人体全身振动评价和测量方法的新进展(摘要)
资讯来源:本公司    发表日期:2013-04-15    浏览次数:2179

张绍栋,熊文波

(杭州爱华仪器有限公司  310007)

 

      振动,特别是1~100 Hz的低频振动,直接对人有影响。根据人暴露于不同的振动环境,有人体感受全身振动和局部振动两种情况。全身振动又有站姿、坐姿、卧姿的差别。

       振动对人的影响,与振动的频率、强度、作用时间以及作用部位有关。因为人体的力学结构有许多共振频率,所以振动的影响与频率有很大的依赖性。全身振动对人体健康还有多方面的损害,例如强度很大的振动会使骨骼、肌肉、关节、韧带直接产生机械损伤,也可引起内脏损伤,如高速炮艇的战士大多有胃下坠的疾病。振动还对循环系统、消化系统、神经系统、呼吸系统等有影响,其中有物理效应,也有生理效应。接受全身振动的女工,还可能引起一系列妇女的疾病。

      有关人体全身振动评价的国家标准GB/T 13441,对应国际标准为ISO2631《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价》,该标准涉及全身振动,不包括直接作用于肢体的振动(例如通过动力工具)。GB/T 13441.1-2007第1部分:一般要求,这一部分规定了周期的、无规的和瞬态的全身振动的测量方法,相应的国家际准是ISO 2631-1:1997。GB/T 13441.2-2008 第2部分:建筑物内的振动(1Hz~80Hz),相应国际标准 ISO 2631-2:2003。ISO 2631-4:2001第4部分:固定轨道运输工具中,振动和旋转运动对乘客和乘务员影响的评价,这一部分提供了ISO 2631-1应用于固定轨道系统中乘客和乘务员影响的评价。ISO 2631-5:2004 包括多次冲击的振动评价方法。ISO又根据这些修订ISO8041:1990并发布了ISO8041:2005《人体对振动的响应——测量仪器》,已有对应的国家标准GB/T 23716-2009。

     1 人体全身振动评价和测量的一般要求

      1) 基本评价方法:测量计权方均根(有效值)加速度并作为基本评价方法,而不再采用评级(即比值)的方法。计权有效值加速度对平移振动以m/s2表示,对旋转运动以rad/s2(弧度/秒2)表示。

      2) 频率计权曲线:在GB/T 13441.1-2007中规定了三种基本计权的频率计权和三种用于特殊情况的附加频率计权,以及它们的应用指南,见表2和表3。Wk适用于有关健康、舒适与感知的z轴方向和卧姿垂直方向(头部除外);Wd适用于有关健康、舒适与感知的x轴和y轴方向以及卧姿水平方向;Wf适用于有关运动病的基本频率计权。Wc适用于座椅-靠背的测量;We适用于旋转振动的测量;Wi适用于卧姿人体头部下面振动的测量。它们适用于通过以下支撑表面传递到人体全身的运动:站姿人体的脚,坐姿人体的臂部、背部和脚,或卧姿人体的支撑区域。这类振动在车辆、机器、建筑物及在工作机器附近都可遇到。

    3) 高峰值因数振动:近年来的研究指出在振动暴露中的加速度峰值是重要的,尤其对健康的影响。某些实验已经表明评价振动的方均根方法对于具有重要峰值振动的影响估计过低。对于具有这种高峰值特别是对于峰值因数大于9的振动,提出了补充的或另一种测量程序,而方均根方法适用于峰值因数小于或等于9。

      峰值因数定义为在某一测量时间内,频率计权加速度信号的最大瞬时峰值与其有效值之比的模。对于高峰值因数(>9)的振动使用运行有效值(the  running  r.m.s)或四次方振动剂量值进行补充评价。

      4) 人体基本中心坐标轴及方向:在GB/T 13441.1-2007中定义的人体基本中心轴及方向如图4所示。图中表示了平移或直线振动的参考方向x、y、z;对于旋转振动转轴r的x、y、z的参考方向,分别围绕称作为左右摇摆、前后巅簸和左右摇转的x、y和z轴旋转。

      5) 振动对健康、舒适和感知的影响:在ISO 2631-1:1985中,为了简化起见,相应于振动对健康、工作熟练度和舒适的不同影响,其对人的各种影响的暴露时间的依赖关系假设是相同的。实验室研究结果并不支持这一概念,因此予以删除。在新标准的三个附录中提供了振动对健康、舒适和感知,以及运动病可能影响的有关信息。但不包括暴露的边界值或限值,而且删除了由于振动暴露的“疲劳—熟练降低”这一概念。

      6)多方向的合成振动:正交坐标系下的振动所决定的计权均方根加速度的振动总量计算由三轴向振动加速度awx、awy、awz的平方,乘方向因数 kx、ky、kz相加在开平方。

     2 建筑物内连续与冲击引起的振动

    在GB/T 13441.2-2008/ISO 2631-2:2003《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第2部分:建筑物内的振动(1 Hz~80 Hz)》中,规定的频率计权Wm,用于建筑物内全身振动,对所有方向。振动应在三个正交方向上同时测量。振动方向应相对于建筑物而不是相对于人体来确定,x、y和z轴的指向应是立姿人体的指向。

    3 固定轨道运输工具中,振动和旋转运动对乘客和乘务员影响的评价

      ISO 2631-4:2001适用于暴露于沿x、y和z轴的平移振动,以及围绕着这些(人体中心)轴的旋转振动的正常健康人。它只给出了基于运动环境的乘坐舒适性评价指南,并提供了舒适度作为沿着或围绕产生人体运动的轴运动的关系的评价指南。它不适用于可能引起外伤的高振幅单次瞬态振动,也不适用于可能影响健康的高振幅振动。

      用于进行轨道车辆舒适度的评价的Wb计权曲线,已被许多欧洲和某些非欧洲国家所采用。该曲线很接近一般的Wk曲线(见图6)。在ISO 8041中称为频率计权Wb,基于ISO 2631-4,用于垂向全身振动,z轴,坐姿、立姿或卧姿的人。

    4 测量仪器解决方案

    人体全身振动测量可使用AWA6256B+T型三轴向振动分析仪,它是一种三轴向手持式数字化振动测量仪器,它由数字化测量主机、AWA84410型三轴向座垫式振动加速度计和人体振动测量软件(S6291-01107)和相关附件组成,符合GB/T 13441.1(ISO 2631-1)和GB/T 23716-2009(ISO 8041:2005)标准,可以对0.5 Hz~80 Hz的全身振动进行测量。它不需连接计算机就能独立工作,而且三个轴向同时测量,携带方便,操作简单,是目前国内性能最好的智能化手传振动测量仪器。

 

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