CN115444404A - 车辆驾驶员人体振动试验台及人体振动传递率测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆驾驶员人体振动试验台及人体传递率测试方法。试验台包括台架、垂向弹性支撑柱、底板、滑轨、销轴、承重板、减振器、座椅、传感器模块、采集仪、信号发生器、功率放大器、垂向激振器和水平激振器；传感器模块包括第一加速度传感器、第二加速度传感器和第三加速度传感器，第一加速度传感器安装在承重板上，用于采集试验台的振动信号；第二加速度传感器安装在座椅上，用于采集座椅的振动信号；第三加速度传感器佩戴在测试驾驶员头部，用于采集人体头部的振动信号。本发明结构简单、便于装配、通用性强，可以实现人体的垂直和水平两个方向的振动测试，通过调整座椅角度，水平方向振动测试可以分为纵向和横向振动测试。

Description

车辆驾驶员人体振动试验台及人体振动传递率测试方法
技术领域
本发明属于生物力学技术领域，尤其涉及一种车辆驾驶员人体振动试验台及人体传递率测试方法。
背景技术
随着科技、交通、经济的迅速发展，车辆已经广泛应用于各种不同行业，为人们的日常生活工作提供了极大的帮助。由于车辆发动机和传动机构的往复运动、路面的不平度等因素，使得车辆在运行过程中不可避免产生振动，特别是农业车辆或特种车辆振动更为严重。车辆的振动不仅会引起可靠性和作业质量不高，还会引起车辆驾驶员的心理反应和生理反应，如振动会降低人体注意力，增加不适感；也会导致人体疲劳感加剧，降低工作效率。为了研究振动对人体的影响，保护操作者健康、提高工作效率，国内外对人体动力学特性进行了广泛的研究。
目前对人体振动的研究大多数仅考虑某一固定姿势下人体的动力学特性，很少考虑姿势变化对人体动力学特性的影响。但是由于不舒适感、疲劳感以及各种外部激励等原因，驾驶员会主动或被动地频繁改变姿态。姿势变化会导致驾驶员人体动力学特性的改变，因此建立考虑环境耦合和姿态变化的人体模型是人体建模的重要发展方向。研究人体动力学特性需要以人体测试为基础，因此必须搭建合适的振动试验台。此振动试验台需要能够模拟车辆驾驶员所受的低频振动，满足姿态变化空间要求，可以实现垂向、纵向和横向三个方向不同频率和幅值的振动，通过安装传感器采集振动信号，分析人体动力学特性。
现有振动试验台相关研究较多，但是很多振动试验台，存在只能实现单向振动、调幅困难或无法模拟驾驶员所处振动环境等问题。能够同时满足以上要求的振动试验台，一般幅值和频率变化范围过大、结构复杂、成本较高。
综上所述，为了满足拖车辆驾驶员人体动力学特性实验所需要求，降低成本，设计一款用于研究驾驶员人体动力学特性的振动试验平台是十分有必要的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的一个目的是提供一种车辆驾驶员人体振动试验台。
本发明的另一个目的是提供一种车辆驾驶员人体振动传递率测试方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种车辆驾驶员人体振动试验台，其特征在于，该试验台包括台架1、垂向弹性支撑柱2、底板3、滑轨4、销轴5、承重板6、减振器7、座椅8、传感器模块、采集仪10、信号发生器11、功率放大器12、垂向激振器13和水平激振器14。
所述底板3通过四根垂向弹性支撑柱2水平地安装在台架1上；
所述底板3的上表面设有两根并列设置的滑轨4；所述承重板6的下表面设有两组分别在滑轨4上自由滑动的滑块15；所述承重板6通过两根可拆卸的销轴5与底板3固接。
两组减振器7沿滑轨4的长度方向分别设置在承重板6的两个相对的端部，所述减振器7的底座与台架1固接，减振器7的拉伸端可拆卸地与承重板6的端部固接。
当进行垂直方向的振动测试时，将两根销轴5插入承重板6和底板3，使承重板6与底板3固定，并断开或拧松减振器7与承重板6的连接；当进行水平方向的振动测试时，将两根销轴5从承重板6和底板3上移除，使承重板6能够通过滑块15和滑轨4相对于底板3水平移动，并将减振器7与承重板6固接。
所述座椅8沿滑轨4的长度方向或垂直滑轨4的长度方向可拆卸地安装在承重板6的上表面上，座椅8的重心与承重板6和底板3的中心位于同一条垂线上。
所述传感器模块包括第一加速度传感器91、第二加速度传感器92和第三加速度传感器93，所述第一加速度传感器91安装在承重板6上，用于采集试验台的振动信号；所述第二加速度传感器92安装在座椅8上，用于采集座椅的振动信号；所述第三加速度传感器93佩戴在测试驾驶员头部，用于采集人体头部的振动信号；第一加速度传感器91、第二加速度传感器92和第三加速度传感器93分别与采集仪10连接。
所述垂向激振器13布置在底板3的下方，垂向激振器13的推杆与底板3的中心固接，为试验台提供垂向激振；所述水平激振器14固接在台架1上，水平激振器14的推杆沿滑轨4的长度方向与承重板6的端部固接，且水平激振器14的推杆位于过承重板6中心的轴线上，为试验台提供水平激振。
所述信号发生器11通过线缆与功率放大器12相连，功率放大器12通过线缆与垂向激振器13和水平激振器14相连。
所述垂向弹性支撑柱2的底端开有螺栓孔，通过“T”形螺栓与台架1连接，垂向弹性支撑柱2的上部穿过底板3上垂向设置的通孔，垂向弹性支撑柱2的上部与底板3的通孔之间设有橡胶垫21。
通过安装不同形状、高度、材质的座椅8，可以研究不同座椅对人体动力学性能。
一种利用所述的车辆驾驶员人体振动试验台的人体振动传递率测试方法，包括如下步骤：
步骤1、实验人员或仿真假人保持某一姿态坐在人体振动试验台的座椅8上，并系好安全带；根据测试需求选择垂直激振或水平激振，利用信号发生器11输出特征已知的激励信号，控制垂向激振器13对试验台产生垂向激振，或者控制水平激振器14对试验台产生水平激振；采集仪10接收第一加速度传感器91采集的试验台振动信号xf(n)、第二加速度传感器92采集的座椅振动信号xs(n)和第三加速度传感器93采集的人体头部振动信号xh(n)；
步骤2、通过公式1～公式3对各振动信号进行傅里叶变换，通过公式4～公式6计算各振动信号在各振动频率处的幅值；
Figure BDA0003812813450000041
Figure BDA0003812813450000042
Figure BDA0003812813450000043
Figure BDA0003812813450000044
Figure BDA0003812813450000045
Figure BDA0003812813450000046
公式1～公式6中，Xf(k)为试验台振动信号的傅里叶变换序列；Xs(k)为座椅振动信号的傅里叶变换序列；Xh(k)为人体头部振动信号的傅里叶变换序列；xf(n)、xs(n)和xh(n)均为时域采样信号；n为时域信号采样序列编号；xf(n)、xs(n)和xh(n)一次采样总点数均为N；i为虚数单位；e为自然常数；π为圆周率；k为序列号，k＝0,1,2,3,…,N-1；Xf(ω)为试验台振动信号在其振动频率处的幅值；Xs(ω)为座椅振动信号在其振动频率处的幅值；Xh(ω)为人体头部振动信号在其振动频率处的幅值；ω为振动频率，单位为Hz；fs为信号采样频率，单位为Hz。
步骤3、通过公式7计算获得当前姿态下人体振动传递率；
Figure BDA0003812813450000051
公式7中，He(ω)为当前姿态下人体振动传递率；Xs(ω)为座椅振动信号在其振动频率处的幅值；Xh(ω)为人体头部振动信号在其振动频率处的幅值。
所述方法还包括：
步骤4、重复多次步骤1～步骤3，通过公式8计算相同姿态下的平均人体振动传递率；
Figure BDA0003812813450000052
其中，
Figure BDA0003812813450000053
为平均人体振动传递率，Hi(ω)为第i次重复实验的人体振动传递率，m为重复实验次数。
所述方法还包括：
步骤5、改变人体姿态，如改变上躯体倾斜角度或改变腿部弯曲角度，重复步骤1～步骤3，计算不同人体姿态的人体振动传递率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的基于激振器的车辆驾驶员人体振动试验台和车辆驾驶员人体振动传递率测试方法，结构简单、便于装配、通用性强，可以实现人体的垂直和水平两个方向的振动测试，通过调整座椅角度，水平方向振动测试可以分为纵向和横向振动测试。
附图说明
图1为本发明的车辆驾驶员人体振动试验台的结构示意图；
图2a和图2b为本发明的垂向弹性支撑2的结构示意图；
图3为本发明的底板3与滑轨4的安装结构示意图。
其中的附图标记为：
1、台架 2、垂向弹性支撑柱
21橡胶垫
3、底板 4、滑轨
5、销轴 6、承重板
7、减振器 8、座椅
91、第一加速度传感器 92、第二加速度传感器
93、第三加速度传感器 10、采集仪
11、信号发生器 12、功率放大器
13、垂向激振器 14、水平激振器
15、滑块
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种车辆驾驶员人体振动试验台，该试验台包括台架1、垂向弹性支撑柱2、底板3、滑轨4、销轴5、承重板6、减振器7、座椅8、传感器模块、采集仪10、信号发生器11、功率放大器12、垂向激振器13、水平激振器14。
所述台架1由铝型材搭接而成，安装拆卸方便，成本低。
所述底板3通过四根垂向弹性支撑柱2水平地安装在台架1上。
如图2a和图2b所示，所述垂向弹性支撑柱2的底端开有螺栓孔，通过“T”形螺栓与台架1连接，垂向弹性支撑柱2的上部穿过底板3上垂向设置的通孔，垂向弹性支撑柱2的上部与底板3的通孔之间设有橡胶垫21；橡胶垫21一方面对台架1起到隔振作用，避免台架1的振动影响试验台振动性能，另一方面起到弹性支撑作用。
如图3所示，所述底板3的上表面设有两根并列设置的滑轨4；所述承重板6的下表面设有两组分别在滑轨4上自由滑动的滑块15；所述承重板6通过两根可拆卸的销轴5与底板3固接。
两组减振器7沿滑轨4的长度方向分别设置在承重板6的两个相对的端部，所述减振器7的底座与台架1固接，减振器7的拉伸端可拆卸地与承重板6的端部固接。减振器7一方面辅助水平激振器实现承重板水平方向的往复运动；另一方面限制由于座椅和实验者导致质量偏心引起的承重板的侧向运动，减小滑轨的损耗。
当进行垂直方向的振动测试时，将两根销轴5插入承重板6和底板3，使承重板6与底板3固定，并断开或拧松减振器7与承重板6的连接；当进行水平方向的振动测试时，将两根销轴5从承重板6和底板3上移除，使承重板6能够通过滑块15和滑轨4相对于底板3水平移动，并将减振器7与承重板6固接。
所述座椅8沿滑轨4的长度方向或垂直滑轨4的长度方向可拆卸地安装在承重板6的上表面上，座椅8的重心与承重板6和底板3的中心位于同一条垂线上；通过安装不同形状、高度、材质的座椅8，可以研究不同座椅对人体动力学性能的影响；所述座椅8的靠背能够调节倾斜角度。
所述传感器模块包括第一加速度传感器91、第二加速度传感器92和第三加速度传感器93，所述第一加速度传感器91安装在承重板6上，用于采集试验台的振动信号；所述第二加速度传感器92安装在座椅8上，用于采集座椅的振动信号；所述第三加速度传感器93佩戴在测试驾驶员头部，用于采集人体头部的振动信号；第一加速度传感器91、第二加速度传感器92和第三加速度传感器93分别与采集仪10连接。
所述垂向激振器13布置在底板3的下方，垂向激振器13的推杆与底板3的中心固接，为试验台提供垂向激振；所述水平激振器14固接在台架1上，水平激振器14的推杆沿滑轨4的长度方向与承重板6的端部固接，且水平激振器14的推杆位于过承重板6中心的轴线上，为试验台提供水平激振。
所述信号发生器11通过线缆与功率放大器12相连，功率放大器12通过线缆与垂向激振器13和水平激振器14相连。
使用本发明的车辆驾驶员人体振动试验台的人体振动传递率测试方法，包括如下步骤：
步骤1、实验人员或仿真假人保持某一姿态坐在人体振动试验台的座椅8上，并系好安全带；根据测试需求选择垂直激振或水平激振，利用信号发生器11输出特征已知的激励信号，控制垂向激振器13对试验台产生垂向激振，或者控制水平激振器14对试验台产生水平激振；采集仪10接收第一加速度传感器91采集的试验台振动信号xf(n)、第二加速度传感器92采集的座椅振动信号xs(n)和第三加速度传感器93采集的人体头部振动信号xh(n)；
步骤2、通过公式1～公式3对各振动信号进行傅里叶变换，通过公式4～公式6计算各振动信号在各振动频率处的幅值；
Figure BDA0003812813450000081
Figure BDA0003812813450000091
Figure BDA0003812813450000092
Figure BDA0003812813450000093
Figure BDA0003812813450000094
Figure BDA0003812813450000095
公式1～公式6中，Xf(k)为试验台振动信号的傅里叶变换序列；Xs(k)为座椅振动信号的傅里叶变换序列；Xh(k)为人体头部振动信号的傅里叶变换序列；xf(n)、xs(n)和xh(n)均为时域采样信号；n为时域信号采样序列编号；xf(n)、xs(n)和xh(n)一次采样总点数均为N；i为虚数单位；e为自然常数；π为圆周率；k为序列号，k＝0,1,2,3,…,N-1；Xf(ω)为试验台振动信号在其振动频率处的幅值；Xs(ω)为座椅振动信号在其振动频率处的幅值；Xh(ω)为人体头部振动信号在其振动频率处的幅值；ω为振动频率，单位为Hz；fs为信号采样频率，单位为Hz。
步骤3、通过公式7计算获得当前姿态下人体振动传递率；
Figure BDA0003812813450000096
公式7中，He(ω)为当前姿态下人体振动传递率；Xs(ω)为座椅振动信号在其振动频率处的幅值；Xh(ω)为人体头部振动信号在其振动频率处的幅值。
步骤4、重复多次步骤1～步骤3，通过公式8计算相同姿态下的平均人体振动传递率；
Figure BDA0003812813450000101
其中，
Figure BDA0003812813450000102
为平均人体振动传递率，Hi(ω)为第i次重复实验的人体振动传递率，m为重复实验次数。
步骤5、改变人体姿态，如改变上躯体倾斜角度或改变腿部弯曲角度，重复步骤1～步骤3，计算不同人体姿态的人体振动传递率。

Claims (6)

1.一种车辆驾驶员人体振动试验台，其特征在于，该试验台包括台架(1)、垂向弹性支撑柱(2)、底板(3)、滑轨(4)、销轴(5)、承重板(6)、减振器(7)、座椅(8)、传感器模块、采集仪(10)、信号发生器(11)、功率放大器(12)、垂向激振器(13)和水平激振器(14)；
所述底板(3)通过四根垂向弹性支撑柱(2)水平地安装在台架(1)上；
所述底板(3)的上表面设有两根并列设置的滑轨(4)；所述承重板(6)的下表面设有两组分别在滑轨(4)上自由滑动的滑块(15)；所述承重板(6)通过两根可拆卸的销轴(5)与底板(3)固接；
两组减振器(7)沿滑轨(4)的长度方向分别设置在承重板(6)的两个相对的端部，所述减振器(7)的底座与台架(1)固接，减振器(7)的拉伸端可拆卸地与承重板(6)的端部固接；
当进行垂直方向的振动测试时，将两根销轴(5)插入承重板(6)和底板(3)，使承重板(6)与底板(3)固定，并断开或拧松减振器(7)与承重板(6)的连接；当进行水平方向的振动测试时，将两根销轴(5)从承重板(6)和底板(3)上移除，使承重板(6)能够通过滑块(15)和滑轨(4)相对于底板(3)水平移动，并将减振器(7)与承重板(6)固接；
所述座椅(8)沿滑轨(4)的长度方向或垂直滑轨(4)的长度方向可拆卸地安装在承重板(6)的上表面上，座椅(8)的重心与承重板(6)和底板(3)的中心位于同一条垂线上；
所述传感器模块包括第一加速度传感器(91)、第二加速度传感器(92)和第三加速度传感器(93)，所述第一加速度传感器(91)安装在承重板(6)上，用于采集试验台的振动信号；所述第二加速度传感器(92)安装在座椅(8)上，用于采集座椅的振动信号；所述第三加速度传感器(93)佩戴在测试驾驶员头部，用于采集人体头部的振动信号；第一加速度传感器(91)、第二加速度传感器(92)和第三加速度传感器(93)分别与采集仪(10)连接；
所述垂向激振器(13)布置在底板(3)的下方，垂向激振器(13)的推杆与底板(3)的中心固接，为试验台提供垂向激振；所述水平激振器(14)固接在台架(1)上，水平激振器(14)的推杆沿滑轨(4)的长度方向与承重板(6)的端部固接，且水平激振器(14)的推杆位于过承重板(6)中心的轴线上，为试验台提供水平激振；
所述信号发生器(11)通过线缆与功率放大器(12)相连，功率放大器(12)通过线缆与垂向激振器(13)和水平激振器(14)相连。
2.根据权利要求1所述的车辆驾驶员人体振动试验台，其特征在于，所述垂向弹性支撑柱(2)的底端开有螺栓孔，通过“T”形螺栓与台架(1)连接，垂向弹性支撑柱(2)的上部穿过底板(3)上垂向设置的通孔，垂向弹性支撑柱(2)的上部与底板(3)的通孔之间设有橡胶垫(21)。
3.根据权利要求1所述的车辆驾驶员人体振动试验台，其特征在于，通过安装不同形状、高度、材质的座椅(8)，研究不同座椅对人体动力学性能。
4.一种利用如权利要求1-3任一项所述的车辆驾驶员人体振动试验台的人体振动传递率测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、实验人员或仿真假人保持某一姿态坐在人体振动试验台的座椅(8)上，并系好安全带；根据测试需求选择垂直激振或水平激振，利用信号发生器(11)输出特征已知的激励信号，控制垂向激振器(13)对试验台产生垂向激振，或者控制水平激振器(14)对试验台产生水平激振；采集仪(10)接收第一加速度传感器(91)采集的试验台振动信号xf(n)、第二加速度传感器(92)采集的座椅振动信号xs(n)和第三加速度传感器93采集的人体头部振动信号xh(n)；
步骤2、通过公式1～公式3对各振动信号进行傅里叶变换，通过公式4～公式6计算各振动信号在各振动频率处的幅值；
Figure FDA0003812813440000031
Figure FDA0003812813440000032
Figure FDA0003812813440000033
Figure FDA0003812813440000034
Figure FDA0003812813440000035
Figure FDA0003812813440000036
公式1～公式6中，Xf(k)为试验台振动信号的傅里叶变换序列；Xs(k)为座椅振动信号的傅里叶变换序列；Xh(k)为人体头部振动信号的傅里叶变换序列；xf(n)、xs(n)和xh(n)均为时域采样信号；n为时域信号采样序列编号；xf(n)、xs(n)和xh(n)一次采样总点数均为N；i为虚数单位；e为自然常数；π为圆周率；k为序列号，k＝0,1,2,3,…,N-1；Xf(ω)为试验台振动信号在其振动频率处的幅值；Xs(ω)为座椅振动信号在其振动频率处的幅值；Xh(ω)为人体头部振动信号在其振动频率处的幅值；ω为振动频率，单位为Hz；fs为信号采样频率，单位为Hz；
步骤3、通过公式7计算获得当前姿态下人体振动传递率；
Figure FDA0003812813440000041
公式7中，He(ω)为当前姿态下人体振动传递率；Xs(ω)为座椅振动信号在其振动频率处的幅值；Xh(ω)为人体头部振动信号在其振动频率处的幅值。
5.根据权利要求4所述的人体振动传递率测试方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤4、重复多次步骤1～步骤3，通过公式8计算相同姿态下的平均人体振动传递率；
Figure FDA0003812813440000042
其中，
Figure FDA0003812813440000043
为平均人体振动传递率，Hi(ω)为第i次重复实验的人体振动传递率，m为重复实验次数。
6.根据权利要求4所述的人体振动传递率测试方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤5、改变人体姿态，如改变上躯体倾斜角度或改变腿部弯曲角度，重复步骤1～步骤3，计算不同人体姿态的人体振动传递率。
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