Apparent mass and crossaxis apparent mass of standing subjects during exposure to vertical.docx
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Apparentmassandcrossaxisapparentmassofstandingsubjectsduringexposuretovertical
经受垂直全身振动的站立受试者的表观质量和横轴表观质量
摘要:
本文主要调查姿态和震动级对经受垂直振动的站立受试者的垂直表观质量和纵向横轴表观质量的影响。
十二个男性受试者被随机分配在垂直振动的频率范围2.0-20赫兹的三振级:
0.125,0.25和0.5ms-2rms。
受试者有五个不同的姿势:
直立,脊柱前凸,前倾,膝盖弯曲和膝盖更弯曲。
作用在地板上的垂直加速度以及垂直力和纵向力用来获得表观质量和横轴表观质量。
在膝盖弯曲和膝盖更加弯曲的姿势中,表观质量谐振频率显著降低,但是改变上半身的姿势只轻微影响谐振频率,但是发现相当大的横轴表观质量大约是受试者的静态质量的30%。
横轴的表观质量受到所有姿态变化的影响。
在所有的姿势中,随着振动量增加,表观质量谐振频率和横轴表观质量减少。
由于某些姿势中,受试者肌肉张力增加,这种非线性特性往往是不明显的。
1.简介
由于垂直振动,站立的人有明显的垂直和纵向移动。
垂直地板振动产生纵向力作用在地板上使身体纵向运动。
由于人体的纵向面上有对称性,在垂直振动中地板上横的向力可能相对较小。
我们需要人体的动态响应的驱动点的知识去预测人体和支撑结构的动态互动。
除了人体作用在地板上的动态力以外,其他方向的励磁也需要预测。
了解人体的二维动态响应可以协助发展振动生物的动力反应模型,或者预测身体的反应或预测在实际情况下的力。
用表观质量频率响应函数来表示身体的动态响应驱动点。
用“横轴表观质量”表示动态响应的驱动点方向,而不是激励的方向。
例如,在垂直振动中,纵向动态响应是由纵向表观质量表示的:
驱动点的纵向力和垂直加速度之比。
经受振动的人体的动态响应受多种因素的影响,包括身体姿势和振动量级。
当站立受试者的受到垂直激励从“僵直膝盖”到“弯曲腿”时,Coermann发现谐振频率点机械阻抗从5.9变到2赫兹。
Miwa认为上身姿势和双腿的“僵直”和“放松”,机械阻抗没有明显的不同。
他发现,类似的机械阻抗震级下,“膝盖弯曲”姿势的三个方向的峰值峰在20至60赫兹之间。
松本和格里芬研究了果蝇的腿的姿势对表观质量的影响,发现当弯曲膝盖和用一条腿站立时共振频率显著下降。
站立受试者经受垂直振动时,纵向动态力的改变先前没有人研究。
然而,一些研究调查了纵向力与垂直激励中坐着受试者的关系。
Nawayseh和格里芬发现纵向横轴表观质量随姿势改变而改变。
即使坐或站立的受试者轻微改变姿势可能会引起纵向驱动点动态响应的改变,因为身体位置的纵向重心发生了改变。
在以前的研究(例如参考文献[1-8,12]),一直认为经受垂直振动人体的动态响应是非线性:
表观质量谐振频率随振动量增加而增加。
这种“软化”效应已经在坐或者站立的人体内发现。
人们已经研究了在水平振动的受试者身上,表观质量谐振频率随着振动级的增加而减少。
Fairley和格里芬发现坐着的受试者的纵向表观质量的非线性共振在1.5至3赫兹之间。
在坐着的对象[5、6]和站立对象中,在垂直振动从激发点传播到人体的不同地方以及横向和纵向方向时也观察到一个类似的非线性。
相比于在垂直激励[3,4]中纵向横轴表观质量的非线性特征,垂直表观质量、水平表观质量和传递性(即,两个动作在不同的位置之比)的非线性特征是一致的。
尽管有一些建议,但非线性动态响应机制尚未建立。
曼斯菲尔德和格里芬认为坐着对象的非线性动态响应可能是复杂的多种因素引起的,包括坐骨下的软组织的动态特性,脊柱的弯曲或屈曲响应和肌肉的积极响应。
通过Kitazaki和格里芬的数学模型,松本和格里芬认为,脊柱的弯曲和屈曲对共振表观质量有些微影响。
在一个实验研究,脊柱弯曲和直立姿势中观察到一个类似的软化特性,这意味着脊柱的弯曲和屈曲只是轻微影响表观质量的非线性。
站立的和坐着的受试者都对垂直振动显示类似的非线性动态响应,可能在人体中有相同或相似的部分负责两种方向的非线性。
一个关于坐着对象的肌肉紧张对表观质量非线性影响的研究,表明共振频率减少与坐着条件下腹部和臀部的肌肉紧张有关,而和直立坐姿下肌肉正常紧张无关[2]。
这表明,振动中的肌肉的非自愿改变可能部分影响人体的非线性动态响应。
在一个站立的姿势,动态响应的非特性减弱可能是由于肌肉张力在上颚的身体或下肢增加,可以认为增加肌肉张力降低在振动中肌肉活动的非自愿改变。
该研究的目的是探讨经受垂直振动的站立受试者的垂直表观质量和横轴表观质量。
有三个具体方面调查:
(i)经受垂直振动的站立受试者在地板上引起的纵向力的特点,(ii)姿态变化对地板垂直和纵向方向力的影响,以及(iii)肌肉张力的非线性响应对人体的影响。
这是假设,会有一个相当大的纵向横轴表观质量与垂直表观质量共振共鸣。
因此垂直表观质量和横轴表观质量将是同样受姿势和振动量的影响。
进一步认为,站立受试者的动态响应非线性将会随着肌肉紧张的增加而减少。
2.方法
这个实验是经人体实验安全和伦理委员会研究所的声音和振动研究(ISVR),南安普顿大学的毕业典礼前的一个实验室实验ISVR检验的。
2.1受试者
十二个男性受试者平均年龄28岁(范围22-48岁),身高1.79米(范围1.65-1.96米),体重77.45公斤(范围65.60-101.95公斤)参加了实验。
受试者是学生和ISVR的教职工。
实验开始前,受试者递交了他们同意参与符合政策的有关人体试验的ISVR研究的书面文件。
2.2设备
一个电动振动器,DerritronVP180(黑斯廷斯,英格兰),用于生成垂直振动。
一个三轴力平台,基斯特勒9281B(基斯特勒AG、瑞士)是用来测量部队在垂直和纵向方向。
这个力平台(600x400x20毫米),包括四个三轴力石英压电换能器,是牢牢地固定在振动器上。
力平台顶板的垂直加速度使用硅压阻式加速度计逆作法测量,EntranEGCSY-240D*-10。
一个HVLab数据采集和分析系统(版本3.81)是用于生产运动和获取信号的传感器。
从加速计和力传感器传过来信号在35赫兹低通滤波后以每秒128个样本被数字化。
2.3试验方案
受试者经受的随机垂直振动是一个大约平常数带宽加速度,功率谱2-20赫兹的频率范围,有三个不同的振动震级:
0.125,0.25和0.5ms-2rms。
每一个接触的持续时间是60秒。
在三个不同等级下激励同样的加速度波形。
在实验中,受试者要求三个不同的上身姿势和两个不同的下肢的姿势。
五个姿势实验中使用的表1中描述。
脊柱前凸和前倾姿势是用来调查上身姿势的影响,前倾姿态涉及增加背伸肌的肌肉张力,而脊柱前凸姿态涉及腹部肌肉张力增加。
此外,这两个姿势涉及腿部的肌肉张力增加。
膝盖弯曲姿势包含了保持膝盖垂直高于脚趾。
在这个姿势,下肢的肌肉张力增加。
进一步提高下肢肌肉张力是通过增加膝盖弯曲。
在所有的姿势中,受试者光脚站在大脚趾相隔30厘米和脚跟相隔25厘米的平台。
除了在膝盖弯曲姿势和膝盖更加弯曲的姿势,受试者站着双腿伸直,锁定。
在这两个弯腿姿势中,指定小腿与大腿的夹角。
表一:
姿势的描述
姿势描述
直立舒适的直立的姿势与正常的肌肉紧张
脊柱前凸精益上半身略微落后,保持腰椎最大弯曲
前倾精益上半身略向前倾,垂直对齐肩膀上方的脚趾
膝盖弯曲小腿和大腿之间膝盖弯曲的角120度
膝盖更弯曲小腿和大腿之间膝盖弯曲的角110度
为了安全目的,受试者要求保持双手轻抓一个固定在他们面前的刚架。
受试者还要求避免任何自愿的身体动作,要睁大眼睛,向前看并保持相同的站立位置。
对于每个受试者,三个振动震级和五个姿势的指令是随机的。
2.4分析
通过测量垂直加速度和双轴力信号,对垂直表观质量和纵向横轴表观质量进行计算。
两个垂直表观质量和纵向横轴表观质量计算使用交叉谱密度法:
是力和垂直地板加速度之间的交叉谱密度和
是垂直层加速度的功率谱密度。
在测量垂直方向力要考虑力平台的部分质量和平台上方的力传感器的影响。
为了得到受试者的垂直表观质量,必须排除这种影响。
没有主体所测量的垂直表观质量显示真实部分的表观质量,是常数和虚部为零的频率范围。
这表明在实验中该平台上方的传感器作为刚性质量的频率范围。
因此,没有主体的真实的垂直表观质量,是力平台的静态部分的质量减去力传感器的真实部分垂直表观质量传递函数,以消除力平台上方的力传感器质量的影响。
没有主体情况下测量的纵向横轴表观质量是常数和虚部为零的频率范围。
这表明力平台在纵向方向上没有运动。
因此,计算纵向横轴表观质量不需要减去其他质量。
用十字架谱密度归一法来获得每个主体的表观质量,除以每一个主体的静态重量,以使每个主体不同质量的因素影响最小化。
3.结论
3.1垂直表观质量
图1显示了在振动量0.5ms-2rms条件下,每个主体所有的姿势的规范化垂直表观质量。
尽管有三个不同的上身姿势,但在每一个姿势中,受试者在垂直表观质量显示出类似的一般特征,从8到13赫兹的共振频率比其它更清晰一些。
在“双膝弯曲”姿势和“膝盖更弯曲”姿势,大部分的受试者显示一个广泛的小峰值大约是12Hz和在低频率有一个更显著的高峰。
图1:
在0.5ms-2rms条件下,12个主体的五种姿势的规范化垂直表观质量。
(a)直立,(b)脊柱前凸,(c)前倾,(d)膝盖弯曲和(e)膝盖更弯曲。
图2:
在0.5ms-2rms条件下,12个受试者的五种姿势:
直立,脊柱前凸,前倾,膝盖弯曲,膝盖更弯曲的中值归一化垂直表观质量和相。
3.1.1姿势对垂直表观质量的影响
图2显示了在振动量0.5ms-2rms条件下,12个受试者的所有姿势中值归一化垂直表观质量和相的计算。
在直立姿势,中值共振频率的归一化表观质量是5.63赫兹。
膝盖不动的姿势变化(直立,脊柱前凸的或前倾姿势)比下肢姿势的变化(“膝盖弯曲”或“膝盖更倾向”的姿势)对表观质量的谐振频率的影响要小。
在“双膝弯曲”的姿势,表观质量共振频率的中位数3.13赫兹,和一个较小的宽的峰值大约12Hz。
随着小腿和大腿之间的角减少(即“膝盖更倾向”的姿势),主共振降低为2.63赫兹。
表2中列出了所有姿势的中值归一化表观质量的共振频率和中值归一化表观质量的谐振频率数据。
表观质量的谐振频率受下肢姿势影响而上肢姿势变化对表观质量共振有次要的影响。
在大多数振动震级,在前倾的姿势有最低中值表观质量共振频率。
表3调查统计了直立的姿势和其他四个姿势的表观质量共振频率的差异和共振表观质量的差异。
在直立的姿势和脊柱前凸的姿势,任何振动级的共振频率之间没有统计上的显著差异。
在任何振动级除了0.5ms-2rms,直立的姿势和前倾姿势的谐振频率存在小差异但没有统计学显著差异。
在所有的振动震级,直立的姿势与“膝盖弯曲”姿态和直立的姿势与“膝盖更倾向”的姿势(p<0.01,Wilcoxon)之间在共振频率上有显著差异。
“膝盖弯曲”的姿势和“膝盖更倾向”的姿势在每个振动级(p<0.01,Wilcoxon)的共振频率有明差异。
在所有振动震级除了在0.5ms-2rms,直立的姿势和脊柱前凸的姿势在表观质量共振频率上有一个统计学的显著差异。
在振动震级为0.125和0.5ms-2rms时,直立的姿势和前部精益的姿势在共振表观质量有显著差异。
只有在振动量0.125ms-2rms时,直立的姿势和“膝盖弯曲”的姿势的共振表观质量有显著差异。
直立的姿势和“膝盖更倾向”的姿势的共振表观质量无显著差异。
表2:
12个受试者在共振条件下共振频率中值归一化表观质量和规范化表观质量
姿势共振频率(Hz)规范化表观质量
0.1250.250.50.1250.250.5
直立6.396.015.631.891.831.77
脊柱前凸6.265.765.631.661.581.64
前倾7.016.516.011.611.641.58
膝盖弯曲3.513.263.131.701.741.82
膝盖更弯曲3.012.632.631.901.711.92
表3:
姿势对表观质量的谐振频率和共振表观质量在统计意义上的的影响:
对比直立的姿势
姿势共振频率表观质量
0.1250.250.50.1250.250.5
脊柱前凸0.3560.1470.3990.002**0.008**0.099
前倾0.4170.2480.024*0.019*0.0600.045*
膝盖弯曲0.002**0.002**0.002**0.008**0.8140.209
膝盖更弯曲0.002**0.002**0.002**0.5300.8140.136
Wilcoxon署名的配对等级测试。
3.1.2垂直振动级对垂直表观质量的影响
在所有的姿势下每个受试者的表观质量共振频率往往随着振动量减少而减小。
三个振动震级所有姿势的中值归一化表观质量和相如图3所示。
随着振动震级不同,所有的姿势都存在表观质量的非线性,尽管非线性程度不同(表2)。
在直立的姿势,随着振动震级从0.125到0.5ms-2rms增加,共振频率从6.39降到5.63赫兹。
在其他姿势下除了前倾的姿势,很少有共振频率的显著改变(表2)。
随着振动震级从0.125到0.5ms-2rms增加,脊柱前凸的姿势共振频(10.1%)、“双膝弯曲”的姿势共振频率(10.8%)和直立的姿势共振频率(11.9%)的变化略小,前倾的姿势共振频率(14.3%)和“膝盖更倾向”的姿势共振频率(12.6%)变化较大。
图3:
在三个振动震级条件下,12个受试者的五个姿势的中值归一化垂直表观质量和相。
(a和d)直立,(b和e)脊柱前凸,(c和f)前倾,(g和i)膝盖弯曲,(h和j)更加弯曲膝盖。
—0.12ms-2rms,--0.25ms-2rms,0.5ms-2rms.
表4:
振动级对表观质量谐振频率和共振表观质量统计意义上的影响
姿势振动级(ms-2rms)表观质量谐振频率表观质量
0.250.50.250.5
直立0.1250.005**0.002**0.015*0.010**
0.25—0.017*—0.388
脊柱前凸0.1250.050*0.002**0.2090.583
0.25—0.326—0.695
前倾0.1250.031*0.007**0.4800.147
0.25—0.011*—0.875
膝盖弯曲0.1250.031*0.007**0.0710.099
0.25—0.088—0.480
膝盖更弯曲0.1250.011*0.018*0.2090.937
0.25—0.308—0.480
Wilcoxon署名的配对等级测试。
随着振动级的改变,表观质量的共振频率和共振表观质量统计学的变化都列在表4。
在所有的姿势(p<0.05,Wilcoxon)中,随着振动震级从0.125到0.25ms-2rms和从0.125到0.5ms-2rms增加,谐振频率有一个统计上的显著减少。
随着振动级从0.25到0.5ms-2rms增加,只有直立姿势和前倾姿势的谐振频率有一个统计上的显著减少。
通过振动震级的改变,研究姿势的改变引起的共振频率改变,共振频率统计上的显著差异,统计分析两者的绝对值和绝对值之比。
在0.125和0.5ms-2rms和在0.25和0.5ms-2rms,“膝盖更倾向”姿势的共振频率绝对差异比直立姿势(p<0.05,Wilcoxon)小很多。
在不同振动震级,前倾姿势,脊柱前凸姿势以及“双膝弯曲”姿势的共振频率差异相对于直立姿势(p<0.05,Wilcoxon)没有显著不同。
在不同振动震级,脊柱前凸姿势、前倾姿势、“膝盖弯曲”姿势和“膝盖更倾向”姿势的谐振频率百分比相对于直立姿势(p<0.05,Wilcoxon)没有显著的改变。
在直立姿势,表观质量共振频率往往随着振动量增加而减少:
当振动量从0.125到0.25和0.5ms-2rms增加,表观质量共振频率有统计上显著减少(表4)。
在其他的四个姿势(p<0.05,Wilcoxon)中,表观质量共振频率的改变并不明显。
3.2横轴表观质量
在振动震级为0.5ms-2rms条件下,所有受试者的所有姿势的纵向横轴表观质量在图4。
除了前倾姿势外,对于大多数受试者都有一个可观的的横轴表观质量。
尽管所有的姿势中一些受试者的纵向横轴表观质量显示出三个峰值,但是大部分的受试者纵向横轴表观质量显示两个清晰的峰值。
在三个上身姿势中受试者可变性更大。
在“膝盖更倾向”姿势,可以看到在大多数受试者数据中有一个类似的一般的横轴表观质量特征。
图4:
在0.5ms-2rms条件下,12个受试者五个姿势的规范化纵向横轴表观质量。
(a)直立,(b)脊柱前凸,(c)前倾,(d)膝盖弯曲和(e)膝盖更弯曲。
标准化【归一化】纵向横轴表观质量
图4:
在
时,以5种姿势((a)直立的;(b)脊柱前凸的;(c)前倾;(d)屈膝;(e)膝盖弯曲程度更大)测得的12个对象的标准化纵向横轴表观质量。
图5:
在
时,以5种姿势所测得的12个被测试者的标准化纵向横轴表观质量的中间值和相位,
直立的;
脊柱前凸的;
前倾;
屈膝;
屈膝程度更大。
3.2.1姿态对横轴表观质量的影响
图5显示了在振动量级为
时,在各种姿势下所测的12个被测试者的标准化纵向横轴表观质量的中间值和相位。
人体的纵向响应明显受到身体姿势的影响。
在直立姿势下,中间横轴表观质量显示了在6HZ左右有一个主共振,以及在12HZ左右有一个小共振。
在直立的姿势下的中间横轴表观质量的两个明显的波峰比脊柱前凸的姿势下的更加明显。
在前倾姿势下,中间横轴表观质量没有波峰,尽管有6个被测试者显示在横轴表观质量中有一些波峰:
出现在不同频率下的波峰导致了在计算平均响应时,波峰的影响波及到一些频率。
中间横轴表观质量的最低共振频率在“膝盖弯曲”的姿势下为4HZ左右,在“膝盖更弯曲”的姿势下为3HZ左右。
在这些姿势中,在12HZ左右,会出现明显的第二次共振。
表5显示了横轴表观质量的最低共振频率中位数(中间值)和在这个共振状态下,中间横轴表观质量的个人数据。
因为6个被测试者没有明确显示出横轴表观质量的波峰,所以前倾姿下的势中间值不能确定。
在直立姿势和其他姿势下,进行了姿态对横轴表观质量的第一个共振频率的影响和在第一个共振频率处的横轴表观质量的统计对比(如表6所示)。
在直立姿势和脊柱前凸的姿势下,振动量的大小对横轴表观质量的谐振(共振)频率不会产生明显的不同。
然而,在振动量级为
时,在直立姿势和脊柱前凸的姿势下,处于这个频率(共振频率)下的横轴表观质量会有明显的不同。
在“屈膝”姿势和直立姿势以及“屈膝程度更大”姿势和直立姿势情况下,对于每个振动量,横轴表观质量的谐振(共振)频率会有明显的不同。
在每个振动量下,处于这个频率(共振频率)下的横轴表观质量也会因这些姿势的不同而不同(如表6和图5所示)。
表5:
标准化的横轴表观质量的第一平均共振频率和测试12个被测试者时出现第一共振时的标准化的横轴表观质量
姿势
共振频率(HZ)
标准化横轴表观质量
0.125
0.25
0.5
0.125
0.25
0.5
直立的
6.51
6.26
5.88
0.21
0.23
0.17
脊柱前凸的
6.26
6.26
5.63
0.29
0.24
0.27
前倾
——
——
——
——
——
——
屈膝
4.26
4.26
3.76
0.29
0.28
0.27
屈膝程度更大
3.01
3.01
3.01
0.26
0.27
0.27
表6:
姿态对横轴表观质量的第一个共振频率影响的统计意义和在第一个共振时的横轴表观质量:
与直立姿势下的对比
姿势
共振频率(HZ)
横轴表观质量
0.125
0.25
0.5
0.125
0.25
0.5
脊柱前凸的
0.350
0.513
0.185
0.099
0.307
0.021
前倾
——
——
——
——
——
——
屈膝
0.002**
0.002**
0.004**
0.023*
0.010**
0.005**
屈膝程度更大
0.002**
0.002**
0.002**
0.041*
0.003**
0.005**
Wilcoxon署名的配对等级测试。
3.3.2振动量对横轴表观质量的影响
如图6所示,在所有的5个姿势下,对12个被测试者以3种振动量级测试标准化纵向横轴表观质量的中间值和中间相位。
横轴表观质量的第一个共振频率往往会随着振动量的增加而减少,尽管随振动量级的增加而产生的共振频率的减少没有垂直表观质量的变化在统计上明显(如表7所示)。
标准化纵向横轴表观质量相位(度)
标准化纵向横轴表观质量相位(度)
图6:
在所有的5个姿势下,对12个被测试者以3种振动量级测试标准化纵向横轴表观质量的中间值和中间相位。
(a和d)直立姿势,(b和e)脊柱前凸姿势,(c和f)前倾姿势,(g和i)屈膝姿势(h和j)屈膝程度更大姿势。
3.3表观质量和横轴表观质量相关性
利用肯德尔德顺序相关系数对垂直表观质量的共振频率和横轴表观质量的相关性进行调查(如表8所示)。
由于在一半的被测试者中横轴表观质量没有足够明显的共振,所以在前倾姿势下,没有进行共振频率相关性的调查。
除了在振动量为
时,脊柱前凸姿势这种情况,在所有振动量级和各种姿势下,表观质量的第一个共振频率和横轴表观质量之间在统计上有显著的相关性。
垂直的表观质量的第一个共振频率和横轴表观质量的第一个共振频率没有显著的差异,除了在屈膝姿势下施加所有三个振动量级和在“屈膝程度更大”的姿势下施加两个最高振动量级这两种情况。
(p>0.05,Wilcoxon)(如表9所示)
表7:
振动量级对表观质量的第一个共振频率的影响的统计意义和在第一个共振的表观质量
姿势
振动量级(
)
共振频率
横轴表观质量
0.250.5
0.250.5
直立
0.125
0.25
0.017
0.151
0.937
0.091
--
0.444
--
0.010
脊柱前凸
0.125
0.25
0.605
0.069
0.814
0.117
--
0.061
--
0.638
前倾
0.125
0.25
--
--
--
--
--
--
屈膝
0.125
0.25
0.540
0.202
0.906
0.099
--
0.454
--
0.130
屈膝程度更大
0.125
0.25
0.256
0.136
0.666
0.583
--
0.518
--
0.248
肯德尔的顺序相关系数。
表8:
表观质量的共振频率和横轴表观质量的共振频率之间相关性的统计意义
姿势
振动量级(
)
0.1250.250.5
直立的
0.837***
0.607
---
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