CN114878122B - 一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，涉及飞机测试技术领域，包括以下步骤：S1、受试人体模型评分；S2、多点多轴向振动总值计算；S2‑1、1/3倍频程带带宽计算；S2‑2、计权均方根加速度计算；S2‑3、单个振动信号的总计权加速度计算；S2‑4、多点多轴向合成；S3、量化关系分析；S4、振动评价图表绘制。本发明的振动评价方法细化了人体不舒适度评价等级，修正了常规标准中计权加速度和评价结果之间的对应关系，更加精确的描述了飞机舱室振动环境中多点多轴向振动总值和不舒适度的对应关系，明确了不同不舒适度对应的振动总值界限，该方法更加适用于飞机舱室振动环境下的人体舒适性评价。

Description

一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法
技术领域
本发明涉及飞机测试技术领域，具体是涉及一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法。
背景技术
我国客机在飞行过程中舱室的振动舒适性设计技术与国外相比存在明显差距，其中的主要问题之一是缺乏客机专用的人体振动舒适性评价标准。目前，人体振动舒适性评价标准中认可度较高、应用较广泛的通用标准为国际标准组织颁发的ISO2631-1997。一些国家和地区也颁布了自己的人体振动舒适性标准，例如英国颁布的BS6841-1987，我国等同采用国际标准制定了国标GB/T13441。这些标准在汽车、建筑等行业已经得到了广泛应用。
然而将这些标准应用于客机舱室环境下的人体振动舒适性评价时，依然存在一些问题。如利用上述标准提供的评价方法评估我国某型支线客机后机身区域人体振动舒适性时，得出“感觉不到不舒适”的结论，然而这一座椅区域乘客普遍抱怨振动感明显，出现评估结论与人体主观感受不一致的情况。其原因很可能是通过人体振动舒适性通用标准并不完全适用于飞机客舱这个特殊环境，造成评估结果与主观感受存在出入。
为此，波音、空客等国外研究机构发展了更加适用于飞机客舱环境的振动舒适性专用标准，利用此专用标准对客机不同舱位（如头等舱、商务舱、高级经济舱、不同等级经济舱等）的振动环境提出更加详细的振动环境要求，进一步为飞机设计提供振动环境设计指标。然而，这些专用标准并没有公开发布，而是作为各大型客机研发厂商的商业秘密，以保持其新一代研发飞机的市场竞争优势。
客机客舱舒适性设计是未来民机发展的重要指标，而客舱振动舒适性设计是其中重要一环。目前我国民机在客舱振动舒适性设计方面积累非常薄弱，和国外有着很大的技术差距，客舱振动舒适性评价方法是客舱振动舒适性设计的基础，所以应该开展客机客舱环境振动舒适性试验方法和评价方法研究。
飞机舱室环境振动舒适性评价需要进行人体主观振动舒适性试验研究，但是由于其以人的主观感受作为研究对象必然会存在各种差异性，即使通过增加样本人数仍然无法改变主观感受存在的这种差异性，因此需要以一种替代的形式克服飞机舱室环境振动舒适性主观感受差异的问题。我国在此方面还处于空白，急需开展相关研究工作，支持我国客机客舱振动舒适性设计专业发展。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法。
本发明的技术方案是：
一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，包括以下步骤：
S1、受试人体模型评分：将若干受试人体模型放入待测飞机的舱室并使受试人体模型坐在座位上，在受试人体模型的测试部位安装位移传感器，随后使待测飞机起飞进入某一飞行工况，测定受试人体模型测试部位的振动位移，振动位移为受试人体模型离开地板或座椅的距离，由振动位移得到不舒适度评分，不舒适度评分标准为：
振动位移为0-0.15cm：没有不舒适，0-1.5分；振动位移为0.15-0.25cm：刚意识到不舒适，1.5-2.5分；振动位移为0.25-0.8cm：非常少的不舒适，2.5-8分；振动位移为0.8-1.7cm：少量的不舒适，8-17分；振动位移为1.7-3.3cm：中度不舒适，17-33分；振动位移为3.3-5.5cm：高度不舒适，33-55分；振动位移为5.5-8cm：非常高度的不舒适，55-80分；振动位移大于8cm：极度不舒适，80-100分；
S2、多点多轴向振动总值计算：
S2-1、1/3倍频程带带宽计算：假设某一飞行工况下的振动激励共有3个振动信号，单个振动信号共有n个中心频率fc，每个中心频率fc的带宽上、下限频率之间的关系由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE006
式中，fu为中心频率fc的带宽上限频率，fl为中心频率fc的带宽下限频率；
1/3倍频程带带宽△f由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
S2-2、计权均方根加速度计算：第i个中心频率fic的1/3倍频程带的计权均方根加速度αi由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
式中，Gα（f）为振动信号的自功率谱密度函数，0＜i＜n；
S2-3、单个振动信号的总计权加速度计算：单个振动信号的总计权加速度αw由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
式中，Wi为第i个中心频率的计权因数；
S2-4、多点多轴向合成：建立正交坐标系，合成单个振动信号在正交坐标系中X、Y、Z三个方向的振动，单个振动信号的计权均方根加速度振动总值αs由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
式中，αwx、αwy、αwz分别为单个振动信号在正交坐标系X、Y、Z方向上的计权均方根加速度，kx、ky、kz分别为单个振动信号在正交坐标系X、Y、Z方向上的方向因子；
多点多轴向振动总值αv由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
式中，αsk、αsz、αsb分别为3个振动信号的测点处振动总值。
S3、量化关系分析：步骤S1中得到的受试人体模型评分数据与步骤S2中得到的多点多轴向振动总值之间的量化关系由下述幂函数拟合公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
式中，ψv为受试人体模型评分，k和n为待定常数；
将步骤S1中得到的受试人体模型评分数据与步骤S2中得到的多点多轴向振动总值数据代入上述幂函数拟合公式中，即可得出k和n的值，同时得到量化后的幂函数拟合公式；
S4、振动评价图表绘制：将步骤S3中得到的量化后的幂函数拟合公式绘制成振动评价线性关系图，振动评价线性关系图的横坐标为多点多轴向振动总值αv，振动评价线性关系图的纵坐标为不舒适度，再根据步骤S1中的不舒适度评分标准得到每一个不舒适度所对应的多点多轴向振动总值αv，作为振动评价关系表，通过所述振动评价线性关系图和振动评价关系表进行飞机舱室环境测试的振动评价。
进一步地，所述步骤S1中受试人体模型的总数为20-50人。通过控制受试人体模型的数量确保在基数足够大的前提下提高评价精确性。
进一步地，所述步骤S1中受试人体模型的身高均在160-185cm之间，本方法选取了大部分普通人的身高范围作为受试人体模型的身高，具有一定的代表性。
进一步地，所述步骤S1中受试人体模型的体重均在50-75kg之间，本方法选取了大部分普通人的体重范围作为受试人体模型的体重，具有一定的代表性。
进一步地，所述步骤S1中飞行工况共有7种，分别为滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆、滑行。所选取的飞行工况涵盖了所有的飞行工况。
进一步地，所述步骤S2-1中n的取值为23，中心频率fc的频率范围为0.5-80Hz，中心频率fc的取值分别为0.5Hz、0.63Hz、0.8Hz、1Hz、1.25Hz、1.6Hz、2Hz、2.5Hz、3.15Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.5Hz、16Hz、20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz。所选取的中心频率范围为飞机飞行过程中的一般频率范围。
进一步地，所述步骤S1中受试人体模型评分的对象包括脚部地板、座椅支撑面、座椅靠背表面，所述步骤S2-4中3个振动信号的对象分别为脚部地板、座椅支撑面、座椅靠背表面。所选取的振动信号点位与受试人体模型评分部位相对应，且具有代表性。
本发明的有益效果是：
本发明的振动评价方法细化了人体不舒适度评价等级，结合受试人体模型评分和飞机实际振动的振动总值，修正了常规标准中计权加速度和评价结果之间的对应关系，更加精确的描述了飞机舱室振动环境中多点多轴向振动总值和不舒适度的对应关系，明确了不同不舒适度对应的振动总值界限，该方法更加适用于飞机舱室振动环境下的人体舒适性评价。
附图说明
图1是本发明的振动评价方法流程图；
图2是本发明的实验例中计权因数的选取标准；
图3是本发明的实验例中原始振动信号的1/3倍频程谱图；
图4是本发明的实验例中计权后信号的1/3倍频程谱图；
图5是本发明的实验例中振动评价线性关系图。
具体实施方式
实施例1
一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，包括以下步骤：
S1、受试人体模型评分：将30个受试人体模型放入待测飞机的舱室并使受试人体模型坐在座位上，受试人体模型的身高均在160-185cm之间，受试人体模型的体重均在50-75kg之间，在受试人体模型的测试部位安装位移传感器，随后使待测飞机起飞进入滑跑飞行工况，测定受试人体模型测试部位的振动位移，振动位移为受试人体模型离开地板或座椅的距离，由振动位移得到不舒适度评分，不舒适度评分标准为：
振动位移为0-0.15cm：没有不舒适，0-1.5分；振动位移为0.15-0.25cm：刚意识到不舒适，1.5-2.5分；振动位移为0.25-0.8cm：非常少的不舒适，2.5-8分；振动位移为0.8-1.7cm：少量的不舒适，8-17分；振动位移为1.7-3.3cm：中度不舒适，17-33分；振动位移为3.3-5.5cm：高度不舒适，33-55分；振动位移为5.5-8cm：非常高度的不舒适，55-80分；振动位移大于8cm：极度不舒适，80-100分；
S2、多点多轴向振动总值计算：
S2-1、1/3倍频程带带宽计算：假设某一飞行工况下的振动激励共有3个振动信号，单个振动信号共有23个中心频率fc，中心频率fc的频率范围为0.5-80Hz，中心频率fc的取值分别为0.5Hz、0.63Hz、0.8Hz、1Hz、1.25Hz、1.6Hz、2Hz、2.5Hz、3.15Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.5Hz、16Hz、20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz，每个中心频率fc的带宽上、下限频率之间的关系由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
式中，fu为中心频率fc的带宽上限频率，fl为中心频率fc的带宽下限频率；
1/3倍频程带带宽△f由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
S2-2、计权均方根加速度计算：第i个中心频率fic的1/3倍频程带的计权均方根加速度αi由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
式中，Gα（f）为振动信号的自功率谱密度函数，0＜i＜n；
S2-3、单个振动信号的总计权加速度计算：单个振动信号的总计权加速度αw由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
式中，Wi为第i个中心频率的计权因数；
S2-4、多点多轴向合成：建立正交坐标系，合成单个振动信号在正交坐标系中X、Y、Z三个方向的振动，单个振动信号的计权均方根加速度振动总值αs由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
式中，αwx、αwy、αwz分别为单个振动信号在正交坐标系X、Y、Z方向上的计权均方根加速度，kx、ky、kz分别为单个振动信号在正交坐标系X、Y、Z方向上的方向因子；
多点多轴向振动总值αv由以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
式中，αsk、αsz、αsb分别为3个振动信号的测点处振动总值，3个振动信号的对象分别为脚部地板、座椅支撑面、座椅靠背表面。
S3、量化关系分析：步骤S1中得到的受试人体模型评分数据与步骤S2中得到的多点多轴向振动总值之间的量化关系由下述幂函数拟合公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
式中，ψv为受试人体模型评分，k和n为待定常数；
将步骤S1中得到的受试人体模型评分数据与步骤S2中得到的多点多轴向振动总值数据代入上述幂函数拟合公式中，即可得出k和n的值，同时得到量化后的幂函数拟合公式；
S4、振动评价图表绘制：将步骤S3中得到的量化后的幂函数拟合公式绘制成振动评价线性关系图，振动评价线性关系图的横坐标为多点多轴向振动总值αv，振动评价线性关系图的纵坐标为不舒适度，再根据步骤S1中的不舒适度评分标准得到每一个不舒适度所对应的多点多轴向振动总值αv，作为振动评价关系表，通过振动评价线性关系图和振动评价关系表进行飞机舱室环境测试的振动评价。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于：
受试人体模型的总数为20人。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于：
受试人体模型的总数为50人。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于：
飞行工况为起飞。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于：
飞行工况为爬升。
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于：
飞行工况为巡航。
实施例7
本实施例与实施例1不同之处在于：
飞行工况为下降。
实施例8
本实施例与实施例1不同之处在于：
飞行工况为着陆。
实施例9
本实施例与实施例1不同之处在于：
飞行工况为滑行。
实验例
以实施例1中的方法参数为例进行飞机舱室环境测试的振动评价，所选取的受试人体模型信息如表1所示。
表1 受试人体模型信息
身高（cm） 体重（kg）
178 74
173 70
175 68
165 53
175 74
175 74
175 75
176 70
176 65
182 70
169 74
180 72
170 70
160 58
171 71
180 75
180 72
163 59
170 67
168 60
176 71
180 65
178 70
174 72
180 69
178 65
180 65
180 69
170 60
180 63
步骤S2-3中计权因数的选取标准如图2所示，原始振动信号的1/3倍频程谱图如图3所示，计权后信号的1/3倍频程谱图如4所示。从图2和图3中可以看出经过计权后的高频加速度权重明显减小，Z向计权后的加速度值最大，也就是影响最大。
步骤S2-4中方向因子的选取标准如表2所示。
表2 方向因子的选取标准
测点位置 方向 W k
座椅支撑面 X W<sub>d</sub> 1
座椅支撑面 Y W<sub>d</sub> 1
座椅支撑面 Z W<sub>k</sub> 1
座椅靠背 X W<sub>c</sub> 0.8
座椅靠背 Y W<sub>d</sub> 0.5
座椅靠背 Z W<sub>d</sub> 0.4
脚部地板 X W<sub>k</sub> 0.25
脚部地板 Y W<sub>k</sub> 0.25
脚部地板 Z W<sub>k</sub> 0.4
步骤S3中量化后的幂函数拟合公式如表3所示。
表3 量化后的幂函数拟合公式
飞机舱室环境 量化后的幂函数 相关系数
总体模型
Figure DEST_PATH_IMAGE020
 0.851
步骤S4中得到的振动评价线性关系图如图5所示，振动评价关系表如表4所示。
表4 振动评价关系表
多点多轴向振动总值α<sub>v</sub> 不舒适度
＜0.008 没有不舒适
0.008~0.018 刚意识到不舒适
0.018~0.1 非常少的不舒适
0.1~0.3 少量不舒适
0.3~0.8 中度不舒适
0.8~1.7 高度不舒适
1.7~2.9 非常高度的不舒适
＞2.9 极度不舒适

Claims (7)

1.一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、受试人体模型评分：将若干受试人体模型放入待测飞机的舱室并使受试人体模型坐在座位上，在受试人体模型的测试部位安装位移传感器，随后使待测飞机起飞进入某一飞行工况，测定受试人体模型测试部位的振动位移，振动位移为受试人体模型离开地板或座椅的距离，由振动位移得到不舒适度评分，不舒适度评分标准为：
振动位移为0-0.15cm：没有不舒适，0-1.5分；振动位移为0.15-0.25cm：刚意识到不舒适，1.5-2.5分；振动位移为0.25-0.8cm：非常少的不舒适，2.5-8分；振动位移为0.8-1.7cm：少量的不舒适，8-17分；振动位移为1.7-3.3cm：中度不舒适，17-33分；振动位移为3.3-5.5cm：高度不舒适，33-55分；振动位移为5.5-8cm：非常高度的不舒适，55-80分；振动位移大于8cm：极度不舒适，80-100分；
S2、多点多轴向振动总值计算：
S2-1、1/3倍频程带带宽计算：假设某一飞行工况下的振动激励共有3个振动信号，单个振动信号共有n个中心频率fc，每个中心频率fc的带宽上、下限频率之间的关系由以下公式表示：
Figure 982495DEST_PATH_IMAGE001
Figure 899635DEST_PATH_IMAGE002
Figure 758001DEST_PATH_IMAGE003
式中，fu为中心频率fc的带宽上限频率，fl为中心频率fc的带宽下限频率；
1/3倍频程带带宽△f由以下公式表示：
Figure 153210DEST_PATH_IMAGE004
S2-2、计权均方根加速度计算：第i个中心频率fic的1/3倍频程带的计权均方根加速度αi由以下公式表示：
Figure 967582DEST_PATH_IMAGE005
式中，Gα（f）为振动信号的自功率谱密度函数，0＜i＜n；
S2-3、单个振动信号的总计权加速度计算：单个振动信号的总计权加速度αw由以下公式表示：
Figure 790045DEST_PATH_IMAGE006
式中，Wi为第i个中心频率的计权因数；
S2-4、多点多轴向合成：建立正交坐标系，合成单个振动信号在正交坐标系中X、Y、Z三个方向的振动，单个振动信号的计权均方根加速度振动总值αs由以下公式表示：
Figure 525919DEST_PATH_IMAGE007
式中，αwx、αwy、αwz分别为单个振动信号在正交坐标系X、Y、Z方向上的计权均方根加速度，kx、ky、kz分别为单个振动信号在正交坐标系X、Y、Z方向上的方向因子；
多点多轴向振动总值αv由以下公式表示：
Figure 724820DEST_PATH_IMAGE008
式中，αsk、αsz、αsb分别为3个振动信号的测点处振动总值；
S3、量化关系分析：步骤S1中得到的受试人体模型评分数据与步骤S2中得到的多点多轴向振动总值之间的量化关系由下述幂函数拟合公式表示：
Figure 393698DEST_PATH_IMAGE009
式中，ψv为受试人体模型评分，k和n为待定常数；
将步骤S1中得到的受试人体模型评分数据与步骤S2中得到的多点多轴向振动总值数据代入上述幂函数拟合公式中，即可得出k和n的值，同时得到量化后的幂函数拟合公式；
S4、振动评价图表绘制：将步骤S3中得到的量化后的幂函数拟合公式绘制成振动评价线性关系图，振动评价线性关系图的横坐标为多点多轴向振动总值αv，振动评价线性关系图的纵坐标为不舒适度，再根据步骤S1中的不舒适度评分标准得到每一个不舒适度所对应的多点多轴向振动总值αv，作为振动评价关系表，通过所述振动评价线性关系图和振动评价关系表进行飞机舱室环境测试的振动评价。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，其特征在于，所述步骤S1中受试人体模型的总数为20-50人。
3.根据权利要求1所述的一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，其特征在于，所述步骤S1中受试人体模型的身高均在160-185cm之间。
4.根据权利要求1所述的一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，其特征在于，所述步骤S1中受试人体模型的体重均在50-75kg之间。
5.根据权利要求1所述的一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，其特征在于，所述步骤S1中飞行工况共有7种，分别为滑跑、起飞、爬升、巡航、下降、着陆、滑行。
6.根据权利要求1所述的一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，其特征在于，所述步骤S2-1中n的取值为23，中心频率fc的频率范围为0.5-80Hz，中心频率fc的取值分别为0.5Hz、0.63Hz、0.8Hz、1Hz、1.25Hz、1.6Hz、2Hz、2.5Hz、3.15Hz、4Hz、5Hz、6.3Hz、8Hz、10Hz、12.5Hz、16Hz、20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz。
7.根据权利要求1所述的一种用于飞机舱室环境测试的振动评价方法，其特征在于，所述步骤S1中受试人体模型评分的对象包括脚部地板、座椅支撑面、座椅靠背表面，所述步骤S2-4中3个振动信号的对象分别为脚部地板、座椅支撑面、座椅靠背表面。
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