人体振动测量实验报告
一、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。
二、实验器材
NDI振动测量系统
三、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
（二）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。
五、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，并且熟练掌握了处理数据的方法。
(2) 在数据处理的过程中，了解到振动信号时域和频域的不同之处，并且掌握了几种评价座椅舒适性的方法。
(3) 了解到座椅的舒适性主要和三个因素振动频谱，传递性和人的响应频率权重有关，为以后座椅的优化设计提供理论依据。
第二篇：人体肺泡气成分的分析
人体肺泡气成分的分析
【目的要求】
学习用沈氏气体分析管测定人体肺泡气的成分。
【基本原理】
在一定容积的密闭管中，放入一定容量的5mol/LNaOH 溶液。该溶液能吸收气体中的CO2，结果使管内压力下降。一旦在水内打开管口，水便进入管腔，进入水量的多少与被吸收的CO2 体积相等。由此可测得气体中CO2 的百分容积。同理，用焦性没食子酸的碱溶液吸收O2，可测得空气中O2 的百分容积。沈氏气体分析管就是用这种原理测定气体成分的。
【实验器材】
沈氏气体分析管、水池或水箱、10ml 量筒、小漏斗、酒精棉球、5mol/LNaOH溶液、焦性没食子酸饱和苛性钠溶液（配制方法：将lg 焦性没食子酸溶于10ml 饱和NaOH 溶液内）、5%醋酸。
【方法与步骤】
1．熟悉沈氏气体分析管的结构沈氏气体分析管（图5-3）一端较粗，其容积为全管总容积的50%。另一端较细，细管部分亦占总容积的50%。细管有刻度，每一小格占全管容积的0.2%。管的两端各有一活塞（图中甲、乙）。甲活塞内有两个孔道：大孔道的直径与分析管的内径相等；小孔道则细而弯曲。乙活塞仅有一个大孔道。
2．甲活塞小孔道注水先将分析管乙活塞与大气相通，并转动甲活塞，使小孔管与大气相通（图5-3B）。将甲端插入水池或水箱中，待水经过小孔道进入管内后，在水中旋转甲活塞，关闭小孔道。注意：小孔道内不得有气泡混入，否则重新灌注。将分析管由水中取出，管腔内的水由大孔自由流出。
3．收集肺泡气用酒精棉球将甲端管口消毒。然后将深呼气时最后呼出的一部分气体由甲端吹入管内。待呼气完毕之前，先将乙活塞关闭。然后继续向管内呼气，使管内的压力稍高于大气压，即迅速关闭甲活塞大孔。注意：此时甲活塞大孔与小孔皆呈关闭状态，切勿使小孔与大气相通，以防小孔内灌注的水分流出。
4．平衡温度与压力将已收集了肺泡气的分析管水平放置于水中3min，使温度平衡。然后提起乙活塞出水面，略略打开而又迅速关闭之，使管内多余的肺泡气放出，此时管内的气体压力与大气压相等。注意：在整个操作过程中，手不得接触分析管充气部分，以免手温影响管内气体的温度。
5．CO2 百分容积的测定
（1）将5mol/LNaOH 溶液3ml 注入甲端上部的刻度管内。略开甲活塞小孔道，使小孔与管腔相通。此时管内CO2 即与NaOH 接触而被吸收，于是NaOH溶液逐渐向管内流进。当流入2ml 时，迅速关闭小孔，将剩余的NaOH 弃去，并洗净活塞外的碱溶液。颠倒摇动分析管10 余次（约半分钟），使管内CO2被NaOH 充分吸收。
（2）将分析管平置于水中约3min，使管内、外温度平衡。然后将甲活塞外端管腔灌满水。注意：不得有气泡。用拇指紧闭甲端管口，将分析管倒置后放入水中，松开拇指，使管内NaOH 溶液的液面与水面相平。然后慢慢开启甲活塞小孔，水因管内已形成的负压而进入管腔内。随着管腔内水分的上升，应将分析管压下，使管内、外的液面始终保持齐平。待管内水面不再上升，即可关闭小孔。注意：转动甲活塞时，切勿使大孔与管腔相通。
（3）取出分析管，记录管内液体所占的容积百分比，此即为肺泡气中CO2 的百分容积。
（4）校正结果为了使管内的CO2 完全被吸收，需要重复摇动分析管，然后平衡温度，调节压力，直到所记录的刻度不变为止。最后记录CO2 的百分
容积。
6．O2 百分容积的测定CO2 测定完毕后，利用原分析管内的肺泡气继续测定O2 的百分容积，其测定方法与CO2 的测定相同。所不同的是在步骤（1）中，将6ml 焦性没食子酸饱和苛性钠溶液注入甲端上部的刻度管内，然后开启甲活塞小孔，待溶液流入5ml 时，关闭小孔。然后按（2）、（3）和（4）步骤测定O2 百分容积。注意：将O2 完全吸收后的刻度数减去CO2 所占的容积，即为O2 的百分容积。
7．分析管的洗涤实验完毕，用自来水将管内冲洗干净，然后用5%醋酸溶液3ml 沿分析管内壁冲洗一次，最后再用自来水冲洗数次即可。
【思考题】
1．将所得肺泡气与空气中的CO2 与O2 的百分容积作一比较，分析其不同 的原因。
2．小结使用沈氏气体分析管的体会与经验。
（解景田）