CN108401980A - 模拟交变气压的装置、方法及研究交变气压对耳影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟交变气压的装置，包括机架、压力舱、活塞组件、导轨、步进电机和控制单元，所述活塞组件包括活塞缸和活塞，所述活塞的一端与所述导轨滑动连接，所述活塞的另一端与所述活塞缸滑动连接，所述活塞缸远离所述导轨的一端与所述压力舱固接，所述压力舱上设有通孔。模拟交变气压的方法，包括编写程序、密封连接压力舱、调试装置然后模拟交变气压等步骤。研究交变气压对耳影响的方法，将实验对象放入模拟交变气压环境的压力舱内，通过观察实验对象的生理反应来研究交变压力环境对耳的影响。本发明具有能模拟特定的压力变化和列车高速通过隧道时车厢内的瞬变压力环境，可通过实验研究交变气压对耳的影响等优点。

Description

模拟交变气压的装置、方法及研究交变气压对耳影响的方法

技术领域

本发明属于耳生物学研究领域，尤其涉及一种模拟交变气压的装置、方法及研究交变气压对耳影响的方法，具体的涉及一种用于开展不同压力幅值、不同压力变化率环境下的耳舒适性与气压伤研究的模拟交变气压实验装置和实验方法及耳舒适性与损伤的评价标准和准则。

背景技术

我国高速铁路及城市轨道交通装备的发展迅速，现已步入世界先进行列，为了确保高速铁路及城市轨道交通装备安全舒适地运行，需研究各物理量对人体舒适度的影响。列车高速通过隧道时产生的车厢内的瞬变压力会降低司乘人员及乘客的耳舒适性，且列车运行速度越高，不舒适度越强烈。目前针对交变气压对耳舒适性和损伤评估进行了一系列实验和理论等研究工作，有研究者建立了相关模型，对其进行仿真模拟，但理论和仿真等研究工作还只是停留在理论计算的层面，和实际结果会存在差别，且仅通过仿真模拟计算缺乏实际结果作为参照，无法修正和优化仿真模型，难以确定相应的评价标准和准则。此外，列车在隧道运行时车厢内压力主要以负压为主，目前针对负压引起的耳不舒适性的研究尚少，因此亟待从实验的角度开展相关的研究工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种能模拟特定的压力变化和列车高速通过隧道时车厢内的瞬变压力环境的实验装置和实验方法，还提供了一种使用该实验装置和方法研究交变气压对耳影响的研究方法，该研究方法可研究交变气压作用下的耳舒适性及损伤分析，获取舒适性评估的数据依据及鼓膜损伤阈值，构建更加科学的耳舒适性评估评价标准和评价方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种模拟交变气压的装置，包括机架、压力舱和活塞组件，所述压力舱和活塞组件设于所述机架上，所述装置还包括导轨，所述活塞组件包括活塞缸和能在所述活塞缸内做往复运动的活塞，所述活塞的一端与所述导轨滑动连接，所述活塞的另一端与所述活塞缸滑动连接，所述活塞缸远离所述导轨的一端与所述压力舱固接，所述压力舱上设有用于连通所述活塞缸和压力舱的通孔，所述装置还包括用于驱动所述活塞在所述导轨上做往复运动的步进电机和用于控制所述步进电机工作的控制单元。

上述的模拟交变气压的装置，优选的，所述活塞包括活塞头、活塞杆和密封圈，所述活塞杆的一端与所述活塞头固接，所述活塞杆的另一端与所述导轨滑动连接，所述活塞头设于所述活塞缸内并与活塞缸滑动连接，所述密封圈设于所述活塞头的周身表面。

上述的模拟交变气压的装置，优选的，所述控制单元包括直流电源、保险开关、计算机、基于所述计算机的控制器和根据所述控制器的控制信号驱动所述步进电机动作的驱动器，所述控制单元按照所述计算机、控制器、保险开关、直流电源、驱动器的顺序依次电连接，所述驱动器与所述步进电机电连接。

上述的模拟交变气压的装置，优选的，所述压力舱上设有取物口，所述取物口上设有能密封盖合或揭开的盖板和用于将所述盖板密封固定于所述取物口的连接件，所述压力舱的内壁上安装有压力传感器和摄像头。

一种使用上述装置模拟交变气压的方法，包括以下步骤，

（a）编写模拟交变气压的控制程序并将控制程序导入至控制单元；

（b）根据实验工况选择合适的压力舱，将所述压力舱与所述活塞缸密封连接；

（c）将压力舱密封，调试实验装置，验证装置的密封性；

（d）通过控制单元在压力舱内模拟出不同实验工况对应的交变气压。

上述的模拟交变气压的方法，优选的，所述步骤（c）中根据压力幅值和压力变化率进行至少三组重复性试验，计算试验得到的压力变化幅值与对应的工况要求的压力幅值的相对误差值，当试验误差在5%以内，认为控制程序正确且装置密封效果良好，当试验误差大于5%，需检查控制程序是否正确，同时检查装置连接处的密封性，直至满足试验误差在5%以内。

一种使用上述的装置研究交变气压对耳影响的方法，包括以下步骤，

（a）将实验对象放入压力舱内，然后将压力舱密封，使用上述的方法模拟出交变气压；

（b）观察记录实验对象在各种交变气压环境下的生理反应。

上述的研究交变气压对耳影响的方法，优选的，所述步骤（b）还包括对实验对象进行病理检查和解剖分析获取实验对象的耳气压损伤的损伤阈值和损伤病理表征。

上述的研究交变气压对耳影响的方法，优选的，所述步骤（b）之后还包括以下步骤，

（c）对健康的实验对象进行中耳组织切片和实验对象的鼓膜生物力学实验，获取实验对象的鼓膜的生物力学材料特性，重建实验对象耳生物力学有限元模型，将所述步骤（a）中设置的交变气压环境作为实验对象耳动力学仿真分析的边界条件，建立实验对象耳动力学响应和实验对象耳舒适性响应结果的映射关系，构建耳舒适性评估的评价方法和评价标准。

上述的研究交变气压对耳影响的方法，优选的，所述步骤（c）之后还包括以下步骤，

（d）利用已经建立的人耳生物力学有限元模型和实验对象的实验结果，对人耳在各种实验的交变气压环境下的动力学响应进行仿真分析和对比，构建用于评价人耳舒适性的评价方法和评价标准。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的模拟交变气压的装置，包括机架、压力舱、活塞组件、导轨、步进电机和控制单元，该装置结构简单，通过在控制单元中写入相应的控制程序控制步进电机的运动行程和速率，进而带动活塞组件动作，导轨能够对活塞组件的运动起到导向作用，防止活塞组件移动轨迹发生偏移影响装置精度甚至出现卡死的情况，通过改变压力舱的体积来模拟出控制程序对应的交变气压，活塞组件的位置决定压力舱内的气压大小，运动的速率决定压力舱内压力变化速率的快慢，同时使用不同大小规格的压力舱能模拟不同压力幅值的气压环境，根据实际实验要求选择，使用灵活方便，该实验装置能够稳定精准模拟气压幅值为-15kPa~25kPa的正、负压环境，改变压力舱的量程还能模拟更大幅值范围的压力环境，同时还可以通过改变控制程序代码模拟真实的车厢内交变压力，有利于开展交变气压对耳影响的相关研究工作。

本发明的模拟交变气压的方法，包括编写程序、密封连接压力舱、调试装置然后模拟交变气压等步骤，通过编写不同的控制程序能够模拟出各种所需的交变压力环境，不同的压力舱适用于不同的使用环境，使用前进行调试保证整个装置的气密性，提高模拟出的交变气压环境的精确度。

本发明的研究交变气压对耳影响的方法，将实验对象放入模拟了交变气压环境的压力舱内，通过观察实验对象的生理反应来研究交变压力环境对耳的影响，如实验对象耳不舒适性产生的初始阈值、实验对象耳不舒适程度等级判定、实验对象鼓膜损伤阈值等，从实验的角度研究了交变气压对耳的影响，为进一步的研究提供了新的思路和途径。

附图说明

图1是实施例中模拟交变气压的装置的结构示意图。

图2是实施例中模拟交变气压的装置的压力舱的主视剖视图。

图3是实施例中模拟交变气压的装置的压力舱的侧视剖视图。

图4是实施例中研究交变气压对耳影响的方法的流程示意图。

图5是实车试验测试得到的不同车厢的压力变化图。

图例说明：

1、机架；2、压力舱；21、通孔；22、取物口；23、盖板；24、连接件；25、压力传感器；26、摄像头；3、活塞组件；31、活塞缸；32、活塞；321、活塞头；322、活塞杆；323、密封圈；4、导轨；41、滑块；5、步进电机；6、控制单元；61、直流电源；62、保险开关；63、计算机；64、控制器；65、驱动器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

如图1所示，本实施例的模拟交变气压的装置，包括机架1、压力舱2和活塞组件3，压力舱2和活塞组件3设于机架1上，装置还包括导轨4，活塞组件3包括活塞缸31和能在活塞缸31内做往复运动的活塞32，活塞32的一端与导轨4滑动连接，活塞32的另一端与活塞缸31滑动连接，活塞缸31远离导轨4的一端与压力舱2固接，压力舱2上设有用于连通活塞缸31和压力舱2的通孔21，装置还包括用于驱动活塞32在导轨4上做往复运动的步进电机5和用于控制步进电机5工作的控制单元6。本实施例的装置结构简单，使用方便，控制单元6控制步进电机5带动活塞32在活塞缸31中运动，活塞32的运动的改变压力舱2和活塞缸31连通部分的总体积，由理想气体状态方程PV=nRT，对于一定体积的理想气体其物质的量为定值，R为理想气体常数，T为理想气体的热力学温度，忽略温度变化的条件下，压力舱2内的压力P和体积V呈反比例关系，因此可以通过改变体积来实现压力的变化，同时通过控制改变体积的速率来控制压力变化率，该装置通过配置不同的控制程序能够模拟出多种交变气压环境。

本实施例中，活塞32包括活塞头321、活塞杆322和密封圈323，活塞杆322的一端与活塞头321固接，活塞杆322的另一端与导轨4滑动连接，活塞头321设于活塞缸31内并与活塞缸31滑动连接，密封圈323设于活塞头321的周身表面。设置密封圈323以保证装置的良好的气密性，优选的，密封圈323上涂抹适量的润滑脂，以减小活塞头321与活塞缸31的缸壁的摩擦力，此外装置其他部件的连接处也涂抹有适量的润滑剂以保持较好的密封性。优选的，导轨4上设有可沿导轨4滑动的滑块41，活塞杆322的一端与滑块41通过螺栓连接，采用导轨4对活塞杆322进行导向，移动更为快速精准，也便于控制单元6带动步进电机5进行运动，避免出现活塞杆322受力不均出现偏移的情况而影响模拟出的交变气压环境导致实验误差。具体的，活塞头321的初始位置位于活塞缸31的中间位置，气体初始体积为压力舱2的体积加上活塞缸31的一半体积，活塞32向前运动时舱内压力升高，活塞32运动速度提高时压力变化率增大，反之，向后运动时舱内压力下降，活塞32运动速度降低压力变化率减小。

本实施例中，控制单元6包括直流电源61、保险开关62、计算机63、基于计算机63的控制器64和根据控制器64的控制信号驱动步进电机5动作的驱动器65，控制单元6按照计算机63、控制器64、保险开关62、直流电源61、驱动器65的顺序依次电连接，驱动器65与步进电机5电连接。直流电源61为控制单元6的运行提供工作电压，保险开关62起到安全保险的作用，计算机63便于编写控制程序和对实验装置进行操作，实现人机交互，控制器64能够根据计算机63的控制程序输出控制信号，驱动器65接受控制信号并按控制信号驱动步进电机5动作。

如图2和图3所示，本实施例中，压力舱2上设有取物口22，取物口22上设有能密封盖合或揭开的盖板23和用于将盖板23密封固定于取物口22的连接件24，压力舱2的内壁上安装有压力传感器25和摄像头26。设置取物口22便于对压力舱2内进行操作，在模拟交变气压环境时，盖板23密封盖合在取物口22上，以形成一个气密性良好的封闭空间，保证压力变化的精确度，压力传感器25能够实时监测压力舱2内的压力变化，摄像头26可以全程记录压力舱2内的情况。具体的，压力舱2由透明玻璃粘合而成，便于肉眼观察并对压力舱2内进行操作；压力舱2具有多种规格，不同体积的压力舱2能模拟出不同的压力幅值的环境，使用灵活方便；压力舱2与活塞缸31之间使用螺栓连接固定，连接件24为紧固螺栓，取物口22和盖板23之间通过紧固螺栓连接固定，螺栓连接便于拆卸，同时紧固时能够保证装置的气密性。

本实施例中，压力舱2的初始压力为标准大气压，具体压力视当地大气压力而定，进行试验时，压力舱2内压力在标准大气压力的基础上变化，压力舱2内压力变化的幅值为压力幅值A，-15kPa≤A≤25kPa，压力舱2内的压力变化速率为V，-0.5kPa/s≤V≤0.5kPa/s。

一种使用上述装置模拟交变气压的方法，包括以下步骤，

（a）在计算机63编写模拟交变气压的控制程序并与控制器64的数据接口进行连接，接通电源后直流电源61指示灯亮；

（b）根据实验工况选择合适的压力舱2，在活塞缸31与压力舱2的连接处涂抹适量的粘合剂并将活塞缸31与压力舱2通过螺栓紧固密封连接；

（c）将压力传感器25安装在压力舱2的内壁上，然后将盖板23放入取物口22处并用紧固螺栓依次锁紧，将压力舱2密封后，根据压力幅值和压力变化率进行至少三组重复性试验，计算试验得到的压力变化幅值与对应的工况要求的压力幅值的相对误差值，当试验误差在5%以内，认为控制程序正确且装置密封效果良好，当试验误差大于5%，需检查控制程序是否正确，同时检查装置连接处的密封性，直至满足试验误差在5%以内；

（d）在计算机63上通过输入活塞32的位移量和运动速度，点击正向、反向、运动或复位按钮来实现对活塞32运动特点的控制，在压力舱2内模拟出不同实验工况对应的交变气压。

使用本实施例的模拟交变气压的方法，能通过各种控制程序模拟出实验所需的交变气压环境，通过调试验证装置的气密性，当多次验证结果误差在一定范围内，即可认为装置的气密性良好，以保证实验时模拟出的交变气压环境的稳定性和精确度。

如图4所示，一种研究交变气压对耳影响的方法，包括以下步骤，

（a）将豚鼠放入压力舱2内，盖上盖板23后用紧固螺栓锁紧，将压力舱2密封，然后使用上述的方法分别模拟出以下交变压力环境：1）低压力幅值（压力幅值增量为1kPa），压力变化速率为±0.5kPa/s（压力变化率增量为0.1kPa/s）；2）如图5所示的真实列车车内交变压力变化，如头车司机室、头车客室内、中间车和尾车等车内气压变化；3）高压力幅值（绝对值），最低压力为-15kPa，最高压力幅值为25kPa，压力幅值增量为2kPa；

具体的，在计算机63的控制界面上输入活塞32运动位移量、运动速度和方向，点击运动按钮开始模拟交变气压环境，完成一次实验后，在计算机63上点击复位按钮，活塞32返回初始位置，然后将压力舱2上端的紧固螺栓拧开，打开盖板23使压力舱2内压力恢复初始压力，同时使新鲜空气进入压力舱，然后盖上盖板23密封压力舱2准备进行下一工况的实验；

（b）观察记录豚鼠在各种交变气压环境下的生理反应，在进行上述步骤（a）中第3）种交变气压环境下的实验后对豚鼠进行病理检查和解剖分析获取豚鼠耳气压损伤的损伤阈值和损伤病理表征；

（c）对健康豚鼠进行中耳组织切片和豚鼠鼓膜生物力学实验，获取豚鼠鼓膜的生物力学材料特性，重建豚鼠耳生物力学有限元模型，将所述步骤（a）中设置的交变气压环境作为豚鼠耳动力学仿真分析的边界条件，建立豚鼠耳动力学响应和耳舒适性响应结果的映射关系，构建耳舒适性评估的评价方法和评价标准。

（d）利用已经建立的人耳生物力学有限元模型和豚鼠的实验结果，对人耳在各种实验的交变气压环境下的动力学响应进行仿真分析和对比，构建用于评价人耳舒适性的评价方法和评价标准。

采用本实施例的研究交变气压对耳影响的方法，通过模拟低压力幅值记录豚鼠的生理反应，能获取豚鼠耳不舒适性产生的初始阈值，建立不舒适性等级的评价标准；通过模拟真实列车车内交变压力变化并记录豚鼠的生理反应，为评价高速列车车内气压品质提供评价依据；通过模拟高幅值压力环境的实验并记录豚鼠的生理反应，通过病理检查和解剖分析能够获取豚鼠耳气压损伤的损伤阈值和损伤病理表征，为后续的研究提供了参考和依据；通过豚鼠中耳组织切片和豚鼠鼓膜生物力学实验建立相应的模型，能将仿真模拟与实验结果相结合，提供了一种新的研究思路；利用前面的研究结果和人耳仿真模型，可以科学有效地构建出用于评价人耳舒适性的评价方法和评价标准，进而对高速列车车内气压品质进行预测评估，为高速列车气密性的研究提供数据参考。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种模拟交变气压的装置，包括机架（1）、压力舱（2）和活塞组件（3），所述压力舱（2）和活塞组件（3）设于所述机架（1）上，其特征在于：所述装置还包括导轨（4），所述活塞组件（3）包括活塞缸（31）和能在所述活塞缸（31）内做往复运动的活塞（32），所述活塞（32）的一端与所述导轨（4）滑动连接，所述活塞（32）的另一端与所述活塞缸（31）滑动连接，所述活塞缸（31）远离所述导轨（4）的一端与所述压力舱（2）固接，所述压力舱（2）上设有用于连通所述活塞缸（31）和压力舱（2）的通孔（21），所述装置还包括用于驱动所述活塞（32）在所述导轨（4）上做往复运动的步进电机（5）和用于控制所述步进电机（5）工作的控制单元（6）。

2.根据权利要求1所述的模拟交变气压的装置，其特征在于：所述活塞（32）包括活塞头（321）、活塞杆（322）和密封圈（323），所述活塞杆（322）的一端与所述活塞头（321）固接，所述活塞杆（322）的另一端与所述导轨（4）滑动连接，所述活塞头（321）设于所述活塞缸（31）内并与活塞缸（31）滑动连接，所述密封圈（323）设于所述活塞头（321）的周身表面。

3.根据权利要求1或2所述的模拟交变气压的装置，其特征在于：所述控制单元（6）包括直流电源（61）、保险开关（62）、计算机（63）、基于所述计算机（63）的控制器（64）和根据所述控制器（64）的控制信号驱动所述步进电机（5）动作的驱动器（65），所述控制单元（6）按照所述计算机（63）、控制器（64）、保险开关（62）、直流电源（61）、驱动器（65）的顺序依次电连接，所述驱动器（65）与所述步进电机（5）电连接。

4.根据权利要求3所述的模拟交变气压的装置，其特征在于：所述压力舱（2）上设有取物口（22），所述取物口（22）上设有能密封盖合或揭开的盖板（23）和用于将所述盖板（23）密封固定于所述取物口（22）的连接件（24），所述压力舱（2）的内壁上安装有压力传感器（25）和摄像头（26）。

5.一种使用根据权利要求1至4任一项所述的装置模拟交变气压的方法，其特征在于：包括以下步骤，

（a）编写模拟交变气压的控制程序并将控制程序导入至控制单元（6）；

（b）根据实验工况选择合适的压力舱（2），将所述压力舱（2）与所述活塞缸（31）密封连接；

（c）将压力舱（2）密封，调试实验装置，验证装置的密封性；

（d）通过控制单元（6）在压力舱（2）内模拟出不同实验工况对应的交变气压。

6.根据权利要求5所述的模拟交变气压的方法，其特征在于：所述步骤（c）中根据压力幅值和压力变化率进行至少三组重复性试验，计算试验得到的压力变化幅值与对应的工况要求的压力幅值的相对误差值，当试验误差在5%以内，认为控制程序正确且装置密封效果良好，当试验误差大于5%，需检查控制程序是否正确，同时检查装置连接处的密封性，直至满足试验误差在5%以内。

7.一种使用根据权利要求1至4任一项所述的装置研究交变气压对耳影响的方法，其特征在于：包括以下步骤，

（a）将实验对象放入压力舱（2）内，然后将压力舱（2）密封，使用根据权利要求5或6所述的方法模拟出交变气压；

（b）观察记录实验对象在各种交变气压环境下的生理反应。

8.根据权利要求7所述的研究交变气压对耳影响的方法，其特征在于：所述步骤（b）还包括对实验对象进行病理检查和解剖分析获取实验对象耳气压损伤的损伤阈值和损伤病理表征。

9.根据权利要求7或8所述的研究交变气压对耳影响的方法，其特征在于：所述步骤（b）之后还包括以下步骤，

（c）对健康的实验对象进行中耳组织切片和实验对象的鼓膜生物力学实验，获取实验对象鼓膜的生物力学材料特性，重建实验对象耳生物力学有限元模型，将所述步骤（a）中设置的交变气压环境作为实验对象耳动力学仿真分析的边界条件，建立实验对象耳动力学响应和实验对象耳舒适性响应结果的映射关系，构建耳舒适性评估的评价方法和评价标准。

10.根据权利要求9所述的研究交变气压对耳影响的方法，其特征在于：所述步骤（c）之后还包括以下步骤，

（d）利用已经建立的人耳生物力学有限元模型和实验对象的实验结果，对人耳在各种实验的交变气压环境下的动力学响应进行仿真分析和对比，构建用于评价人耳舒适性的评价方法和评价标准。