基于NDI的人体振动测量与分析.doc

人体振动测量实验报告1、 实验目的（1） 通过实验了解并且掌握人体振动测量的方法；（2） 通过对测量数据的整理和分析掌握对振动信号的采集及处理的方法；（3） 通过对数据的总结分析，了解人体振动系统的传递函数，以及时域和频域的振动响应特性，掌握评价座椅的舒适性及传递特性的参数。2、 实验器材NDI振动测量系统3、 实验方法（1） 调整试验台架的系统参数，将采样频率设置为60Hz，采样整个时间是10min，实验台的振动频率为5Hz。（2）在振动台架底部，座椅底部及人头部分别放置传感器，用于采集者三个位置位移信息。（3）人保持固定姿势坐在振动座椅上，开启振动台，即可开始实验，计算机自动记录数据。（4）十分钟钟后关闭振动台，保存所测得的数据，并且对振动台底部，座椅，人头部三个位置的位移信号中的垂直分量做分析整理。四、数据分析（一）时域加速度分析（1）由加速度计算公式经过matlab分析可以得到底座、座椅及人头部的振动信号的加速度信息。（2）由于加速度有效值随时间变化，故常用能量等效的加速度值aw.r.m.s.(root-mean-square)作为评定一段时间内的人体振动量值大小，其计算公式定义为： 通过以上公式可以分别计算出这三个位置的均方根值。（3）对于全身振动而言，振动法计量值VDV（vibration does value)值可更准确地评估振动和冲击对人体造成的危害及风险，它是随时间增长的累积值，测量单位是 m/s1.75。由公式可以计算出三个位置的振动计量值，如下图1所示，分别是底座的加速度图，aw.r.m.s.图和VDV图。图1 底座的加速度图，aw.r.m.s.图和VDV图。如上图所示，底座的加速度值变化不是很明显，说明底座的运动比较平稳。在实验开始的几秒，ar.m.s变化剧烈，但是随着平均时间的增加，该值稳定在0.3m/s2左右，当加速度信号在350s时存在震荡，则ar.m.s值也会随之有阶跃的增加，但是随着平均时间的增加，该值的增加速度会有所衰减，最后稳定在一个恒定的值。VDV值是用来评估振动幅值和座椅不舒适性之间的关系，它比均方根值更加强调振动冲击。随着振动的持续，VDV值会持续的增加，但是ar.m.s几乎是一个常数。当加速度信号中存在震荡，VDV值会出现明显的阶跃性的增加，而且这种增加不会像ar.m.s那样随着平均时间的增加出现衰减。同样的情况如下图2和图3，分别是座椅和头部的加速度图，aw.r.m.s.图和VDV图。 图2 座椅加速度图，aw.r.m.s.图和VDV图图3头部加速度图，aw.r.m.s.图和VDV图（2） 功率谱分析通过傅里叶变换可以将加速度信号的时域信息转换到频域，从而更直观了解到信号在频域的变化，但是由于采样的持续时间越长，频域的分辨率越窄，所以傅里叶变换不是一种完美的方法对信号做频域分析。我们一般用功率谱密度来对随机信号进行频域分析。图4 底座加速度的功率谱图5 座椅加速度的功率谱图6 头部加速度的功率谱从图中我们可以看出底座、座椅和头部在5Hz、10Hz、15Hz、20Hz等5Hz的整数倍时比较大，说明在激励频率的成分的振动比较多。由于我们的激励频率是5Hz，所以可以求取5Hz时底座、座椅和头部的功率谱。由图中分析可知0.428，0.543，3.27，由以下公式可以计算5Hz时，该系统的传递性。以下公式是计算座椅和底座之间在5Hz时的传递函数，由于二者是刚性连接，所以传递函数非常小。以下公式是计算座椅和头部之间在5Hz时的传递函数，人头部和座椅之间传递函数的值非常大，人头部的共振频率一般在5-10Hz，说明人体在5Hz时和座椅产生共振，从而导致传递函数非常大。 （三）传递性分析由公式和公式分别计算出座椅和地面以及头部和座椅的传递性。图7 底座和座椅的传递性分析图8头部和座椅的传递性分析从图中可以看出座椅和底座在23Hz左右时传递性特别大，有一个峰值，传递性最大。而座椅和头部之间的传递性则在7Hz时有一个峰值，传递性较低。（四）座椅SEAT值由公式或者公式分别计算出座椅和地面的SEAT值。SEAT值表示的是座椅振幅传递能力的有效性。该值包含了影响座椅动态特性的三个重要因素：振动频谱，传递性和人的响应频率权重。SEAT值为100%则表示座椅的动态特性没有提高或者降低座椅的乘坐舒适性。高于100%则表示在座椅上的乘座舒适性不如在地面上，低于100%则表示座椅的动态特性可以有效地降低振动。如下图9所示是座椅和底座之间的SEAT值。 图9 座椅和底座的SEAT值图10 座椅和人头部的SEAT值从图9中可以看出实验进行的初期，SEAT值接近120%，说明座椅的动态性能影响了座椅的舒适性，不如在地面上。随着实验的的进行，在300s-400s之间，SEAT值剧烈下降，对比起底座的加速度图可以看出，这段时间加速度有剧烈的起伏，造成了座椅的舒适性变好，但SEAT值都没有降到100%以下。从图10中可以看出实验进行的初期，头部还需要一定的时间来接受座椅传递来的能量，开始一段时间SEAT值非常高，说明人头部有剧烈的晃动，非常不舒服。随着实验的的进行，座椅的动态性能变好，则人头部的SEAT值有所降低但都没有降到100%以下，人头部的舒适性不如在座椅上。5、 总结(1) 从对人体振动测量的试验中学习到了振动测量的一般方法，并且熟练掌握了