摩托車人體振動測量
Application Note
By Vid Seli?, NVH Product Manager, Dewesoft
風吹在臉上，噪音，速度和力量——自由的感覺。Dewesoft 已經買了一個公司犬牙摩托車-只是有一些樂趣。然而，在長時間的騎行之后，一些人報告說他們的手指有輕微的麻木感。
由于我們在人體振動領域有經驗，我們著手調查我們的自行車產生的振動水平和體積。我們不希望我們隊友的健康受到影響。
由于其不平衡的性質，摩托車創造了巨大的人體振動。由于發動機和道路狀況產生的振動，騎車者可能面臨風險。振動能量波傳遞到騎手的身體，通過身體組織、器官和系統傳遞，在它被抑制和消散之前產生各種效應。
振動通過座椅的底座和后部傳遞到臀部，并沿垂直軸向后傳遞，而踏板和操縱手柄則向騎手的腳、手和手臂傳遞附加振動。振動水平取決于更多的因素: 摩托車的類型和年齡，發動機大小，駕駛員體重，座位類型，懸掛類型和路面因素等。
基本的振動概念
振動引起損傷的風險取決于平均每日接觸。風險評估包括振動的強度和頻率、暴露時間和對接收振動能量的身體部位的注意力。
大小
振動的大小可以用加速度、速度或位移來表示。當人體對這三個因素中的任何一個做出反應時，這三個因素都是有意義的，這取決于運動的頻率。
頻域中的加速度、位移和速度用 Hz 表示。在許多國際公認的與人體振動測量有關的標準中，加速度是公認的表示量值的量值。振動幅值的 RMS 值適用于表示振動是連續的或間歇的過程，而不是類似沖擊的過程，例如騎摩托車。
頻率
一個振動的物體在其正常的靜止位置上來回移動。當物體從一個極端的位置移動到另一個極端的位置，然后又移回來時，就發生了一個完整的振動周期。
一個振動物體在一秒鐘內完成的周期數稱為頻率。表示頻率的單位是赫茲。一赫茲等于每秒一周期。
振幅
振動的強度取決于振幅。一個振動的物體在其靜止位置的兩邊移動到一定的最大距離。振幅是從靜止位置到兩側極端位置的距離，單位是米(米)。
加速
加速度是衡量速度隨時間變化的速度。在每個振動周期中，振動物體的速度從零到最大。當它通過自然靜止的位置到達一個極端的位置時，它移動得最快。
振動物體在接近極端時減速，在那里它停下來，然后通過靜止的位置朝另一個極端移動。振動速度以米/秒(m/s)或米每二次方秒/秒(m/s 2)表示。
人體振動
人體振動測試是評估使用不同種類機械設備(如電動工具、建筑設備、車輛和其他交通工具)的使用者所受振動量的一種標準方法。我們的客戶經常使用此解決方案來驗證標準操作環境對最終用戶的適用性。根據曝光類型的不同，不同的標準涵蓋不同類型的振動，如手臂或整個身體。
HBV的定義是機械振動對人體的影響。其影響可能是作用于身體的整體、全身振動(WBV) ，也可能是作用于身體的各個部位，其中手和手臂——手臂振動(HAV)是最重要和最頻繁的影響因素。在許多情況下，整個身體的振動來自車輛，陸基或其他，來自建筑物的振動地板，或來自大型機器，其中操作員坐在機器上。
全身震動
全身振動(WBV)主要通過座椅或地板傳遞給身體使用的越野車輛，如翻斗車，挖掘機，和農業拖拉機。然而，它也會影響一些鋪設路面的車輛的司機，如電梯卡車或摩托車。
它主要與下背痛有關，是下背部疾病的最大危險因素之一。當工人坐在或站在振動的座椅或腳踏板上時，就會發生這種情況。長時間暴露在高水平的 WBV 中會導致暈車、疲勞和頭痛。
手臂振動
當振動不影響整個身體，而只是一個器官，部分，或“部分”的身體，它被稱為節段振動。最常見的節段性振動暴露是手臂振動暴露影響手和手臂。
手臂振動(HAV)是由手操作的電動工具，如破路機或手提鉆，或在這種情況下，一個斬波車把，傳遞到使用者的手和手臂的振動。
HAV可影響神經、血管、肌肉和手臂的關節，引致手指刺痛和麻木，令人感到疼痛和喪失能力，減低握力和觸覺，并影響血液循環-振動誘發的白手指(VWF)。如果及早發現，這種疾病是可以治愈的。如果沒有，它可能導致永久殘疾的使用手。
振動頻率及其對人體的影響
振動頻率 | 影響的類型 |
1 Hz 以下 | 運動病 |
3.5 to 6 Hz | 警報效應 |
4 to 10 Hz | 胸腹痛 |
大約 5 Hz | 降低手動操作 |
7 to 20 Hz | 溝通問題 |
8 to 10 Hz | 背痛 |
10 to 20 Hz | 腸和膀胱疼痛 |
10 to 30 Hz | 降低手動和視覺控制 |
10 to 90 Hz | 降低視覺效果 |
表一。振動頻率對人體的影響，根據Brammer A.J.和Pitts P.M. (1) and Bridger, R.S. (2).
發出及申請
回到我們的摩托車和我們同事的安全。我們希望獲得和分享一個更好的洞察力測量振動產生的自行車在正常的騎行-和對騎手的影響。
對人體過度接觸振動的影響，特別是在工作環境中的影響進行了研究。人體振動試驗是評估電動工具、建筑設備、車輛或其他交通工具等各種機械設備使用者所受振動暴露的標準方法。
規例
在一系列行業的雇主需要準確地評估振動暴露水平，并檢查他們對規章所描述的限制。
在歐盟，振動指令(指令2002/44/EC)規定了控制來自工作相關的手臂和全身振動的風險的最低要求。該指令規定了振動劑量值(VDV)——行動值，超過這個值就要求雇主控制振動風險和限制值，超過這個值的人就不會受到輻射。
曝光極限值和動作值
對于手臂振動，這些值是:
■ 每日攝取量為2.5米/秒
■ 每日攝取量上限值為5米/秒
對于整個身體的振動，這些值是:
■ 每日的曝光作用值為0.5米/秒
■ 每日攝取量上限值為1.15米/秒
標準
國際標準已經建立，以確定測量和評估人類接觸振動的最佳做法，包括測量儀器。不同的標準涵蓋不同類型的振動取決于類型的曝光，如手臂振動和整個身體的振動。
ISO 5349是公認的標準，用于測量人體接觸到的手傳播振動，而 ISO 2631-1和 ISO 2631-5則涵蓋整個身體的振動。ISO 8041是用于測量振動的設備應該達到的標準。
Dewesoft 人體和全身振動解決方案支持全身和手臂振動的測量和計算，根據所有相關的國際標準，如:
■ ISO 5349 5349,
■ ISO 8041 8041,
■ ISO 2631-1 Iso2631-1, and
■ ISO 2631-5 Iso2631-5.
這個標準包括儀器以及一般和具體的方法來衡量和評估振動的影響，如多次沖擊或血管疾病的風險。我們的解決方案通常被客戶用來驗證標準操作環境對于最終用戶在工作相關情況下的適合性。
雖然法規和標準都是關于工作場所的機器和車輛的，但是在評估乘坐定制的直升機時的振動影響時，儀器、方法和風險值是同等重要的。
測量設置
由于摩托車的沖擊和振動的強度不同——小的、大的沖擊以及振動——我們使用了 SIRIUS-6xACC-2xSTG 數據采集系統和 DualCoreADC 技術。
該設備覆蓋160分貝的動態范圍，確保沒有數據被剪切或遺漏。手臂測量和全身測量都是用三軸加速度計進行的——通常使用50g（g：重力加速度）是傳感器和特殊適配器。
圖1. SIRIUS DAQ 與電池組一起安裝在驅動器后面的自行車上。
數據采集系統
■ 8通道 SIRIUS 6xACC 2xSTG 數據采集系統(數據記錄器)
■ B & k 座墊和三軸加速度計
■ Dytran 三軸加速度計
■ DS-IMU1 GNSS/IMU 設備
■ 全球導航衛星系統天線
■ 電池組(DS-BP2i)
■ USB攝像頭
■ 帶有 Dewesoft X 軟件的筆記本電腦，包括人體振動模塊
設備安裝
■ 駕駛員座位上的座墊傳感器，用于全身振動
■ 方向盤/車把三軸加速度傳感器用于手臂振動
■ 慣性測量裝置的滾動，瀝青，下巴，速度，GPS 的位置，和天狼星數據記錄器與電池組安裝后的驅動程序
■ 這臺筆記本電腦被安裝在駕駛員的背包里，以便在 Dewesoft X 中獲取數據
圖2。三軸加速度計安裝在車把上，用于手臂振動。
我們使用摩托車 RPM 傳感器(24-2齒輪齒)和變速箱直接采用現有的摩托車配線，并應用一個公式來計算皮帶比和輪胎直徑，從而捕捉到轉速。
我們還連接了 DS-IMU1設備，以便能夠捕捉到摩托車的 GPS 定位，并獲得一個滾動-俯仰-偏航-這樣我們就能夠輕松地將不同的駕駛條件-轉速，側向加速度等-與振動聯系起來。
圖3. DS-IMU1
我們將加速度計連接到 SIRIUS DAQ 切片上。GPS 天線連接到 IMU 設備，以確保一個強大的 GPS 信號。USB 攝像頭連接到 SIRIUS 來記錄測量的視覺方面——以控制由于路上的顛簸和坑洞而產生的沖擊峰值。SIRIUS 被連接到電池組供電。
在一個陪同車輛，我們也設置了一個遠程桌面計算機，使監測測量過程中的所有設置功能作為一個先進的人體振動儀。
圖4。摩托車手臂和全身振動的測量。
測量
我們的測量設定為1小時。測試是在開放的公路上進行的，我們在城市道路上行駛——時速50公里，交通信號燈——和高速公路上行駛——不間斷行駛，時速90-100公里。總的來說，道路的質量很好，只有一些路段路面上有顛簸或較小的坑洞。
手臂振動測量
使用 Dewesoft HBV軟件和測量設置，我們能夠計算手臂振動根據 ISO 5349。我們根據標準定義的曝光指南評估了結果。
一個人出現手-手臂振動綜合癥癥狀的可能性取決于個人的易感性，任何預先存在的疾病和條件，以及與任務相關的、環境和個人因素，如年齡、振動方向、耦合力、姿勢等等。
根據 ISO 5349，每日的振動水平可以計算為8小時的振動參考周期 a (8) ，即8小時的能量等效頻率加權加速度(m/s 2)。
研究表明，在與手接觸的表面 a (8)值小于2 m/s2的人群中，手-手臂振動綜合癥的癥狀很少見，而 a (8)值小于1 m/s2的人群則沒有報告。
在我們進行曝光計算和評估他們對規定的限制，我們想觀察測量振動的頻率含量的峰值和頻率。
通過對手臂數據的分析，我們測量了振動在63Hz 時在 x 和 y 方向上的突出峰值，在10hz 時加上一些較小的振動，在125hz 時在 z 方向上的峰值振動。由此可見，大多數振動發生在較低的頻率范圍內。
圖5振動數據轉換成頻域并顯示在倍頻程內。
圖6手臂曝光值的計算。
我們使用 DewesoftX 中的數學函數構成公式，從測量的數據中計算出曝光級別 a (8)——這可以告訴我們駕駛員連續駕駛8小時時所經歷的振動級別。
如果我們將手臂暴露值 = 0,813 m/s2的結果與手-手臂振動綜合癥出現癥狀的可能性進行比較，我們可以得出結論，連續騎摩托車8小時不會對騎手構成風險。
此外，在大部分國家，每個工作天的準許振動暴露水平，即暴露限值(ELV) ，是把手臂振動設定為5米/秒2a (8) ，遠高于我們在測試車程中所測量的暴露水平。由此，我們可以得出結論，騎自行車喜歡我們的職業目的和整個工作日的時間不會超過允許 ELV。
圖7。在 HBV 模塊的軟件通道設置中選擇 ISO 18570時自動計算 Ap (8)——結果在測量模式下很容易獲得。
ISO 18570標準規定了暴露水平和暴露在振動下的手-手臂振動綜合癥癥狀的發生指南。這里，每日暴露閾值用 Ep，d 表示，與 Ap (8)的關系用下面的公式表示:
其中 T0是8小時(28800秒)的參考時間。
研究和分析的 Brammer 和 Pitts [1]也允許估計最少的每日振動暴露，Ep，d，在這可能會發生的 VWF 癥狀。VWF 發病和持續發展的臨界值為 Ep，d，1150 m/s1,5ー1750 m/s1,5。
為了根據 Brammer 和 Pitts 的理論計算每日曝光量，我們使用 Math 從 Ap (8)數據中計算 Ep，d 作為輸出。
圖8. 在 Dewesoft HBV 模塊中，從 Ap (8)數據作為輸出計算 Ep，d。
從所獲得的結果，我們可以得出結論，即使當騎自行車8小時，每天暴露是遠遠低于建議的暴露閾值-騎我們的直升機并不代表任何顯著的風險發展癥狀的手-手臂振動綜合癥綜合征。
全身測量
對于全身測量的光譜數據，我們測量了所有三個方向的振動峰 x，y，z 在63Hz，在 x 和 z 方向的次要振動在10Hz。
圖9。全身振動測量結果在所有三個方向 x，y，z 直到1000赫茲。
我們想根據 ISO 2631-1評估乘坐過程中的舒適度。該標準規定，對于某些環境，可以使用代表性周期的頻率加權 RMS 加速值來評估人體舒適度。然后，它必須加權的 Wk-頻率加權的 z 方向，垂直的橫臥方向。
Dewesoft 人體振動模塊實施權重根據 ISO 2631-1的計算，當選擇整個身體的方法。在 ISO 2631-1中，定義為 aw 的整體振動值是通過選擇 RMS 作為輸出以及向量和輸出選項來計算的。
圖10。Dewesoft 人體振動模塊-選擇整個身體的方法權重根據 ISO 2631-1是執行的計算。
ISO 2631附件 a 振動對舒適和感知影響的指南。這表明時均頻率加權單軸振動加速度(aw)小于0.315 m/s2的 WBV 是舒適的，而0.315 m/s2到2.5 m/s2之間的水平被發現是不舒適的，大于2.5 m/s2的水平是極不舒適的。
整體振動值對整體振動的反應
每秒少于0.315 m/s | 沒什么不舒服的 |
0.315 to 0.63 m/s | 有點不舒服 |
0.5 to 1 m/s | 相當不舒服 |
0.8 to 1.6 m/s | 不舒服 |
1.25 to 2.5 m/s | 非常不舒服 |
每秒大于2 m/s | 非常不舒服 |
表2: iso2631震動對舒適性和感知極限的影響指南。
對于全身振動，使用頻率加權的均方根加速度，我們測量了一個0,47米/s2的 aw 值-剛好高于規定的舒適度水平。總而言之，騎自行車有點不舒服，接近相當不舒服。然而，一個定制的直升機，仍然不是那么壞！
圖11。用頻率加權的均方根加速度計算全身振動的結果。
為了評估全身振動的潛在健康風險，ISO 2631-1建立了健康指導警戒區。
圖12根據 ISO 2631-1的健康指導警示區。
對于區域以下的暴露，健康影響沒有被記錄或客觀觀察。在區域內，警告潛在的健康風險是指示和區域以上的健康風險是可能的。這一建議主要是基于4至8小時范圍內的照射。
Gb/t14551-1993振動曝光 ISO 標準
及其對駕駛員健康的影響
以小時為單位的曝光時間 | ISO 2631-平均均方根加速度限值，單位為 m/s | |
可能的健康風險 | 警戒區 | |
4 | 0.63 | 1.20 |
8 | 0.82 | 0.48 |
表3. ISO 2631-1規定的4小時和8小時接觸限值。
從測量 aw8值0,47米/s2是低于警戒區的形式，我們可以得出結論，通過騎自行車8小時，任何健康影響不太可能發生。
除了檢查舒適度、感知力和 ISO 2631健康指南中振動暴露警戒區的測量結果外，我們在評估數據時還考慮了另一個特定的限值: ELV。暴露極限值(ELV)是指每天8小時的工作時間內允許的震動暴露水平。在大多數國家，對于整體振動，ELV 定義為1.15 m/s2a (8)。
正如在我們的測量期間，我們只獲得略多于一個小時的數據，計算出來的整體振動值必須修正，以涵蓋8小時。為此，我們使用 Dewesoft Math 定義了一個計算 aw8的簡單公式。
圖13。一個簡單的公式是定義在 Dewesoft 數學為計算 aw8。
我們的結果是最大值為0,639 m/s2——遠低于極限值。這意味著我們購買的自行車可以在正常工作日使用，沒有超過 ELV 的關注。
所以，對于駕駛樂趣和挑選比薩餅，DEWEsoft定制的直升機將是一個安全的選擇。
圖14。 Dewesoft 團隊在評估自行車騎行測量數據。
總結
我們的自行車騎行振動測量表明，騎自行車是安全的，但你仍然需要謹慎，不要過度。騎行風格極大地影響振動暴露-在我們的測試期間，我們一直遵守道路規則，騎自行車在大多數平坦的道路上。
當我們根據 ISO 5349評估手臂振動暴露時，所得到的8小時平均振動劑量值低于水平限值。相對于曝光極限值(ELV)的測量值 a (8)也是可以的。
所得到的每日曝光量 Ep，d 遠低于 ISO 18570為手-手臂振動綜合癥綜合癥的發病和發展設定的每日曝光閾值。連續駕駛摩托車8小時不會對駕駛者的手和手臂造成危險。
對于整車的振動，按照 ISO 2631附件 a 的整體振動值被認為有點不舒服。這并不是最好的結果，但是考慮到自行車本身相對較重的改裝，結果是相當不錯的。NVH 團隊一致得出結論，有一點不舒服的乘坐是一個可以接受的代價騎自定義怪物我們已經測量。
根據 ISO 2631-1建立的健康指導警示區，騎自行車8小時不太可能對騎車人的健康構成任何威脅。在大多數國家，摩托車的工作時間是1.15 m/s2 a (8)在正常的8小時工作日，摩托車是一種合適的交通工具。
每天8小時騎自行車不會非常舒服，但最重要的是，不太可能造成任何嚴重的健康風險。
我們可以享受自由的感覺——而且仍然是安全的。
來源
■ Brammer A.J., & Pitts P.M.: 頻率加權的振動誘導白手指兼容的暴露-反應模型。Ind. .健康。2012,50 pp. 397-411
■ Bridger, R.S.: 《人類工程學導論》 ，麥格勞-希爾國際版, 318-409 (1995)
■ ISO18570: 機械振動。人體暴露于手傳振動的測量和評價。血管疾病風險評估的補充方法(2017年)
■ ISO 2631: 機械振動和沖擊ー人體暴露于全身振動的評估ー第1部分: 一般要求(2018年) ，第2部分: 建筑物的振動(1hz 至80hz)(2003年) ，
第3部分: 暴露于0,1至0,63hz (1985年)頻率范圍內的全身 z 軸垂直振動的評估，第4部分: 評估振動和旋轉軸對固定軌道上乘客和舒適性影響的指南。
運輸系統(2001年) ，第5部分: 包含多重沖擊的振動評價方法(2018年)
■ ISO 5349 機械振動。人體暴露于手傳播振動的測量和評價。第1部分: 一般要求，第2部分: 工作場所測量的實用指南，第3部分: 特殊信號表的補充說明(2001年)
■ ISO 8041 人對振動的反應。測量儀器。第1部分: 通用振動計(2017) ，第2部分: 個人振動曝光計(2021)
■ Sanders, M.S., & McCormick, E.J.: 《工程與設計中的人為因素》 ，麥格勞-希爾圖書公司, 1993年版(第627-634頁)
5個LCM系列或LCB疲勞級桿端拉壓雙向力傳感器，每個傳感器搭配一個USB220高分辨率數據記錄系統。
