馬陽(yáng)光，鄭 嶠，肖強(qiáng)強(qiáng)，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(duì)衛(wèi)生連，天津 301900；3.解放軍 68302 部隊(duì)衛(wèi)生連，四川德陽(yáng) 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(duì)地面突擊力量的核心，因車輛作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、發(fā)動(dòng)機(jī)功率大、艙室密閉等原因，致使駕駛員及乘員長(zhǎng)期處于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和路面顛簸等引起的持續(xù)性振動(dòng)環(huán)境中。同時(shí)，由于駕駛位與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)強(qiáng)度比乘員的更大[1-2]。這種持續(xù)的大強(qiáng)度振動(dòng)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(dòng)應(yīng)力最大。振動(dòng)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(duì)于裝甲車輛振動(dòng)環(huán)境的研究主要著眼于發(fā)動(dòng)機(jī)艙及車輛座椅等處，尚未見(jiàn)對(duì)于駕駛員腰部振動(dòng)的直接關(guān)注[4-6]。且現(xiàn)有的振動(dòng)測(cè)試設(shè)備不適用于駕駛員腰部振動(dòng)的直接測(cè)量。本文針對(duì)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款專業(yè)、可靠、穩(wěn)定、便攜的裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)裝甲車輛駕駛員不同作業(yè)環(huán)境下腰部的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接測(cè)量，以分析裝甲車輛振動(dòng)環(huán)境對(duì)駕駛員腰部的具體影響，并提出裝甲車輛減振降噪的針對(duì)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(kāi)源的9dof-sparkfun-imu-M0 架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(cè)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(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)），能夠感應(yīng)線性加速度、角旋轉(zhuǎn)速度和磁場(chǎng)矢量。采集的數(shù)據(jù)以txt 格式存儲(chǔ)在SD 卡上，工作時(shí)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(shí)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為模擬我軍某新型履帶式裝甲車在實(shí)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(lái)進(jìn)行相應(yīng)測(cè)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(cè)試車速。測(cè)試工作按照確定路況配合不同車速進(jìn)行。駕駛員體質(zhì)量為75 kg，測(cè)試路線為平直、干燥、坡度在3%以內(nèi)的戈壁路，長(zhǎng)度不小于3 km，設(shè)計(jì)測(cè)試車速分別為15、30、45 km/h，車速允許偏差為測(cè)試車速的±3%，車速到達(dá)測(cè)試車速后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

測(cè)試時(shí)將振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以外殼標(biāo)識(shí)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(cè)試時(shí)間不少于600 s，同一試驗(yàn)條件下測(cè)試不少于3 次。測(cè)試時(shí)駕駛員保持正常駕駛姿勢(shì)，全身放松，背部靠于座椅靠背上。對(duì)駕駛員腰部X、Y、Z 軸共3 個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。其中X 軸方向?yàn)檐囕v行駛方向，反映縱向振動(dòng)；Y 軸方向?yàn)橛神{駛員左側(cè)至右側(cè)方向，反映橫向振動(dòng)；Z 軸方向?yàn)橛神{駛員臀部至頭部方向，反映垂直振動(dòng)。以各組數(shù)據(jù)絕對(duì)加速度為對(duì)象，利用編制的用于特征提取和數(shù)據(jù)分析的Python 腳本對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析。振動(dòng)強(qiáng)度的計(jì)算以加速度表示，單位為m/s2。通過(guò)對(duì)裝甲車輛駕駛員腰部三維振動(dòng)信號(hào)的分析，得出駕駛員腰部的具體振動(dòng)特征。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 駕駛員腰部的振動(dòng)分析

分析裝甲車輛在相同路況下不同駕駛速度對(duì)裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)強(qiáng)度及振動(dòng)頻譜的影響，詳見(jiàn)表1。從表1 可知，裝甲車輛駕駛員腰部不同軸向的振動(dòng)中，Z 軸方向的振動(dòng)強(qiáng)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(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度最大。裝甲車輛不同行駛速度對(duì)裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)頻譜的分布無(wú)明顯影響，裝甲車輛駕駛員腰部不同軸向的振動(dòng)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

表1 裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)情況

圖3 所示為某新型履帶式裝甲車以30 km/h 的行進(jìn)速度行駛在甘肅張掖某戈壁路段時(shí)，駕駛員腰部位置的三軸向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。通過(guò)分析可知，駕駛員腰部X 軸方向振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)可能是裝甲車駕駛員腰部的主要振動(dòng)，也是在駕駛員腰部振動(dòng)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(dòng)加速度時(shí)程曲線（測(cè)試速度30 km/h）

圖4 所示為裝甲車輛在相同測(cè)試條件下，駕駛員腰部位置振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析。結(jié)果顯示，駕駛員腰部的振動(dòng)頻譜分布相對(duì)集中于低頻區(qū)，主要分布在0～20 Hz，20 Hz 以后振動(dòng)信號(hào)分布較少，其中2～10 Hz 范圍內(nèi)分布有明顯的振動(dòng)峰。國(guó)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，5 Hz 左右的低頻振動(dòng)可以與脊柱產(chǎn)生共振[7]，這種振動(dòng)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(dòng)的研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)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(duì)振動(dòng)的過(guò)濾作用造成的。

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

3.2 駕駛員腰部振動(dòng)對(duì)人體健康的影響分析

采用GB/T 13441.1—2007《機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1 部分：一般要求》標(biāo)準(zhǔn)[8]，對(duì)裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)對(duì)人體健康和舒適的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。該標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)計(jì)算X、Y、Z 軸方向0.5～80 Hz 的1/3 倍頻帶計(jì)權(quán)加速度均方根值來(lái)計(jì)算三軸向振動(dòng)頻率計(jì)權(quán)加速度和振動(dòng)總量，利用三軸向中的最大頻率計(jì)權(quán)加速度來(lái)評(píng)估振動(dòng)對(duì)健康的影響，利用振動(dòng)總量來(lái)評(píng)估振動(dòng)對(duì)舒適度的影響。

當(dāng)裝甲車輛以30 km/h 行駛在戈壁道路時(shí)，駕駛員腰部振動(dòng)的頻率計(jì)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(jì)權(quán)加速度最大為0.53 m/s2，振動(dòng)健康評(píng)價(jià)為無(wú)明確健康危險(xiǎn)警告。駕駛員腰部的振動(dòng)總量為0.79 m/s2，振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)為相當(dāng)不舒適。

4 討論

相關(guān)研究表明，我軍裝甲部隊(duì)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(gè)重要原因是裝甲車輛駕乘人員長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)的作業(yè)環(huán)境中，振動(dòng)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(xiǎn)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(jì)了體積小、可靠性強(qiáng)、靈敏度高和續(xù)航能力強(qiáng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。將本系統(tǒng)直接通過(guò)緊固的腰帶固定于駕駛員腰部后正中位置進(jìn)行振動(dòng)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(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析。

對(duì)不同行駛速度下裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)特征的分析表明，車輛行駛速度是影響駕駛員腰部振動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，且行駛速度與腰部振動(dòng)強(qiáng)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(shí)，裝甲車輛駕駛員腰部的振動(dòng)強(qiáng)度最大。進(jìn)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(shí)，駕駛員腰部三軸向振動(dòng)的頻譜峰與人體腰椎的固有振動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度更大的重要原因。同時(shí)，在駕駛員腰部X、Y、Z 軸3 個(gè)方向的振動(dòng)中，Z 軸方向振動(dòng)強(qiáng)度最大，X 軸方向次之，Y 軸方向最小。這從一定程度上說(shuō)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(dòng)及駕駛員腰部健康的一個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)裝甲車輛振動(dòng)的防護(hù)中，要更加注重考慮垂直減振系統(tǒng)的應(yīng)用。從振動(dòng)頻譜上看，裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)頻譜主要集中在0～20 Hz，這種低頻的振動(dòng)波與人體自身脊柱和腰部的振動(dòng)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(dòng)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(gè)重要原因[7]。本研究對(duì)照GB/T 13441.1—2007 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)腰部振動(dòng)對(duì)駕駛員健康和主觀感受的影響進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，駕駛員腰部振動(dòng)對(duì)健康的影響為無(wú)明確健康危險(xiǎn)警告，但振動(dòng)舒適評(píng)價(jià)為相當(dāng)不舒適。

通過(guò)對(duì)裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)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(dòng)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(xiǎn)因素。現(xiàn)有裝甲車輛普遍采用的金屬鋼彈簧類的振動(dòng)控制裝置具有振動(dòng)控制頻譜范圍有限、對(duì)低頻振動(dòng)控制能力弱的特點(diǎn)[13]。推進(jìn)可控流體減振器及橡膠阻尼減振裝置等對(duì)低頻振動(dòng)控制較好的減振技術(shù)在裝甲車輛中的應(yīng)用可能會(huì)對(duì)駕駛員和乘員起到較好的振動(dòng)防護(hù)作用。對(duì)裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)隔離，減少運(yùn)載平臺(tái)自身的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，也是降低車輛振動(dòng)及噪聲的有效方法。針對(duì)駕駛員和乘員的振動(dòng)防護(hù)，可通過(guò)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(lái)降低振動(dòng)對(duì)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(guò)避免長(zhǎng)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(dòng)的方式來(lái)減少振動(dòng)對(duì)腰椎的不利影響。

本研究主要針對(duì)裝甲車輛駕駛員在不同作業(yè)工況下腰部振動(dòng)特征進(jìn)行了分析和總結(jié)，受限于部隊(duì)野外駐訓(xùn)的客觀條件，選擇的測(cè)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(duì)野外的常見(jiàn)作業(yè)工況。同時(shí)，只針對(duì)裝甲車輛駕駛員這一特殊群體腰部的振動(dòng)特征開(kāi)展了相關(guān)研究，研究對(duì)象較為單一，后續(xù)課題組將利用開(kāi)發(fā)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展對(duì)不同裝備、不同人群的相關(guān)振動(dòng)研究。

綜上所述，本研究利用課題組自行研制的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)進(jìn)行了直接測(cè)量，闡明了裝甲車輛駕駛員腰部振動(dòng)的具體特征，并據(jù)此提出了針對(duì)性的裝甲車輛減振降噪的意見(jiàn)措施，有望為后續(xù)相關(guān)裝備的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供思路和參考。