机理。首
的两个共振峰。陈晨旭等 [15] 测试并分析了前后振动 先，本文测得三轴振动激励下座椅至人体三个目标
激励下仰卧人体身体振动传递函数，发现振动台面 测 点 处 的 振 动 传 递 函 数 。 其 次， 建 立 一 个 包 括 头
至卧姿人体胸部、腹部的身体振动传递函数共振峰 部、上胸椎、下胸椎、腰椎 L3 和 L4、盆骨和左右大
位于 10 和 8 Hz 附近，而至大腿处振动传递函数的共 腿的 38 自由度坐姿人体多体动力学模型，并使用测
振频率位于 7 和 10 Hz 附近。 得的传递函数识别模型参数。最后，通过模型识别
研究表明，在单轴振动基础上增加正交轴向的 人体模态参数，可视化地分析人体在各共振频率处
振动激励会导致人体发生“软化”现象，主要表现为 的振动特征，揭示表观质量及身体振动传递函数中
人体表观质量或身体振动传递函数共振频率的降 共振峰的产生机理。

低 [16-18] （即非线性）。ZHENG 等 [9-10] 测试了无靠背支
撑时座椅到人体脊柱、盆骨等不同位置的身体振动
1 坐 姿 人 体 振 动 传 递 函 数 测 试
传递函数，发现前后方向和垂向身体振动传递函数
共振频率或幅值会随着其正交轴向（即垂向或前后
本文使用一个六自由度振动模拟台（浙江大学，
轴 向） 振 动 激 励 强 度 的 增 大 而 出 现 不 同 程 度 的 降
Servotest）为受试者提供振动激励。该振动模拟台的
低。真实乘车场景下，乘客背部通常受到座椅靠背
工作频率为 0~50 Hz，最大负载为 1000 kg，垂向运动
的支撑。座椅靠背不仅能够限制人体在矢状面内的
位移区间为±0.35 m，水平运动位移区间为±0.25 m。
前后或俯仰运动，还会直接将座椅多个轴向的振动
试验过程中受试者位于一个带有靠背的刚性座椅
激励直接传递至人体上躯干，使得人体振动传递路
（铝合金材料）上（见图 1），该刚性座椅的一阶固有频
径和边界条件更加复杂。然而，针对多轴尤其是前
率在 25 Hz 以上，并通过螺栓固定在振动模拟台面
后方向、侧向和垂向三轴振动激励下有靠背支撑的
上。试验开始前，去除受试者身体测点附近的衣物，
坐姿人体身体振动传递特性的研究还鲜有报道。
使用双面胶将三向加速度传感器（PCB，356A02）粘
人 体 动 力 学 模 型 主 要 分 为 集 总 参 数 模 型 [19-21] 、
贴在受试者的胸腔（腰椎 T5 前方）、腰椎 L3、盆骨等
多体动力学模型 [22-25] 和有限元模型 [26-27] 。多体动力
位置 [31] ，并在振动台面安装一个三向加速度传感器
学建模方法因较有限元建模方法具有更高的计算效
以获取振动输入信号。
率，同时又避免了集总质量模型结构过于简洁的问
题而被广泛采用。然而，现有坐姿人体多体动力学 z x
o
模型多为二维平面模型，仅适用于研究单轴或两轴 头部
同时振动激励下坐姿人体在矢状面（x-z 平面）或冠
状面（y-z 平面）内的振动响应 [5,7,22,24,28] 。近年来，建立
能够预测多轴振动激励下坐姿人体振动响应动力学 z y 胸腔
模型的研究越来越得到业内学者的重视。WU 等 [29] o x
提出了 16 自由度的人体动力学模型，预测分析了坐 腰椎L3
姿人体在侧倾、侧向和垂向三轴振动激励下的表观
左臀 左大腿 盆骨 右臀 右大腿
质量与模态特性，探究了坐姿人体在冠状面内的共
图 1 试验装置与受试者示意图
[30]
振行为。YU 等 提出了 48 自由度坐姿人体动力学
Fig. 1 Schematic diagram of experimental devices and subjects
模型，该模型被验证可以用于预测前后方向、侧向
和垂向三轴振动激励下的座椅到人体头部振动传递 本文使用 40 通道 LMS SCADAS SC305W 数据采
函数。多轴振动激励下的人体建模值得进一步研 集系统记录和存储试验信号，采样频率设置为 400 Hz。