CN113970416B - 利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，包括以下步骤：S1.选择一柔性结构并获取其自振频率；S2.依据测试者姿势选择激振者的节律性运动形式、以及确定节律性运动频带范围、频带步长；S3测试者以特定姿势静止于柔性结构上，激振者在频带范围内依次以设定的频带步长进行节律性运动，柔性结构的响应对测试者进行激振；S4.获取柔性结构和测试者加速度响应时程数据，去除柔性结构的自振频率的影响，作出测试者频响函数曲线；S5.由频响函数曲线分析得到测试者的动力特性。本发明的有益效果：利用人体节律性激振的多倍频特点，有效拓宽激振频带，能够在较宽频带范围内实现不同姿势的静态人体动力特性识别。

Description

利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法

技术领域

本发明涉及建筑结构和人体动力学技术领域，尤其涉及一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法。

背景技术

随着社会发展，人们越来越重视人体动力特性对于工作生活中舒适度的影响，比如在汽车减隔振系统设计、生物力学模型等领域就很大程度上依赖人体动力特性(主要是特征频率)的实测结果。

传统的人体动力特性识别需要利用振动台进行激振，通过简谐信号或扫频信号对人体进行激振，测试不同人体姿势下的频率响应函数。振动台实验的局限性在于，设备成本高昂、能耗大、耗时长。

发明内容

有鉴于此，为了解决传统的人体动力特性识别需要利用振动台进行激振的局限性，本发明的实施例提供了一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法。

本发明的实施例提供一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，包括以下步骤：

S1.选择一柔性结构并获取所述柔性结构的自振频率；

S2.依据测试者的姿势选择激振者的节律性运动形式、以及确定激振者的节律性运动频带范围，并设定激振者的节律性运动频带步长；

S3测试者以特定姿势静止于所述柔性结构上，激振者在频带范围内依次以设定的频带步长进行节律性运动，以此对所述柔性结构施加激振力，使所述柔性结构激振，且基于人体节律性激振的多倍频特点，所述柔性结构受到的激振频率为设定节律性运动的基频以及该频率的多阶倍频，所述柔性结构的响应对所述测试者进行激振；

S4.获取所述激振者每次节律性运动过程中所述柔性结构和所述测试者的加速度响应时程数据，在所述激振者节律性运动频域范围内进行分析，去除所述柔性结构的自振频率的影响，作出所述测试者的频响函数曲线；

S5.由频响函数曲线分析得到测试者的动力特性。

进一步地，所述柔性结构为人行天桥或大跨度楼板。

进一步地，所述步骤S4中利用频响公式

计算出每一频率点ω的频响，作出所述测试者的频响函数曲线；

其中A(ω)为频率点ω对应的测试者的加速度幅值，a(ω)为频率点ω对应的柔性结构的加速度幅值，H(ω)最大值对应的频率为测试者的自振频率。

进一步地，所述步骤S1中，所述柔性结构的自振频率通过人工激振法测试获得。

进一步地，所述步骤S3中，所述激振者参照节拍器按照设定的频带范围与频带步长对所述柔性结构进行激振。

进一步地，所述步骤S4中，通过惯性测量单元以获取所述柔性结构和所述测试者的加速度响应时程数据。

进一步地，所述步骤S4中，通过具有惯性测量单元的移动设备获取所述柔性结构和所述测试者的加速度响应时程数据。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，通过激振者对柔性结构施加激振，以柔性结构的响应作为对测试者的输入，创新性地利用了人体激振的特殊性，即激振者在对柔性结构施加激振时不仅能得到激振者的设定频率，还可以得到设定频率的多倍频率，有效地拓宽了激振频带，能够通过模态识别方法识别出人体的动力特性，可准确测试出测试者的自振频率，相较于传统的振动台实验又更加方便，不受场地限制。

附图说明

图1是本发明一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法的流程图；

图2是本发明一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法的模型图；

图3是测试柔性结构自振频率时激振者对柔性结构施加的激振力频谱图；

图4是测试柔性结构自振频率时柔性结构响应激振者施加的激振力而振动的频谱图；

图5是激振者节律性运动过程中柔性结构的加速度响应时程图；

图6是图5中的加速度响应时程图对应的频谱图；

图7是激振者节律性运动过程中测试者的加速度响应时程图；

图8是图7中的加速度响应时程图对应的频谱图；

图9是测试者频响曲线图；

图10是人体激振拓宽频带示意图；

图11是测试者响应柔性结构激振而振动的频谱图。

图中：1-柔性结构、2-激振者、3-测试者。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

请参考图1和2，本发明的实施例提供了一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，主要包括以下步骤S1～S5。

S1.选择一柔性结构1并获取所述柔性结构1的自振频率。

具体的，在测试之前应先选择一个合适的柔性结构1作为实验结构，为获取更佳实验数据，所述柔性结构1一般为柔度和跨度较大的工程结构，包括但不限于桥梁、吊桥、人行天桥或大跨度楼板等，所述大跨度楼板一般为跨度大于4.2米的楼板。如图2所示，本实施例中所述柔性结构1选择的是武汉市内某人行天桥。

所述柔性结构1的自振频率可以由多种测量或计算方式获得，对此可以不做限制。本实施例中本着实验便捷性的原则，采用的方式是人工激振法，即激振者借助节拍器按指定的频率对所述柔性结构1进行激振，根据如3所示的激振力频谱和如图4所示的所述柔性结构1响应频谱快速获得所述柔性结构1的自振频率。如图4所示结果，所述柔性结构1自振频率为2.75Hz。

S2.依据测试者3的姿势选择激振者的节律性运动形式、以及确定激振者2的节律性运动频带范围，并设定激振者2的节律性运动频带步长；

由于不同的人体姿势自振频率区间不同，因此需要先根据测试者3的姿势确定激振者2节律性运动的运动方式，同时还要确定所述激振者2做节律性运动的频带范围、以及设定好每次做节律性运动频带步长。

所述激振者2对所述柔性结构1施加激振的频带与步长由所述测试者3的姿态确定。基于人体激振的特殊性，所述柔性结构1受到的激振力是所述激振者2节律性运动的频率以及该频率的多阶倍频，相应的所述柔性结构1响应也会表现出节律性运动频率与各阶倍频。本实施例中测试者3为立姿时，确定所述激振者2节律性运动频率范围为1～3.5Hz，步长为0.05Hz，这样便可以同时以0.1Hz的步长覆盖3.6～7Hz。便可覆盖1～7Hz的频带。经验证，所述节律性运动选择弹跳动作(bounce)可在这一频带内完成激振。对于本领域技术人员而言，可以理解的是，所述节律性运动还可以选择跳跃、步行、跑步、左右摇摆(sway)等。

S3测试者3以特定姿势静止于所述柔性结构1上，激振者2在频带范围内依次以设定的频带步长进行节律性运动，以此对所述柔性结构1施加激振力，使所述柔性结构1激振，且基于人体节律性激振的多倍频特点，所述柔性结构1受到的激振频率为设定节律性运动的基频以及该频率的多阶倍频，所述柔性结构1的响应对所述测试者进行激振。

本实施例中所述测试者3所选择的特定姿势为立姿，对于本领域技术人员而言，可以理解的是所述特定姿势还可以为坐姿、单脚站立等。

所述激振者2可以参照节拍器设定频带与步长进行节律性运动对所述柔性结构1进行节律性激振，以保证所述激振者2可较为准确的在节律性运动频域范围内以频带步长激振。

S4.获取所述激振者2每次激振过程中所述柔性结构1和所述测试者3的加速度响应时程数据，在节律性运动频域范围内进行分析，去除所述柔性结构1的自振频率的影响，作出所述测试者3的频响函数曲线；

具体的，可以通过惯性测量单元(IMU)以获取所述柔性结构1和所述测试者3的加速度响应时程数据，即将一惯性测量单元(IMU)安装于所述柔性结构1上，将另一惯性测量单元(IMU)穿戴于所述测试者3身上。同时也可以通过具有惯性测量单元(IMU)的移动设备获取所述柔性结构1和所述测试者3的加速度响应时程数据，所述移动设备为手机等电子设备，分别两所述移动设备固定于所述柔性结构1和所述测试者3上，进而进行加速度响应时程数据测试。

获取所述柔性结构1和所述测试者3的加速度响应时程数据分别如图5和7所示，之后通过傅里叶变换即可得到所述柔性结构1和所述测试者3的频域数据。如图6所示的频谱图为所述柔性结构1频域数据，如图8所示的频谱图为所述测试者3的频域数据。

如图6所示，当所述激振者2以2.5Hz激振时，所述柔性结构1的响应振动包括激振频率2.5Hz、激振频率的二阶倍频5Hz以及本身的频率2.75Hz(所述柔性结构自振频率)。如图8所示，所述测试者3的响应振动也有者着三个频率2.5Hz、5Hz和2.75Hz(所述柔性结构自振频率)。每个频率点的峰值y坐标就是其幅值，有了所述柔性结构1激励与所述测试者响应的幅值，即可利用频响公式

计算出每一频率点ω的频响。

其中A(ω)为频率点ω对应的测试者3的加速度幅值，a(ω)为频率点ω对应的柔性结构1的加速度幅值，H(ω)最大值对应的频率为测试者3的自振频率。

需要说明的是，这里所述柔性结构1和所述测试者3的加速度响应时程数据均包含所述柔性结构1自振频率附近的数据，所述柔性结构1的自振频率会对所述测试者3的加速度响应时程数据形成干扰，因此在计算每一频率点ω的频响时，需要去除所述柔性结构1的自振频率这一频率点，以去除所述柔性结构1的自振频率的影响。

按每一个步长计算出频带上每一频率点ω的频响即可以做出所述测试者3的频响曲线，图9所示为本实施例中的所述测试者3的频响曲线。

S5.由频响函数曲线分析得到测试者3的动力特性，所述动力特性为所述测试者3特定姿势的自振频率和阻尼比。

由频响曲线可以看出所述测试者3的频响最大值约为5.4Hz，(5.4Hz处响应特别明显)，这与国内外文献中的实测结果范围都是吻合的。进一步，依据所述测试者3特定姿势的频响函数即可计算出阻尼比。

需要说明的是，本实施例还对上述利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法理论可行性进行了论证分析。具体如下：

人体激振具有特殊性，即人体在激振时结构不仅能得到人体的指定频率，还可以得到指定频率的多倍频率，有效地拓宽了激振频带。如图10所示为人体激振时得到的频谱图，从图10中可以清晰地得到指定频率的多阶倍率。

如图3所示的所述激振者2对所述柔性结构1施加激振力的频谱图，以及图4所示的所述柔性结构1响应所述激振者2施加的激振力而振动的频谱图，从图中可以识别出所述柔性结构两倍频的峰值。(柔性结构的一阶频率是2.75，所以柔性结构的响应会有一个额外的2.75的峰值。)，虽然在7.5Hz处的三阶响应并不显著，但是至少二阶的能量是可以保证的。

再以图4所示的所述柔性结构1响应作为对所述测试者3的激振，静止的测试者3的响应频谱如图11所示。由图4和11中可以看出，输入和输出的能量都得到了保证，也就是说通过这种方法计算人体参数是可行的。经实际验证，人力激振在1～3.5Hz都是可以达到的，也就是说，这种方法能够测试到人体在1～7Hz能量激振下的响应，足以覆盖人体频率。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.选择一柔性结构并获取所述柔性结构的自振频率；

S2.依据测试者的姿势选择激振者的节律性运动形式、以及确定激振者的节律性运动频带范围，并设定激振者的节律性运动频带步长；

S3测试者以特定姿势静止于所述柔性结构上，激振者在频带范围内依次以设定的频带步长进行节律性运动，以此对所述柔性结构施加激振力，使所述柔性结构激振，且基于人体节律性激振的多倍频特点，所述柔性结构受到的激振频率为设定节律性运动的基频以及该频率的多阶倍频，所述柔性结构的响应对所述测试者进行激振；

S4.获取所述激振者每次节律性运动过程中所述柔性结构和所述测试者的加速度响应时程数据，在所述激振者节律性运动频域范围内进行分析，去除所述柔性结构的自振频率的影响，作出所述测试者的频响函数曲线；具体为：利用频响公式

计算出每一频率点ω的频响，作出所述测试者的频响函数曲线，A(ω)为频率点ω对应的测试者的加速度幅值，a(ω)为频率点ω对应的柔性结构的加速度幅值，H(ω)最大值对应的频率为测试者的自振频率；

S5.由频响函数曲线分析得到测试者的动力特性。

2.如权利要求1所述的利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，其特征在于：所述柔性结构为人行天桥或大跨度楼板。

3.如权利要求1所述的利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述柔性结构的自振频率通过人工激振法测试获得。

4.如权利要求1所述的利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述激振者参照节拍器按照设定的频带范围与频带步长对所述柔性结构进行激振。

5.如权利要求1所述的利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过惯性测量单元以获取所述柔性结构和所述测试者的加速度响应时程数据。

6.如权利要求1所述的利用人工节律性激振的静态人体动力特性快速测试方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过具有惯性测量单元的移动设备获取所述柔性结构和所述测试者的加速度响应时程数据。

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