环境振动对人体的影响.pdf

文章编号:1006-1355(2004)03-0022-04环境振动对人体的影响董 霜,朱元清(上海市地震局,上海200062)摘 要:介绍了人体机械振动模型,在有关国际标准的基础上,讨论了环境振动对人体的影响及人体对振动的响应的舒适度评价标准,并分析了相关的主要因素。关键词:振动与波;环境振动;人体;评价标准中图分类号:TB53 文献标识码:AEffects of Environmental Vibration on ManDON G Shuang,ZHU Yuan2qing(Seismological Bureau of Shanghai,Shanghai 200062)Abstract:This paper introduced the mechanical vibration model of human body,and discussed ef2fects of environment vibration on man and the criterion of evaluating human response to vibration basedon ISO,and analyzed the important factors.Key words:vibration and wave;environmental vibration;human body;criterion of evaluation收稿日期:2004201207作者简介:董霜(1978-),女,河南省沈丘县人,在读硕士生,主要从事地震观测技术及振动研究。引 言 我们的生存环境中振动无处不在,工业工厂的生产以及建筑业施工都在产生振动,从海洋的轮船到陆地的地下,路面车辆到空中的航空飞机,各种交通运输业更是人们熟悉的振动源。犹如声音是由于声带的振动,消化是由于胃肠的蠕动,呼吸是由于肺叶的扇动,血液的输送是由于心脏的搏动等,可以说人类的生命和生存都离不开振动。但是这些环境中的振动也在时刻影响着人类的健康和生活,与空气污染一样,成为一种环境污染。医学上把由于振动造成的疾病统称为“振动病”。甚至,振动对树木也会造成危害。美国一些高速公路两旁的树木突然枯死,科学家研究证实,除了空气污染因素外,就是因为公路上无数汽车对地面引起的频繁振动,从而破坏了树木根系与土壤的结合,造成了树木的死亡。环境振动已经成为一种不容忽视的公害之一,本文在国际标准及国家标准有关规定的基础上,从人体机械振动模型出发,进一步阐述了环境振动对人体的影响,并且分析了各种重要因素。1 人体机械振动模型及对振动的响应1.1 人体机械振动模型 人体的结构及特性决定了它既是一个生物系统也可被视为一个机械系统。人作为一个机械系统是极为复杂的,为更好的反应其机械特性,可以根据各自的生理特点,将人体等效为质量、弹簧、阻尼等机械元件组成的机械系统,采用机械阻抗相等的方法进行模拟,并通过实验研究得出各器官的固有频率。图1 人体机械振动模型及各部位的固有频率1.2 人体对激励频率的响应 根据人体平坐与站立在垂直振动的平台上时显示的机械阻抗,频率低于2Hz时,人体可视为一个纯质量单元。人体平坐状态时,第一次谐振发生在46Hz段;人体站立时,响应峰值出现在512Hz段。阻抗数值以及其相角为计算整体的能量传递提供了依据。研究表明人体最敏感的频率范围为纵振动42004年6月 噪 声 与 振 动 控 制 第3期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.8Hz,水平向振动12Hz。人体组织对高频振动的阻尼很大,其振幅会急剧衰减,所以高频振动对人体的接触部分起作用。人体不同部分对不同激振力频率的反应如表1所示:表1 人体对不同激振频率的反应激振频率(Hz)人体共振部位振幅增大2.55颈椎和腰椎240%46躯体、肩以及颈200%2030头与肩之间250%60200眼球、手指230%图2 人体对振动反应的评价标准1.3 人体在振动环境中舒适度的评价标准 在数量上估计人体对振动的反应已经有很多方法,但是其中大部分都只是在有限的数量,特定的类型以及对试验特定的解释的基础上进行的,对这些结果进行了平均和简化处理即得到图2所示的标准图。图2中 为振动的“感觉阈”,即人体刚能感觉到的振动信息,大多数人对这种振动是能够忍受的。为振动的“不舒适阈”,即振动强度增加到一定程度,人们就感到不舒服。不舒适度是一种心理反应,是大脑对振动的一种判断,没有生理影响。为振动的“极限阈”,当振动强度增加到一定限度,不仅对心理、生理,而且会产生病理性损伤,超过极限阈的振动将使感受器和神经系统产生永久性病变,即使振动停止也不能复原。该标准用来对振动环境的严重程度进行宽泛的分类,它们表明了人体坐、立和卧姿下的平均振动承受水平。对于多个方向的振动,可用所有分量的加速度矢量和作为激励源来评估给定的环境。日本、美国及德国的工程技术人员以心理学实验技术作为判断环境振动的评价标准,提出了一种等感度方法,此方法被ISO采用,定为ISO22631标准。由于对人体的振动感觉作绝对判断时,人与人之间的差异会很大,即使同一个人因试验时间、地点等不同也会出现很大的不同,因此,在规定人体的振动感觉时,取某一频率的正弦振动为基准,该振动的振级是一定的,将它与其他频率可变的振级的振动进行感觉等效试验,当感觉相同时,则把求得的等效振级称为等感度。此外,对基准振级作各种变化求得的曲线簇,称为等感度曲线。如图3,4表示的人体感受曲线为振动频率、受振时间以及振动加速度级之间的关系。图中纵坐标使用振动加速度的有效值,即均方根值(rms)的优点是:就人的振动感觉而言,即使复合正弦振动波形中的分频相位有变化,而人的振动感觉也不会发生变化,因此,略去相位项是合理的,均方根(rms)能达到这个目的。图3 水平加速度极限和暴露时间的关系图4 纵向加速度极限和暴露时间的关系2 环境振动对人体的影响 振动对人体的第一个影响是人体感觉,感觉是32环境振动对人体的影响 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.通过人体的许多感受器官接收的,如表皮中的末梢神经、细胞组织中的环层小体、肌肉中的肌梭和高尔基腱梭,以及前庭器官等。人体对振动的感受有一个振幅和频率的范围,当振幅和频率在这个范围内时人体才能感觉得到振动。振动频率低于10Hz时人体最敏感的器官是前庭器官,前庭器官是协调运动、维持人体平衡的内耳神经系统。(内耳迷路中,除耳蜗外还有三个半规管、椭圆囊和球囊,后三者成为前庭器官,是人体对自身运动状态和头在空间位置的感受器,当机体进行旋转或者直线变速运动时,速度的变化 包括正、负加速度 会刺激三个半规管或椭圆囊中的感受细胞;当头的位置和地球引力的作用方向出现相对关系的改变时,就会刺激球囊中的感受细胞,这些刺激引起的神经冲动沿第八脑神经的前庭支传向中枢,引起相应的感受或其他效应);10H以上,肌肉深处的感受器官感受振动;1000Hz以上,则表皮感受器官是最敏感的感受振动感受器。人体通过这些感受器最灵敏地感受各种不同频率的振动。由于物理振动模型随着受观测者不可预知的状态及动机不同而不同,而与受观测者的身体,生理、心理反应有关的生物参数使得特性统计具有一定的限制。个体情况可能与平均水平具有相当大的差别。在病理方面人体受到全身振动时引起的病理效应以长期坐姿操作的载重汽车、拖拉机、工程机械、装卸机械的驾驶员所受乘座振动最为严重,研究和调查表明,他们中明显地患有两种职业病 脊柱损伤和胃病。“白手病”就是因为长期使用风镐的工人其体内器官受到大振幅的机械振动,神经系统、心血管系统、肌肉和关节系统受到危害而使新陈代谢发生变异的结果。其表现为头晕目眩、反应迟钝、疲劳虚弱、机体失调等,在生理方面全身受到振动时,人体心血管、呼吸、消化、神经及感知觉等系统都受到影响而有明显变化。在心理反应方面则主要表现为操作能力降低,如对视力、平衡能力、反应时间和协调能力的影响。除了人体感受到振动以外,人体经受振动后还发生各种不良的生理反应。例如:经受振动后感到不舒服、烦躁不安、疲劳等。频率在30Hz左右的振动使得眼球发生共振,结果使视力模糊,降低了视力的敏锐性,从而大大削弱了人体完成各种工作的能力。频率高而振幅小的振动主要作用于组织的神经末梢,频率较低而振幅较大的振动使前庭器官受刺激。中等振幅的全身性振动由前庭器官传递,发生恶心、眩晕和运动疾病等不良反应。较大振幅的振动发生病理的影响。振动频率与对人体产生的影响之间的关系可参见表2。表2 各种频段的振动对人体产生的影响激振频率(Hz)对人体生理机能的影响 1Hz超低频振动会产生运动病,引起晕船晕车等14干扰人的呼吸及神经系统410引起人的胸口、肚子疼、皮肤温度急剧下降,手指活动无法控制1020引起肌肉紧张、眼睛发胀、咽喉痛、语言模糊及脑电波异常20300引起手指血管和神经损伤3 影响人体的环境振动主要因素3.1 振动频率 振动对人体的不良影响中,频率起着主要作用,不同频率的振动所引起的感受和病变特征是不同的。人体能感知的振动频率范围是11000Hz,对于环境振动,人们所关心的是人体反应特别敏感的180Hz的振动,这主要是由于各种组织的共振频率集中在这个范围。站立的人对48Hz的振动最为敏感,躺卧的人对12Hz的振动最为敏感。3.2 振动强度 当频率一定时,振动幅度越大对机体的影响越大。振动强度以人体对振动的感受程度来评价。目前国际上通用加速度参数来表示振动的强度,加速度常用La来表示,其定义类似于声压级,如某一加速度的有效值为a(m/s2),其加速度级La=20lgaa0(dB)其中参考加速度a0=10-6(m/s2),一般人刚刚感觉到的垂直振动为10-3(m/s2)对应60dB,不可忍耐的加速度是510-1(m/s2)对应114dB。以分贝为单位的振动加速度级代替振动加速度,对于振动测量、运算和表达带来很大方便。3.3 暴露时间 暴露时间是指机械振动作用于身体的持续时间。振动的时间特性可分为稳态振动、间歇振动和冲击振动,稳态振动的强度是不随时间变化的振动。间歇振动是指时有时无的振动,如汽车驶过而引起的公路振动等。靠冲击力作功的机械如锻锤、打桩机等产生的振动称之为冲击振动,冲击振动的时间越短,振幅越大,则对机体的作用也越强。人体无论受到哪种振动作用,接触振动的时间越长,对肌体的不良影响越大。3.4 工作方式 人体对振动的敏感程度和工作方式也有很大的关系。如操作者通过他的手施加在工具或者工件上2004年6月 噪 声 与 振 动 控 制 第3期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.的力的大小和方向,人体暴露在震动中的面积和位置等均对人体有不同的影响。3.5 环境条件 环境寒冷会引起血管收缩,血流量减少,除神经反射作用外,它能直接刺激平滑肌收缩,使血液粘稠度增加,血液循环改变,引起机能障碍,促使振动病的发生。环境噪声除了本身对人体有危害以外,还可以通过神经系统,特别是植物神经系统促使振动病的发生。另外,如果环境中存有烟或者化学污染,也可促进振动病的发生。3.6 其它 如人体自身的素质条件,年龄大小,营养状况,吸烟与否,对寒冷和振动的敏感程度等相关因素。4 结 语 随着人们对生活质量要求的提高,环境振动对人体的影响以及造成的“扰民”现象日益成为普遍关注和有待解决的问题。对于交通,工业等长期存在的振动源,应该从振源本身以及积极采取防护措施着手,减少环境振动对人体产生的各种危害。如交通工具的振动应该降低低频的振动强度,以减少乘客“晕车”等运动症的发生以及对司机内脏的损伤。工业中的振动比较复杂,可以通过隔振设备来减小振动,另一方面,也应该积极探讨用机械自动化来取代振动较为严重的人工操作,比如风镐操作工人和矿工都承受着严重的振动危害。参考文献:1 陈秀娟.实用噪声与振动控制M.北京:化学工业出版社.1996.5.2 应怀樵.现代振动与噪声技术M.北京:航空工业出版社.2000.1.3GB/T 1344221992,人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则S.1992.4ISO8041,Human response to vibration2Measuring instru2mentationS.1990.5ISO263121,Mechanical vibration and shock2Evaluation ofhuman exposure to whole2body vibrationS.1997.6Cyril M.Harris,Charles E.Crede.Shock and VibrationHandbook in three volumes M.McGraw2Hill BookCompany.1961.(上接第8页)由图2可见增大板刚度和增大机器刚度都可减小传递到基础的功率流,增大板刚度比增大机器刚度更有利于减小传递到基础的功率流;由图3可见增大机器阻尼可减小传递到基础的功率流,而增大基础板阻尼对高频段传递功率流影响不大;由图4可见减小隔振器弹簧刚度可减小传递到基础的功率流,增大隔振器阻尼增大高频段传递到基础的功率流。3 结 论 采用统计能量法和导纳功率流法同时对一单层柔性隔振装置隔振效果进行分析,通过改变机器、基础材料的弹性模量和阻尼系数,以及隔振器刚度、阻尼进行对比,都表明增大基础刚度,增大机器刚度和阻尼,以及减小隔振器弹簧刚度、阻尼可以减小传递到基础的功率流;同时增大基础刚度比增大机器刚度更有利于减小传递到基础的功率流。两种分析方法在系统高频动态特性分析时具有统一性,而统计能量法更加简洁明了。参考文献:1 严济宽.机械振动隔离技术M.上海:上海科学出版社,1985.2Richard H.Lyon.Statistical energy analysis of dynamicalsystems:theory and applicationsM.Massachusetts:MITPress,1975.3Sheng M P,Wang M Q,Sun J C.Effective Internal lossfactors and coupling loss factors for non2conservativelycoupled systemsJ.J.Sound&Vib.,1998,209(4):6852694.4 盛美萍.非保守耦合系统的耦合损耗因子J.声学学报,1999,24(5):5502556.5 姚德源,王其政.统计能量分析及其应用M.北京:北京理工大学,1995.52环境振动对人体的影响 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.