冲击与振动对人体的影响

冲击与振动对人体的影响

201012466 徐文超

人体是一个相当复杂的且具有生物活性主动调节的系统。从医学角度看，人体是由多节骨骼和肌肉或器官组成的，其中肌肉和骨骼是运动的主动与被动的关系。从机械的角度看，人体是一个复杂的柔弹性多体系统，人体的骨骼框架具有一定的刚性。因此，近似条件下，人体是可用若干柔性或弹性与刚性体组成的系统模型予以描述[1-3]，人体可视为一种机械系统。通过对人体的振动实验来看，2Hz以下振动时，人体可视为一个整体；2Hz带宽时，机械能将通过人体以波的形式传播，波长远大于人体尺寸，基于此种原因，人体可以简化为多自由度的集中参数模型。坐姿时，人体系统基频为4~6Hz，立姿时为5Hz和12~15Hz。在100Hz以上时，人体可作为具有分布参数的复杂系统，机械能可能以剪切波、表面波或复杂波得形式传播。人体波传播的形式取决于频率成分和传播条件。

人体可视为一个多自由度的振动系统。人体是具有弹性的组织，因此对振动反应与一个弹性系统相当。为了准确预测动态环境下人体系统的响应，对于人体坐姿来说，通常可以分为头部，上躯干、下躯干（包括臀部）、左下肢、右下肢五个部分。如不考虑水平、侧向振动的影响，可把人体系统动力学模型简化为5-DOF的垂直振动模型[4]。人体全身振动模型是一种机械振动响应等效模型，它将人体各部分等效为质量、刚度、阻尼等机械元件。如图1所示，

该模型的动力学参数主要有：

12345,,,,m m m m m ————人体头部、上躯干、下躯干（包括臀部）、左下肢、右下肢的质量，kg ；

12345,,,,k k k k k ————上述人体各部分的刚度，1kN m -•；

12345,,,,c c c c c ————上述人体各部分的阻尼系数，1Ns m -•；

12345,,,,z z z z z ————上述人体各部分重心的位移，m ；

66,k c ————座椅的刚度，1kN m -•；座椅的阻尼，1Ns m -•；

0z ————车体的输入位移激励，m .

根据牛顿第二定律，得到5-DOF 坐姿人体全身振动模型的振动微分方程为：

M Z C Z KZ Bq •••

++= M ，C ，K ，B 分别为人体系统的质量矩阵，阻尼矩阵，刚度矩阵，激励矩阵；Z 为输出矩阵，q 为激励矩阵。为便于模型的简化及计算，假定人体左、右下肢的质量、刚度、阻尼均相等，即454545,,m m k k c c ===。根据模型，可计算出人体坐姿全身振动的相关参数，进而进行相关分析。

人体是一个复杂的共振系统。人体及其各种组织与器官都有其自身的共振频率。生物力学研究证明，人体全身垂直振动在4～8Hz 处有一个最大的共振峰，称为第一共振频率。它主要由人体胸腔共振频率产生对胸腔内脏影响最大。在10～12Hz 和20～25Hz 附近有两个较小的共振峰，分别称为第 二和第三共振频率。第二共振峰主要由人体腹腔共振频率产生，对腹部内脏影响最大。此外,头部的共振频率约为2～3Hz ，心脏约为5Hz 眼约为18～50Hz ，脊柱约为30Hz,手约为30～40Hz ，臀和足部约为4～8Hz ，肩部约为2～6Hz ，躯干约为6Hz 。人体的振动传递与人体骨骼、姿势（站姿或坐姿）和座椅型式等有关。因此,在设计车辆和车辆座位时,必须考虑人体共振频率，采取减振措施，尽量避开人体共振效应[5]。

振动对人体的影响分为全身振动和局部振动。全身振动是由振动源（振动机械、车辆、活动的工作平台）通过身体的支持部份（足部和臀部），将振动沿下肢或躯干传布全身引起接振动为主，局部振动是振动通过振动工具、振动机械或振动工件传向操作者的手和前臂。

1.全身振动对人体的不良影响

接触强烈的全身振动可能导致内脏器官的损伤或位移，周围神经和血管功能的改变，

可造成各种类型的、组织的、生物化学的改变，导致组织营养不良，如足部疼痛、下肢疲劳、足背脉搏动减弱、皮肤温度降低；女工可发生子宫下垂、自然流产及异常分娩率增加。一般人可发生性机能下降、气体代谢增加。振动加速度还可使人出现前庭功能障碍，导致内耳调节平衡功能失调，出现脸色苍白、恶心、呕吐、出冷汗、头疼头晕、呼吸浅表、心率和血压降低等症状。晕车晕船即属全身振动性疾病。全身振动还可造成腰椎损伤等运动系统影响。

2.局部振动对人体的不良影响

局部接触强烈振动主要以手接触振动工具的方式为主，由于工作状态的不同，振动可传给一侧或双侧手臂，有时可传到肩部。长期持续使用振动工具能引起末梢循环、末神经和骨关节肌肉运动系统的障碍，严重时可引起国家法定职业病－局部振动病。局部振动病也称职业性雷诺现象、振动性血管神经病或振动性白指病等。主要是由于人体长期受低频率、大振幅的振动，使植物神经功能紊乱，引起皮肤振动感受器及外周血管循环机能改变，久而久之，可出现一系列病理改变。早期可出现肢端感觉异常、振动感觉减退。主诉手部症状为手麻、手疼、手胀、手凉、手掌多汗、手疼多在夜间发生；其次为手僵、手颤、手无力（多在工作后发生），手指遇冷即出现缺血发白，严重时血管痉挛明显。Ｘ片可见骨及关节改变。

碰撞、冲击和急剧减速对人体系统的影响比较严重，甚至危及生命安全，特别是在碰撞中，可能造成死亡。人体对外力的冲击都有一定的承受限度，当外力超过限度时，人体便受到伤害。对于碰撞、冲击，由于在短时间内产生的巨大冲击力，因此，瞬间的加速度很可能超过人体的容许上限，对人体造成严重的伤害。对人体的内脏器官，如肺、心脏、头部、脖子、大脑的伤害或组织的破坏都是直接的，有可能导致器官出血危及生命。

振动的防护措施

1）改革工艺设备和方法，以达到减振的目的，从生产工艺上控制或消除振动源是振动控制的最根本措施；

2）采取自动化、半自动化控制装置，减少接振；

3）改进振动设备与工具，降低振动强度，或减少手持振动工具的重量，以减轻肌肉负荷和静力紧张等；

4）改革风动工具，改变排风口方向，工具固定；

5）改革工作制度，专人专机，及时保养和维修；

6）在地板及设备地基采取隔振措施（橡胶减振动层、软木减振动垫层、玻璃纤维毡减振垫层、复合式隔振装置）；

7）合理发放个人防护用品，如防振保暖手套等；