王燕珍，葛見聞，上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院

本課題擬在室內(nèi)溫度濕度不變的前提下，研究不同的外部環(huán)境包括穿著不同的運(yùn)動測試服，不同的運(yùn)動狀態(tài)下，隨著運(yùn)動時間的變化，對于人體左右臂及手臂上的不同區(qū)域的溫度變化的影響，能夠在詳細(xì)分析研究手臂溫度變化的同時，也期望能夠為今后對于手臂，無論是理論研究還是創(chuàng)造性實驗研究都具有一定的參考價值。通過翻閱文獻(xiàn)查找在國內(nèi)外的相關(guān)研究中，相關(guān)研究主要有四個方面，包括人體熱舒適綜合評價，人體手臂及手部相關(guān)研究，外部環(huán)境對人體生理及熱舒適影響以及紅外熱成像儀技術(shù)。

ASHRAE55-1992和ISO7730標(biāo)準(zhǔn)是目前世界各國用以衡量熱舒適性所采用的標(biāo)準(zhǔn)，但是我國的許多學(xué)者普遍存疑，他們認(rèn)為這些標(biāo)準(zhǔn)均以歐美等國家的健康青年作為研究對象，針對各國不同區(qū)域，不同種族，不同體格，不同的生活習(xí)慣等等的差異，并不一定適合所有的國家和區(qū)域。

在最近的研究中，F(xiàn)anger于2002年提出了一項新的extended PMV指標(biāo)，主要適用于包括發(fā)展中國家的不同國家，針對不同的氣候和國家將原有的PMV指標(biāo)前分別乘以相應(yīng)的修正系數(shù)，其值范圍在0.5至1.0。對于中國，他給出的這一系數(shù)的0.7。雖然這一指標(biāo)的提出對于建筑室內(nèi)環(huán)境的熱舒適研究起到了不可忽視的作用，但是針對我國特殊地區(qū)的特殊環(huán)境，探究所得結(jié)果與Fanger教授的實驗結(jié)果存在較大差異性，其指標(biāo)的適用性還需進(jìn)一步的研究探討。

由于人體生理鐘包含千萬種生化反應(yīng)，正因為這些反應(yīng)才能夠不斷地透過人體表面向外界發(fā)射紅外光子，在丁光宏與姚偉等人的實驗中，通過研究人體手臂部幾個穴位與非穴位去的紅外輻射光譜特征，得出經(jīng)絡(luò)功能與體內(nèi)外紅外傳輸有著密切的關(guān)系，人體紅外輻射具有相同的生物物理學(xué)基礎(chǔ)，也同時研究表明人體表面除了主要的熱致紅外輻射外，并且存在著其他原因的紅外輻射，這需要進(jìn)一步的研究與實驗。

紅外成像儀將接收到的紅外波段的熱輻射能量經(jīng)過轉(zhuǎn)換后陳威數(shù)字信號，通過圖像顯示出來。在圖像中，每一個點(diǎn)的灰度值與被測物上該點(diǎn)發(fā)出并到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件的輻射能量相對應(yīng)。通過相應(yīng)的運(yùn)算，被測物表面的每一個點(diǎn)的輻射溫度值便可以在圖像上讀出。紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是普朗克分布定律，該定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度下按波長的分布規(guī)律。標(biāo)定技術(shù)是紅外測溫領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)之一，一般先采用標(biāo)準(zhǔn)黑體源作為輻射源，使用紅外熱像儀測量其輻射轉(zhuǎn)換的輻射溫度或者輸出亮度。紅外成像作為目前較為新穎的研究技術(shù)正在通過不斷的實踐中得到完善。

結(jié)合所查找的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外的眾多對于人體生理參數(shù)的研究中并沒有過多地單獨(dú)對人體手臂進(jìn)行研究分析，由于手臂的生理參數(shù)變化通常沒有人體其他部位顯著，故而往往將研究重點(diǎn)集中于人體的軀干部位，并且大多數(shù)對于手臂的研究更注重創(chuàng)新建模。

首先本課題研究結(jié)果可以為多種方面和領(lǐng)域提供可參考性的數(shù)據(jù)成果。其次本課題實驗通過使用目前較為新穎的紅外熱成像技術(shù)，總結(jié)操作過程中的經(jīng)驗與不足及相關(guān)的操作過程，能夠為今后紅外熱成像技術(shù)的使用與進(jìn)步提供可以作為參考的依據(jù)。能夠在詳細(xì)分析研究手臂溫度變化的同時，也期望能夠為今后對于手臂，無論是理論研究還是創(chuàng)造性實驗研究都具有一定的參考價值。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備和儀器

本實驗主要用到匯祥DP-852A電動跑步機(jī)，F(xiàn)LIR紅外熱成像儀（如圖1），恒溫恒濕實驗室（如圖2）,詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖2 恒溫恒濕實驗室

1.2 實驗測試服

本次實驗測試服選用了目前運(yùn)動市場上具有代表性的3款不同面料及特色的長袖緊身運(yùn)動服，分別穿著3款測試服在跑步機(jī)上分別進(jìn)行走（4.5 km/h）以及慢跑（7.5 km/h）測試，實驗測試服的主要參數(shù)如表2所示，實驗測試服實驗具體信息如表3所示。

表2 實驗測試服基本參數(shù)

表3 實驗測試服具體信息

1.3 實驗受測者基本信息

本次實驗的受測者均選擇了年齡在23-25歲，體重48±5 kg的10位女生，每位測試者的身體狀況良好，并且手臂部位無皮損現(xiàn)象。

1.4 實驗步驟

在恒溫恒濕實驗室的外部環(huán)境條件下，溫度：25±2℃，相對濕度：50±5%，每位測試者提前15分鐘進(jìn)入實驗室以適應(yīng)此氣候條件，每次穿著測試時間：20分鐘。為了最大限度地降低外界因素導(dǎo)致的實驗數(shù)據(jù)誤差，每個測試者都是選擇每天的固定時間進(jìn)行實驗。

1.5 測試指標(biāo)

1.5.1 客觀測試

在實驗過程中，客觀測得的數(shù)據(jù)有：靜止?fàn)顟B(tài)下受測者裸露的手臂表面的溫度，受測者身穿不同款式的測試服在一定的運(yùn)動量后，受測者手臂表面瞬時的溫度，基于以上所獲得的客觀測試數(shù)據(jù)會使外部環(huán)境對手臂溫度影響變化預(yù)測的研究更具有科學(xué)性及客觀性。

受測者手臂表面溫度使用紅外熱成像儀進(jìn)行測量，在實驗過程中，受測者依次身穿3款實驗測試服進(jìn)行行走或者慢跑運(yùn)動。每隔5分鐘快速脫下左右兩臂的實驗測試服，對受測者手臂表面溫度進(jìn)行測量。其中每款測試服測試的休息時間為20分鐘。整個實驗進(jìn)行120分鐘，其中運(yùn)動60分鐘。

為了減小可能影響實驗數(shù)據(jù)的誤差以及熱量的損失，受測者在邊運(yùn)動的過程中邊脫下相應(yīng)手臂的測試服，通過多次實驗前測試，可以保證左右臂誤差時間在60秒內(nèi)。

1.5.2 主觀評價

在實驗的整個過程中，會間隔性地，有規(guī)律地詢問受測者的主觀感受，主要是在實驗過程中受測者在進(jìn)行一定的運(yùn)動量過程中的熱舒適感覺。通過主觀評價問卷的形式調(diào)查記錄受測者的主觀評價值，主觀評價值主要有熱舒適值。在實驗過程中，每隔5分鐘調(diào)查記錄受測者的熱舒適感，相關(guān)主觀評價標(biāo)尺如表4所示。

表4 受測者的熱舒適主觀評價等級標(biāo)準(zhǔn)

2 實驗圖像數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

2.1 實驗圖像及預(yù)處理

本次實驗共有10人參與實驗，需要導(dǎo)入專業(yè)的電腦，使用專業(yè)的FLIR紅外熱成像儀專用的RDIRs紅外熱成像處理軟件進(jìn)行圖像處理。其中以部分紅外熱成像原始圖像為例，如圖3所示。

通過觀察比對，將左右兩臂分別分為5個部分進(jìn)行溫度標(biāo)注（最高值，最低值，局部區(qū)域平均溫度等等），局部區(qū)域部分包括：a(右臂肩點(diǎn)至腋下區(qū)域），b（1/2右上臂），c（右手肘部），d（1/2右前臂），e（右臂手腕處），f（左臂肩點(diǎn)至腋下區(qū)域），g（1/2左上臂），h（左手手肘），i（1/2左前臂），j（左臂手腕處）。處理后部分圖像如圖4所示。

圖3 行走5 min時裸露左右手臂的紅外熱成像圖像

圖4 行走5 min時裸露左右手臂的紅外熱成像處理圖像

2.2 實驗數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

通過分析比對采集的數(shù)據(jù)，明確本次實驗主要分析四個因素（其中A因素為運(yùn)動狀態(tài)，共分為兩個水平；B因素為實驗測試服，共分為三個水平；C因素為時間點(diǎn)；共分為五個水平以及D因素為手臂部位，共分為十個水平）重復(fù)三個因素（A因素實驗測試服，C因素時間點(diǎn)以及D因素手臂部位）的設(shè)計分析。

為了數(shù)據(jù)錄入分組便捷，分別為所需錄入因素進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)注：A1（運(yùn)動狀態(tài)為4.5 km/h),A2（運(yùn)動狀態(tài)為7.5 km/h）；B1(黑色測試服），B2(紅色測試服），B3(玫紅色測試服）；C1（0 min），C2（5 min），C3（10 min），C4（15 min），C5（20 min）；D1(右臂肩點(diǎn)至腋下區(qū)域），D2(左臂肩點(diǎn)至腋下區(qū)域），D3(1/2右上臂），D4(1/2左上臂），D5(右手肘部），D6(左手肘部），D7(1/2右前臂），D8(1/2左前臂），D9(右臂手腕處），D10(左臂手腕處）。

同時選擇將左右兩臂共10個具體部位分類為左右5對相關(guān)部位與其他三項因素進(jìn)行D×B×C排列組合，從而錄入數(shù)據(jù)，共有10×3×5，即150種組合，最后繪制成10×150的數(shù)據(jù)表格。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

本實驗數(shù)據(jù)分析主要選擇方差分析，即四個因素重復(fù)三個因素的方差分析，可以歸納為重復(fù)實驗的多因素方差分析，主要采用SPSS主效應(yīng)分析法以及SPSS相關(guān)分析。分析數(shù)據(jù)內(nèi)容主要是左右手臂溫度變化相關(guān)分析，左右手臂相同部位溫度變化分析以及左右手臂整體部位溫度變化分析，最終結(jié)合三者進(jìn)行總結(jié)討論。

在實驗過程中，通過間斷性記錄受測者的主觀熱舒適性評價，可以得到不同運(yùn)動狀態(tài)下，穿著不同的測試服的條件下，在實驗過程中受測者們的主觀熱舒適評價值均值，如表5及表6所示。

表5 主觀評價熱舒適值均值（4.5 km/h）

表6 主觀評價熱舒適值均值（7.5 km/h）

在左右臂相關(guān)性分析中，控制其他因素（運(yùn)動狀態(tài)，時間點(diǎn)，測試服）不變，左右手臂對應(yīng)部位之間溫度變化的相關(guān)分析從表5可以發(fā)現(xiàn)，五組部位在顯著性（雙側(cè)）：P＜0.01，即可初步證明左右手臂各個相對應(yīng)部位（如D5右臂手肘與D6左臂手肘）的溫度變化都是呈顯著相關(guān)的，即處于左右臂溫度變化處于同一溫度水平，并且保持著溫度變化的一致性。但同時可以發(fā)現(xiàn)，左右手臂每組部位之間都存在著一定差異的相關(guān)性，那么就需要通過更深一步的數(shù)據(jù)分析來獲得更詳盡的分析結(jié)論。

由于左右手臂相同部位以及整體部位溫度變化分析的分析過程相近，主要通過方差分析，成對比較以及均值比較進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，故而結(jié)合兩者進(jìn)行總結(jié)討論。

結(jié)合左右手臂溫度變化的相關(guān)性分析，左右手臂五組對應(yīng)部位溫度變化包括左右臂肩點(diǎn)至腋下區(qū)域，1/2左右上臂，左右手肘部，1/2左右前臂，左右臂手腕處以及左右手臂整體10個部位的溫度變化進(jìn)行方差分析，成對比較以及均值比較，從6組實驗數(shù)據(jù)結(jié)果層層遞進(jìn)的分析得到的初步結(jié)論中，可以得出在本次實驗中對手臂溫度變化可能產(chǎn)生影響的四個因素中，有三個因素具有著不同程度的顯著影響得到了證實，分別是B因素不同的實驗測試服，C因素不同的時間點(diǎn)，D因素不同的手臂部位，而A因素不同的運(yùn)動狀態(tài)在本次實驗中對手臂溫度變化可能存在一定影響，但其影響并不是顯著的，可以具體歸納總結(jié)以下幾點(diǎn)：

（1）隨著運(yùn)動時間增長，溫度呈現(xiàn)增長趨勢；

（2）在控制其他因素的前提下，不同的時間點(diǎn)（除了5 min至10 min時間水平內(nèi)）對于溫度變化有著十分顯著的影響；同時，在控制其他因素的前提下，左右手臂相應(yīng)部位的不同對溫度變化也著稍微顯著的影響；

（3）在5 min至10 min的時間段間，對于溫度變化沒有很顯著的影響；

（4）左臂部位溫度一直略高于右臂部位溫度；

（5）身穿不同的實驗測試服也對手臂溫度變化存在顯著影響；

（6）當(dāng)身穿不同實驗測試服時，除了對于1/2左右上臂，其余四組的溫度均值大小均是：B2滌綸＞B3棉質(zhì)測試服＞B1錦綸測試服。而針對于1/2左右上臂，其溫度均值比較大小則為：B2滌綸測試服＞B1錦綸測試服＞B3棉質(zhì)測試服。

表7 左右手臂對應(yīng)部位相關(guān)性分析

4 討論

4.1 針對A因素的討論分析

在本次實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果中，數(shù)據(jù)表明A因素（兩種不同的運(yùn)動狀態(tài)）并沒有對手臂溫度變化起到顯著的影響，故需要對其作詳細(xì)分析。通過具體分析不同運(yùn)動狀態(tài)下隨著時間的變化左右手臂10個部位的溫度變化，如圖5，圖6所示。通過觀察比較兩圖，可以發(fā)現(xiàn)在不同的運(yùn)動狀態(tài)，對于各個部位的溫度變化還是有一定影響的，只是影響差異并不是很大，具體可以得到以下結(jié)論：

圖5 A1行走狀態(tài)下手臂各部位溫度變化

（1）在處于兩種不同的運(yùn)動狀態(tài)下，隨著時間的增長，手臂各個部位的溫度均值都在增長，總體呈現(xiàn)上升趨勢。在0 min至10 min，上升趨勢較為相近，而當(dāng)處于10 min至20 min時間段間，處于慢跑狀態(tài)下比處于行走狀態(tài)下的溫度均值變化更快一些，上升的趨勢更為陡峭，最終的溫度均值也較高，但因其溫度差異并不是特別顯著，故而在之前的分析中，A因素對手臂溫度變化沒有起到顯著影響的作用。

（2）在行走于慢跑的兩種不同運(yùn)動狀態(tài)下，D5（右手肘部)部位與D6（左手肘部）部位的溫度均值總是處于較高溫度，而D9（右臂手腕處）與D10(左臂手腕處)部位的溫度均值總是處于較低的溫度。

（3）無論是行走還是慢跑狀態(tài)，D6（左手肘部）部位的溫度均值總是高于其余9個部位的。特別在慢跑的狀態(tài)下，D6部位的溫度均值略高于處于行走狀態(tài)下的溫度，其均值差在0.2℃至0.5℃，雖存在差異但其影響并不顯著。

圖6 A2慢跑狀態(tài)下手臂各部位溫度變化

（4）在慢跑狀態(tài)下，D3（1/2右上臂）與D4（1/2左上臂）部位的溫度均值比行走狀態(tài)下該部位均值高，甚至高于D5（右手肘部），隨著運(yùn)動速度以及運(yùn)動量的增加，受測者們通過加快擺臂來維持運(yùn)動狀態(tài)，是D3，D4部位溫度均值上升至高于D5部位的可能原因之一；同時有另一種可能是手肘部位的溫度變化與測試服手肘部位特殊的雙層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也有著不可分割的關(guān)聯(lián)，伴隨著運(yùn)動過程中的前后擺臂動作，使得手肘部位受到測試服肘部特殊結(jié)果的緊緊包裹，故而相較于其他部位會有著顯著的差異性。

（5）在兩種不同的運(yùn)動狀態(tài)下，D9與D10部位在整個實驗過程中的溫度變化處于交替上下的變化關(guān)系中，甚至在5 min至10 min之間，D9部位的溫度有明顯的起伏，可能由于在實驗過程中，實驗測試服并未完全包括受測者的手腕處，故而產(chǎn)生一定程度的散熱，導(dǎo)致D9部位的變化趨勢有別于其他部位，但因其溫度均值變化差異值并不是很大，故而在主效應(yīng)分析中也未有體現(xiàn)。

4.2 針對C2與C3時間段間無顯著的溫度變化

針對結(jié)論：在5 min至10 min的時間段內(nèi)沒有顯著的溫度變化，其中一個分析可能是在該時間段間，人體產(chǎn)熱與散熱處于相對于平穩(wěn)的水平。在0 min至5 min時，受測者從靜止?fàn)顟B(tài)至運(yùn)動狀態(tài)，通過運(yùn)動來產(chǎn)生熱量，故而在0 min至5 min內(nèi)，溫度的變化是十分顯著的。一定時間的運(yùn)動量過后，人體動靜脈吻合支開放，皮膚血流量顯著增加，于是較多體熱會從人體機(jī)體深部傳遞至體表層，從而使得人體皮膚溫度升高的同時也增強(qiáng)了蒸發(fā)散熱的作用。

故而在5 min至10 min內(nèi)隨著散熱量的增加，產(chǎn)熱量與散熱量相近，從而使得溫度變化處于相對平緩地上升趨勢。在10 min至20 min內(nèi)，由于運(yùn)動量與運(yùn)動時間的持續(xù)增加，人體會產(chǎn)生大量的熱量，此時因人體處于較高溫的環(huán)境中時間較長，會使得發(fā)汗速度因汗腺疲勞從而減慢散熱，則散熱量會遠(yuǎn)小于產(chǎn)熱量，故而會使得溫度顯著并且較為快速地增長。

4.3 針對D3D4分析有別于其他對應(yīng)實驗結(jié)果

針對結(jié)論：對于1/2左右上臂的部位，身穿黑色測試服的溫度均值會高于玫紅色測試服的溫度均值，導(dǎo)致這一結(jié)果的其中一種可能是由于相較于更具功能性的兩款緊身運(yùn)動服，玫紅色棉質(zhì)普通運(yùn)動服在運(yùn)動過程中對于左右上臂的緊身彈力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及其他兩款，從而在運(yùn)動過程中，黑色與紅色測試服對于受測者左右上臂的熱量消耗也會大于玫紅色測試服，從而起到運(yùn)動塑性的作用。

5 總結(jié)及展望

5.1 結(jié)論

本次實驗通過客觀實驗數(shù)據(jù)分析包括對于左右手臂不同分組以及整體各個部位的主效應(yīng)分析，方差分析，相關(guān)性分析等等，并且結(jié)合受測者的主觀舒適評價從而可以得出以下結(jié)論：

（1）左臂部位溫度一直略高于右臂部位溫度；

（2）左臂部位溫度一直略高于右臂部位溫度；控制其他因素不變的前提下，隨著運(yùn)動時間增長，手臂溫度變化呈現(xiàn)增長趨勢；

（3）在控制其他因素的前提下，不同的時間點(diǎn)（除了5 min至10 min時間水平內(nèi)）對于溫度變化有著十分顯著的影響；同時，在控制其他因素的前提下，左右手臂部位的不同對溫度變化也著稍微顯著的影響；

（4）在5 min至10 min的時間段間，由于散熱量與產(chǎn)熱量處于相對平衡狀態(tài)，所以對于溫度變化沒有很顯著的影響。

（5）對于相同手臂條件下，手肘部位溫度均值是最高的，1/2左前臂次之。

（6）控制其他因素不變的前提下，總結(jié)分組比較與整體比較，當(dāng)身穿不同實驗測試服時，發(fā)現(xiàn)棉質(zhì)測試服的溫度均值最高，滌綸測試服次之，而錦綸的溫度均值是最低的。結(jié)合受測者的主觀熱舒適評價，認(rèn)為穿著錦綸測試服運(yùn)動最為舒適。

5.2 不足與展望

通過本次實驗研究，從不同時間，不同運(yùn)動狀態(tài)，不同測試服，不同手臂部位四個因素對手臂溫度變化影響進(jìn)行預(yù)測研究。基于實驗結(jié)果，建議現(xiàn)今規(guī)模越來越龐大的日常運(yùn)動者們，挑選運(yùn)動服時，可以挑選錦綸面料或者類似吸濕排汗較強(qiáng)的緊身運(yùn)動服，才能達(dá)到通過運(yùn)動來消耗熱量并且一定程度可以塑形的目的。針對本次實驗研究，同時存在無可避免的誤差與不足：

（1）為了使用紅外熱成像儀在快速脫出雙臂的同時，拍攝裸露手臂的圖像時，無可避免地會產(chǎn)生散熱，盡管能將時間控制在60秒內(nèi)，但是微小的誤差還是存在的。

（2）由于時間與人員配合的關(guān)系，對于每位受測者穿著每件測試服，只采集了一次數(shù)據(jù)，沒有能夠在相同的時間多次進(jìn)行測試，雖然本次實驗數(shù)據(jù)通過多方面分析來驗證，但是希望今后能做的更完善，更嚴(yán)謹(jǐn)。