倪敏娜， 孫志宏， 彭礎琦， 黃思哲

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

面向衛(wèi)浴產(chǎn)品設計的人體沐浴溫覺研究

倪敏娜， 孫志宏， 彭礎琦， 黃思哲

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

為了提高現(xiàn)代衛(wèi)浴產(chǎn)品的使用性能和用戶舒適度，在特定試驗條件下，從心理物理學方面入手，采用數(shù)量估計和統(tǒng)計分析等方法，對用戶沐浴舒適水溫范圍的測量、靜動態(tài)水的溫度感知對比、實際水溫與水溫感受值之間的關系進行了試驗設計和定量分析，確認了相關函數(shù)關系式．通過史蒂文斯定律驗證試驗結果，證實了函數(shù)關系式的有效性．

衛(wèi)浴產(chǎn)品； 沐浴溫覺； 史蒂文斯定律； 數(shù)量估計法

隨著我國居民整體生活水平的提升，人們對于衛(wèi)生潔具產(chǎn)品的需求理念、質(zhì)量和數(shù)量都在日益提升．根據(jù)中國建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院和工信部的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年我國衛(wèi)生潔具行業(yè)的年產(chǎn)銷量達到2億件以上，其中水龍頭類產(chǎn)品銷量占比最高，約占總銷售量的57%．目前針對水龍頭產(chǎn)品的設計研究和應用多側重于功能結構、材質(zhì)、造型等．如文獻[1]依托質(zhì)量功能展開理論，探討了顧客對水龍頭功能特征的需求．文獻[2]利用感性工學方法對水龍頭外觀設計風格進行了分析．文獻[3]通過行為和心理學分析設計了適用于兒童的沐浴水溫提示儀．而對于水龍頭產(chǎn)品使用過程中，用戶的實際感知和舒適度的定量研究卻相對缺失．根據(jù)史蒂文斯定律和其他心理物理學理論表明[4]，人體的感覺強度與接受到的外界刺激強度并不呈一次函數(shù)關系．這意味著在傳統(tǒng)水龍頭的調(diào)溫過程中，如果等量地調(diào)節(jié)水龍頭把手角度或水溫，相應的用戶體驗水溫變化感知反饋卻是不等量的甚至是突變的，這無疑會直接影響使用者的舒適度，甚至會造成不同程度的生理傷害．用戶舒適水溫感受度和用戶體驗水溫與實際水溫控制的差異值，是影響衛(wèi)浴產(chǎn)品人機交互和用戶體驗的關鍵內(nèi)容，也是衡量衛(wèi)浴產(chǎn)品設計水平的重要指標．目前，關于人體溫度感覺方面的研究多集中于服裝、室溫等因素對人體熱舒適度的影響[5-6]．在這些關于人體溫度感覺的研究中使用到的研究工具包括人體熱平衡方程，以及研究室內(nèi)熱環(huán)境時廣泛使用到的熱舒適模型指標等．但上述研究工具多適用于溫度和濕度變化不大的穩(wěn)定室內(nèi)環(huán)境，而使用此類室內(nèi)環(huán)境分析工具對溫度和濕度頻繁發(fā)生變化的浴室內(nèi)動態(tài)環(huán)境進行分析會造成結果的不準確，無法為提高現(xiàn)有衛(wèi)浴產(chǎn)品的閥芯、結構等設計提供數(shù)據(jù)參考。

針對上述問題，本文基于史蒂文斯定律和數(shù)量估計法，試驗測定并分析使用者的沐浴舒適水溫范圍，通過對不同狀態(tài)下使用者對水的溫度感覺對比，確定了在該范圍內(nèi)使用者對水溫的心理感受值與實際水溫的函數(shù)關系．該研究結果將為改善水龍頭產(chǎn)品閥芯設計、提高衛(wèi)浴產(chǎn)品人機交互體驗和衛(wèi)浴產(chǎn)品設計水平等提供理論依據(jù)．

1 研究流程與方法

本文基于史蒂文斯定律和數(shù)量估計法，通過試驗獲取適宜水溫數(shù)值，建立人體水溫感受和實際溫度關系函數(shù)方程式，其研究流程和框架如圖1所示．首先，通過人體熱平衡方程和牛頓冷卻定律，篩選試驗關鍵要素；其次利用數(shù)量估計法采集試驗相關數(shù)據(jù)，測定在特定試驗環(huán)境條件下，受試者對水溫感受的心理量與實際水溫的物理量之間的關系，并對其進行統(tǒng)計分析；將試驗結果與史蒂文斯定律進行比對，建立并驗證了本試驗環(huán)境下的實際水溫與感受水溫值之間的函數(shù)關系式．

圖1 研究流程圖Fig．1 Framework of research process

1．1史蒂文斯定律

20世紀50年代，美國心理學家史蒂文斯提出了心理量并不隨刺激量對數(shù)的上升而上升，而是隨刺激量的乘方函數(shù)而變化，即感覺到的大小是與刺激量的乘方成正比的，如式(1)所示．

S=bIa

(1)

式中：S為心理量；I為物理刺激量；b為常數(shù)；a為由感覺到的刺激強度決定的冪指數(shù)．

根據(jù)史蒂文斯定律，心理量與物理刺激量在一定范圍內(nèi)呈冪函數(shù)對應關系，而超過臨界值時，隨著刺激量的遞增，心理量會發(fā)生不同速率的變化.史蒂文斯定律冪函數(shù)圖如圖2所示．這就意味著：與實際水溫的變化率恒定相對的是使用者感知溫度量變化率的突變性，這個變化是由感覺和刺激強度的變化引起的．

圖2 史蒂文斯定律冪函數(shù)圖Fig．2 Stevens law of power function

1．2試驗要素的確認

根據(jù)人體在不同環(huán)境下熱舒適度考察方法的研究[6-8]，參考人體熱平衡方程S=M-W-R-C-E(其中：S為人體蓄熱率；M為人體新陳代謝率；W為人體所做的機械功；R為皮膚的輻射散熱量；C為皮膚的對流散熱量；E為皮膚擴散蒸發(fā)、汗液蒸發(fā)及呼吸所造成的散熱量)，可知影響人體溫度感覺的主要外界因素包括環(huán)境的溫度、濕度、空氣流速等，但在浴室環(huán)境中這些因素與普通室內(nèi)環(huán)境則有很大差別．考慮到人體沐浴時從熱水中獲取熱量，參考由牛頓冷卻定律推導的對流換熱的計算公式q=h(Tw-Tf)(h為強制對流傳熱系數(shù)；Tw和Tf分別為固體表面和流體的溫度)，確認影響人體沐浴時換熱量的主要因素為水溫和水流速．但是，由于試驗條件等的限制，本次試驗是在特定水流速下，測試了沐浴環(huán)境中人體對不同溫度變化的感知和溫度舒適度感覺值等．

1．3數(shù)量估計法

數(shù)量估計法是制作比例量表的一種直接方法[4]．該方法首先向被試者呈現(xiàn)一個標準刺激，然后以該主觀值為標準，對其他隨機順序刺激的主觀強度進行比對分析，最后計算出每組被試者對每個刺激量估計的幾何平均數(shù)或中數(shù).以刺激值為橫坐標，感覺值為縱坐標，制成感覺比例量表．

2 試驗與數(shù)據(jù)采集過程

2．1試驗對象

作為前導性研究(pilot study)，試驗招募了年齡20～25歲的青年受試者共40名，其中男性和女性各20名，所有被試者感覺神經(jīng)正常，無神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無引起感覺障礙的因素和疾病等．

2．2試驗材料

水溫信號采集的硬件包括Testo 176-H1型高精度電子溫濕度記錄儀、HT-866 HCJYET型紅外線測溫儀和WST/DTM49型防水探針式溫度表，溫度和相對濕度的采樣精度分別為±0．1 ℃和±1%．

2．3試驗環(huán)境

本試驗地點為上海，試驗時間為5～7月，該時間段上海的環(huán)境情況：平均最高溫度為28.0 ℃，平均最低溫度為25．5 ℃，平均相對濕度為75%．本次試驗在室內(nèi)淋浴間中進行，該淋浴間面積為4．3 m2，采樣時關閉門窗，將室內(nèi)風速降為0．連續(xù)3 d于同一時間段將溫濕度計放置于淋浴間內(nèi)，在室內(nèi)使用平均出水速度為150 mL/s的花灑持續(xù)放溫度為38 ℃的熱水，并使用排風扇進行排風，保持20 min后取出溫濕度計得到讀數(shù)．將3 d的數(shù)據(jù)取平均值，則試驗環(huán)境測定結果：平均溫度為29．5 ℃，平均相對濕度為91%．

2．4試驗設計

由牛頓冷卻定律可知，水在流動狀態(tài)時，與人體接觸面之間的熱交換為強制對流換熱，使人體感受到的溫度比實際水溫更熱.由于使用者在沐浴情況下會接觸靜態(tài)和流動兩種不同狀態(tài)的溫水，在試驗過程中，需在對比流動溫水的溫度感受和靜態(tài)溫水的溫度感受上，確認試驗的水溫評級標準．

(1) 受試人群在浴室環(huán)境內(nèi)，使用出水流速平均為150 mL/s的花灑沐浴10 min，調(diào)節(jié)并記錄下舒適范圍內(nèi)的最高和最低值水溫.通過數(shù)據(jù)采集以及概率統(tǒng)計分析，得到置信水平為0．95時，人體感覺舒適水溫的最低值的置信區(qū)間為(31.0±0．5)℃，最高值的置信區(qū)間為(42.0±0．2)℃．得到人體舒適水溫范圍大約為31～42 ℃．

(2) 靜態(tài)和動態(tài)水的溫度數(shù)據(jù)采集．受試者首先將整個手肘浸入靜態(tài)的溫水中5 s，記錄溫覺感受，然后在同室內(nèi)調(diào)整沐浴流水的溫度至感受相同，實時記錄實際水溫．每次實驗間隔為10 min．采樣溫度根據(jù)前期測試結果，設定為31～42 ℃之間，取樣溫度每次升高1 ℃．

通過均值比對分析，在特定試驗條件下，受試者對動態(tài)水31 ℃的水溫感受與靜態(tài)水32 ℃的水溫感受相似，對動態(tài)水42 ℃的溫度感受與靜態(tài)水44 ℃的溫度感受相似．在此基礎上，運用數(shù)量估計方法，把靜態(tài)水的溫度標準刺激值設置為32、 38和44 ℃．

(3) 靜態(tài)水的溫度分級測試．讓每位受試者感受32、 38和44 ℃的靜態(tài)水溫度作為標準刺激，并告知將3種溫度分別對應為標準評級上的-3、 0和+3位置．

(4) 動態(tài)水的溫度分級測試．讓受試者分別在出水溫度為30.0、32．5、35.0、37．5和40.0 ℃，出水流速均為150 mL/s的水龍頭下沐浴5 s，由試驗人員詢問受試者對沐浴過程中的水溫感受，讓受試者使用-3～3范圍內(nèi)的任何數(shù)值描述自己感受到的流水溫度在溫度感受評級中的位置，并將其記錄下來．隨機安排受試者每次沐浴的水溫順序，以免受試者的期望值對試驗結果產(chǎn)生影響．測定每位受試者沐浴舒適溫度最高值和最低值．

(5) 記錄被試者判斷的水溫評級，使用統(tǒng)計軟件SPSS 19進行相關數(shù)據(jù)分析．

(6) 參照史蒂文斯定律，驗證和分析試驗結果．

3 試驗結果分析

通過靜態(tài)和動態(tài)水的溫度分級測試，采集男性組和女性組不同受試者對水溫判斷值數(shù)據(jù)，分別取幾何平均數(shù)，結果如表1所示．

表1實際水溫與水溫判斷值關系
Table1Relationshipofactualtemperatureandjudgmenttemperature℃

實際水溫30．032．535．037．540．0水溫判斷值男性31．8035．6537．8541．2044．85女性32．9035．8039．4542．6045．04平均32．3535．7338．6541．9044．95

將史蒂文斯定律S=bIa變形為lgS=algI+lgb，即若實際水溫與判斷水溫的關系符合史蒂文斯定律呈現(xiàn)冪指數(shù)關系，則二者的對數(shù)應呈線性關系．為驗證實際水溫與水溫判斷值之間的關系是否符合史蒂文斯定律，將二者分別取對數(shù)，所得結果如表2所示．

表2 實際水溫對數(shù)與水溫判斷值對數(shù)的關系Table 2 Logarithmic relationship of actual temperature and judgment temperature

以實際水溫對數(shù)為縱坐標，水溫判斷值對數(shù)為縱坐標，使用SPSS 19軟件進行線性曲線擬合，結果如圖3所示．

圖3 實際水溫對數(shù)與水溫判斷值對數(shù)的關系Fig．3 Logarithmic relationship of actual temperature and judgment temperature

由圖3可知，水溫判斷值對數(shù)與實際水溫對數(shù)基本符合線性關系，參照史蒂文斯定律，得出本試驗環(huán)境下的實際水溫與感受水溫值經(jīng)驗公式如式(2)所示.

lgS=1．138 lgI-0．170，S=0．676I1．138

(2)

由試驗可知，在沐浴適宜水溫范圍內(nèi)，男性受試者做出的感受水溫判斷值普遍低于女性受試者，這反映出男性對熱水的敏感度相對女性而言較低．

將沐浴適宜水溫數(shù)值代入式(2)進行檢驗后可知，當沐浴舒適最低水溫為31 ℃時，人體感受水溫為32．42 ℃；當沐浴舒適最高水溫為42 ℃時，人體感受水溫為44．98 ℃．此結果符合試驗過程中受試者對相應水溫的普遍感受值．

通過研究人體水溫舒適度閾值和變化曲線，可為改進水龍頭產(chǎn)品的性能和結構提供參考依據(jù)。以常見的滑板式閥芯為例，可依照人體溫度感知變化的曲線對應改變閥芯孔的形狀.比如用戶在勻速旋轉手柄時，在符合舒適溫感閾值內(nèi)，水溫對應人體感知溫度呈勻速對應變化；而接近或超過溫度閾值的最大/最小值范圍時，對應關系發(fā)生改變，呈不勻速對應變化，即用戶需要旋轉較大角度或增加調(diào)節(jié)時間才能達到最高/最低水溫.配合機械結構設計改變水龍頭在不同溫度范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)速率，可使用戶有充分的時間適應水溫并進行準確地調(diào)節(jié)，減少因過度調(diào)節(jié)而造成的安全隱患問題．與現(xiàn)有電子智能控溫產(chǎn)品相比，在產(chǎn)品成本控制、生產(chǎn)和加工等方面，均具有極大優(yōu)勢.

4 結 語

本文在特定試驗條件下，從心理物理學方面入手，采用數(shù)量估計和抽樣統(tǒng)計等方法，對人體沐浴中舒適水溫范圍的測量、靜態(tài)和動態(tài)水溫的感知對比、實際水溫與水溫感受值之間的關系進行了研究，發(fā)現(xiàn)沐浴中物理水溫與心理感受水溫值基本符合史蒂文斯定律，呈現(xiàn)指數(shù)關系，并確認了相關函數(shù)關系，為衛(wèi)浴產(chǎn)品的閥芯和結構設計、提高用戶的溫度感知和舒適度體驗的定性研究提供理論支持．由于本文僅針對特定的環(huán)境和要素進行了試驗，隨著研究方法的不斷改進，將進一步擴大不同人群和環(huán)境的試驗樣本數(shù)量、種類及范圍，此外與之相關的設計試驗將會在今后進一步進行展開和驗證，提高其實際應用價值．

[1] 劉莉．基于QFD的水龍頭概念設計方法研究[D]．廣州：華南理工大學機械與汽車工程學院，2011．

[2] 鮑晨．基于感性工學的衛(wèi)浴水龍頭設計[D]．昆明：昆明理工大學藝術與傳媒學院，2013．

[3] 周莉．基于體驗設計下的兒童沐浴水溫提示儀設計研究[D]．武漢：湖北工業(yè)大學藝術設計學院，2009．[4] 何俊鋒．心理學定律的實效進路分析[J]．學術研究，2016(4)：47-50．

[5] 劉蔚?。梭w熱舒適客觀評價指標[J]．中南大學學報(自然科學版)，2011，42(2)：521-526 ．

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[7] 談美蘭．夏季相對濕度和風速對人體熱感覺的影響研究[D]．重慶：重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，2012．

[8] 廖建科．溫度突變的動態(tài)環(huán)境下人體熱舒適研究[D]．重慶：重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，2013．

(責任編輯：徐惠華)

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ResearchofBathTemperatureSensetoDeveloptheDesignofBathroomProducts

NIMinna，SUNZhihong，PENGChuqi，HUANGSizhe

(College of Mechanical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

In order to improve usability and user’s comfort of modern bathroom products， a complex method of quantity estimation and sampling statistics is used to analyze the user’s comfortable water temperature range of bath， the static and dynamic water temperature perception， the relationship of the user’s experience and the water temperature． The formula of correlation function is compared by the Stevens’s law and is confirmed availability．

bathroom product； the feeling of bath temperature； Stevens’s law； method of magnitude estimation

TB 472

A

1671-0444 (2017)04-0603-04

2017-01-01

倪敏娜(1977—)，女，浙江余姚人，講師，博士研究生，研究方向為工業(yè)設計． E-mail： nimn@dhu．edu．cn

孫志宏(聯(lián)系人)，女，教授， E-mail：zhsun@dhu．edu．cn