馬陽光，鄭 嶠，肖強強，劉本源，張傳健，胡學(xué)昱，丁 坦*，王 哲*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，西安 710032；2.解放軍 32134 部隊衛(wèi)生連，天津 301900；3.解放軍 68302 部隊衛(wèi)生連，四川德陽 610408；4.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032）

0 引言

裝甲車輛作為部隊地面突擊力量的核心，因車輛作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、發(fā)動機功率大、艙室密閉等原因，致使駕駛員及乘員長期處于發(fā)動機振動和路面顛簸等引起的持續(xù)性振動環(huán)境中。同時，由于駕駛位與發(fā)動機艙位置較近，駕駛艙空間密閉狹小，導(dǎo)致裝甲車輛駕駛員受到的振動強度比乘員的更大[1-2]。這種持續(xù)的大強度振動經(jīng)由座椅和下肢傳導(dǎo)后，主要作用于駕駛員和乘員的臀部和腰部，特別是腰部受到的振動應(yīng)力最大。振動應(yīng)力持續(xù)作用于腰椎后，易引發(fā)腰肌勞損和腰椎間盤突出等腰部退行性疾病[3]。

既往對于裝甲車輛振動環(huán)境的研究主要著眼于發(fā)動機艙及車輛座椅等處，尚未見對于駕駛員腰部振動的直接關(guān)注[4-6]。且現(xiàn)有的振動測試設(shè)備不適用于駕駛員腰部振動的直接測量。本文針對當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，設(shè)計一款專業(yè)、可靠、穩(wěn)定、便攜的裝甲車輛駕駛員腰部振動測試系統(tǒng)，對裝甲車輛駕駛員不同作業(yè)環(huán)境下腰部的振動數(shù)據(jù)進行直接測量，以分析裝甲車輛振動環(huán)境對駕駛員腰部的具體影響，并提出裝甲車輛減振降噪的針對性措施，提升駕駛員的舒適性，為下一步相關(guān)裝甲設(shè)備的研發(fā)提供技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)研制

本系統(tǒng)是基于開源的9dof-sparkfun-imu-M0 架構(gòu)設(shè)計，將SAMD21 微處理器與MPU-9250 9DOF 傳感器相結(jié)合組建而成，是一種可重新編程的多用途慣性測量單元。其中MPU-9250 9DOF 傳感器具有三軸傳感器的功能（加速度計、陀螺儀和磁力計），能夠感應(yīng)線性加速度、角旋轉(zhuǎn)速度和磁場矢量。采集的數(shù)據(jù)以txt 格式存儲在SD 卡上，工作時間在10 h（300 mA 電池）以上，滿足單次訓(xùn)練的要求。系統(tǒng)默認(rèn)幀率是20 幀/s，即數(shù)據(jù)采集間隔為50 ms。系統(tǒng)實物圖和原理圖如圖1、2 所示。

圖1 裝甲車輛駕駛員腰部振動測試系統(tǒng)外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)實物圖

2 測試實驗

為模擬我軍某新型履帶式裝甲車在實戰(zhàn)和訓(xùn)練中最常面臨的作業(yè)環(huán)境，選擇具有較好代表性的戈壁道路來進行相應(yīng)測試。由于裝甲車輛日常訓(xùn)練中的行駛速度主要集中在15～45 km/h，本研究以此為參考范圍，每隔15 km/h 選取測試車速。測試工作按照確定路況配合不同車速進行。駕駛員體質(zhì)量為75 kg，測試路線為平直、干燥、坡度在3%以內(nèi)的戈壁路，長度不小于3 km，設(shè)計測試車速分別為15、30、45 km/h，車速允許偏差為測試車速的±3%，車速到達測試車速后開始采集數(shù)據(jù)。

測試時將振動測試系統(tǒng)以外殼標(biāo)識箭頭垂直向上的方向，用緊固的腰帶直接固定在駕駛員腰部后正中位置。單次測試時間不少于600 s，同一試驗條件下測試不少于3 次。測試時駕駛員保持正常駕駛姿勢，全身放松，背部靠于座椅靠背上。對駕駛員腰部X、Y、Z 軸共3 個方向的振動信號進行采集。其中X 軸方向為車輛行駛方向，反映縱向振動；Y 軸方向為由駕駛員左側(cè)至右側(cè)方向，反映橫向振動；Z 軸方向為由駕駛員臀部至頭部方向，反映垂直振動。以各組數(shù)據(jù)絕對加速度為對象，利用編制的用于特征提取和數(shù)據(jù)分析的Python 腳本對原始數(shù)據(jù)進行讀取和分析。振動強度的計算以加速度表示，單位為m/s2。通過對裝甲車輛駕駛員腰部三維振動信號的分析，得出駕駛員腰部的具體振動特征。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 駕駛員腰部的振動分析

分析裝甲車輛在相同路況下不同駕駛速度對裝甲車輛駕駛員腰部振動強度及振動頻譜的影響，詳見表1。從表1 可知，裝甲車輛駕駛員腰部不同軸向的振動中，Z 軸方向的振動強度最大，X 軸方向次之，Y軸方向最小，且裝甲車輛以30 km/h 行駛時，振動強度最大。裝甲車輛不同行駛速度對裝甲車輛駕駛員腰部振動頻譜的分布無明顯影響，裝甲車輛駕駛員腰部不同軸向的振動峰主要分布在2～10 Hz 范圍內(nèi)。

圖2 裝甲車輛駕駛員腰部振動測試系統(tǒng)原理圖

表1 裝甲車輛駕駛員腰部振動情況

圖3 所示為某新型履帶式裝甲車以30 km/h 的行進速度行駛在甘肅張掖某戈壁路段時，駕駛員腰部位置的三軸向振動加速度時程曲線。通過分析可知，駕駛員腰部X 軸方向振動加速度分布范圍為0.282 3～2.127 4 m/s2，且主要分布在0.5～1.0 m/s2范圍內(nèi)；Y 軸方向振動加速度分布范圍為0.132 7～1.421 4 m/s2，且主要分布在0.3～0.8 m/s2范圍內(nèi)；Z 軸方向振動加速度分布范圍為0.212 2～2.499 7 m/s2，且主要分布在0.9～1.5 m/s2范圍內(nèi)。以上數(shù)據(jù)提示垂直方向（Z 軸方向）和縱向（X 軸方向）的振動可能是裝甲車駕駛員腰部的主要振動，也是在駕駛員腰部振動相關(guān)疾患預(yù)防中要考慮的主要干預(yù)因素。

圖3 裝甲車輛駕駛員腰部X、Y、Z 軸振動加速度時程曲線（測試速度30 km/h）

圖4 所示為裝甲車輛在相同測試條件下，駕駛員腰部位置振動信號的頻譜分析。結(jié)果顯示，駕駛員腰部的振動頻譜分布相對集中于低頻區(qū)，主要分布在0～20 Hz，20 Hz 以后振動信號分布較少，其中2～10 Hz 范圍內(nèi)分布有明顯的振動峰。國外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，5 Hz 左右的低頻振動可以與脊柱產(chǎn)生共振[7]，這種振動與腰痛和脊椎退行性疾病的發(fā)生具有明顯的正相關(guān)性。既往關(guān)于裝甲車輛駕駛員座椅處振動的研究發(fā)現(xiàn)，振動頻率主要集中在20～50 Hz 范圍[5]，與本研究發(fā)現(xiàn)有一些差異，這可能是由于臀部和腰背部軟組織對振動的過濾作用造成的。

圖4 裝甲車輛駕駛員腰部X、Y、Z 軸振動信號的頻譜分析（測試速度30 km/h）

3.2 駕駛員腰部振動對人體健康的影響分析

采用GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價 第1 部分：一般要求》標(biāo)準(zhǔn)[8]，對裝甲車輛駕駛員腰部振動對人體健康和舒適的影響進行評價。該標(biāo)準(zhǔn)是通過計算X、Y、Z 軸方向0.5～80 Hz 的1/3 倍頻帶計權(quán)加速度均方根值來計算三軸向振動頻率計權(quán)加速度和振動總量，利用三軸向中的最大頻率計權(quán)加速度來評估振動對健康的影響，利用振動總量來評估振動對舒適度的影響。

當(dāng)裝甲車輛以30 km/h 行駛在戈壁道路時，駕駛員腰部振動的頻率計權(quán)加速度分別為0.28、0.19和0.53 m/s2，其中Z 軸方向的頻率計權(quán)加速度最大為0.53 m/s2，振動健康評價為無明確健康危險警告。駕駛員腰部的振動總量為0.79 m/s2，振動舒適度評價為相當(dāng)不舒適。

4 討論

相關(guān)研究表明，我軍裝甲部隊駕乘人員腰痛的發(fā)病率為41.3%～73.7%，其中駕駛員腰痛檢出率較乘員更高[9-10]，明顯高于一般人群平均（11.9±2.0）%的腰痛發(fā)病率[11]，其中一個重要原因是裝甲車輛駕乘人員長時間處于振動的作業(yè)環(huán)境中，振動也因此被認(rèn)為是駕駛員腰椎退行性疾病及腰痛等相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的重要危險因素之一[12]。本研究在參考前期同類研究[4-6]的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計了體積小、可靠性強、靈敏度高和續(xù)航能力強的振動測試系統(tǒng)。將本系統(tǒng)直接通過緊固的腰帶固定于駕駛員腰部后正中位置進行振動數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成后，可以直接利用編制的用于特征提取和分析的Python 腳本對原始數(shù)據(jù)進行讀取和分析。

對不同行駛速度下裝甲車輛駕駛員腰部振動特征的分析表明，車輛行駛速度是影響駕駛員腰部振動強度的關(guān)鍵因素，且行駛速度與腰部振動強度間呈非線性關(guān)系。當(dāng)裝甲車輛以30 km/h 的速度行駛在甘肅張掖某戈壁路段時，裝甲車輛駕駛員腰部的振動強度最大。進一步分析發(fā)現(xiàn)，裝甲車輛以30 km/h速度行駛在戈壁路段時，駕駛員腰部三軸向振動的頻譜峰與人體腰椎的固有振動頻率均集中分布在5 Hz 水平，由此形成的共振效應(yīng)可能是30 km/h 速度下駕駛員腰部振動強度更大的重要原因。同時，在駕駛員腰部X、Y、Z 軸3 個方向的振動中，Z 軸方向振動強度最大，X 軸方向次之，Y 軸方向最小。這從一定程度上說明，路面起伏情況及車輛垂直減振系統(tǒng)可能是影響裝甲車輛振動及駕駛員腰部健康的一個關(guān)鍵因素，對裝甲車輛振動的防護中，要更加注重考慮垂直減振系統(tǒng)的應(yīng)用。從振動頻譜上看，裝甲車輛駕駛員腰部振動頻譜主要集中在0～20 Hz，這種低頻的振動波與人體自身脊柱和腰部的振動頻譜部分重疊，從而產(chǎn)生一定的共振作用，這可能是裝甲車輛振動環(huán)境造成駕駛員及乘員腰椎退行性疾病和下腰痛發(fā)病率高的一個重要原因[7]。本研究對照GB/T 13441.1—2007 的評價標(biāo)準(zhǔn)，對腰部振動對駕駛員健康和主觀感受的影響進行了系統(tǒng)評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，駕駛員腰部振動對健康的影響為無明確健康危險警告，但振動舒適評價為相當(dāng)不舒適。

通過對裝甲車輛駕駛員腰部振動特征的分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)垂直方向和車輛行駛方向的10 Hz 以下的低頻振動可能是導(dǎo)致駕駛員腰部疲勞、酸痛等主觀感受和腰椎退行性疾患發(fā)生和發(fā)展的重要危險因素?，F(xiàn)有裝甲車輛普遍采用的金屬鋼彈簧類的振動控制裝置具有振動控制頻譜范圍有限、對低頻振動控制能力弱的特點[13]。推進可控流體減振器及橡膠阻尼減振裝置等對低頻振動控制較好的減振技術(shù)在裝甲車輛中的應(yīng)用可能會對駕駛員和乘員起到較好的振動防護作用。對裝甲車輛發(fā)動機進行振動隔離，減少運載平臺自身的結(jié)構(gòu)振動，也是降低車輛振動及噪聲的有效方法。針對駕駛員和乘員的振動防護，可通過給座椅加裝緩震坐墊，使用模擬人體脊柱曲度的座椅靠背等方法，來降低振動對腰椎椎體間生物應(yīng)力的影響。在駕駛員的日常駕駛中，可通過避免長期較高速度行駛，使用腰部襯墊維持腰椎前凸，系好安全帶，減少軀體晃動的方式來減少振動對腰椎的不利影響。

本研究主要針對裝甲車輛駕駛員在不同作業(yè)工況下腰部振動特征進行了分析和總結(jié)，受限于部隊野外駐訓(xùn)的客觀條件，選擇的測試路段較為單一，數(shù)據(jù)的代表性可能有一定程度的限制，但也能模擬裝甲部隊野外的常見作業(yè)工況。同時，只針對裝甲車輛駕駛員這一特殊群體腰部的振動特征開展了相關(guān)研究，研究對象較為單一，后續(xù)課題組將利用開發(fā)的振動測試系統(tǒng)，開展對不同裝備、不同人群的相關(guān)振動研究。

綜上所述，本研究利用課題組自行研制的振動測試系統(tǒng)對裝甲車輛駕駛員腰部振動進行了直接測量，闡明了裝甲車輛駕駛員腰部振動的具體特征，并據(jù)此提出了針對性的裝甲車輛減振降噪的意見措施，有望為后續(xù)相關(guān)裝備的設(shè)計和研發(fā)提供思路和參考。