Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2015
Langue
Anglais
Résumé
Cette étude explore un système de mesure à pellicule mince de la pression à l’interface corps-siège (Tekscan Inc.) pour caractériser les réponses biodynamiques de sujets humains assis sur des sièges élastiques et exposés à des vibrations dans l’axe vertical. L’étude porte sur un siège rigide et trois sièges élastiques : un siège constitué d’un bloc de mousse de polyuréthane (MPU) plat d’une épaisseur de 8 cm (siège A), un siège de véhicule automobile flexible et moulant (siège B) et un coussin gonflable à bulles d’air (siège C). La validité du système de mesure a d’abord été examinée, en l’absence de vibrations, avec 11 sujets assis avec un appui-dos (AAD) et sans appui-dos (SAD). Les résultats ont révélé que le système de mesure de la pression au siège peut mesurer avec précision le poids corporel statique soutenu par le siège. L’erreur maximale était de l’ordre de 4 % pour le siège plat (siège A) et de 6 % pour le siège moulant (siège B) et le siège à coussin d’air (siège C).
La validité du système de mesure a ensuite été évaluée en présence de vibrations dans l’axe vertical. Pour ce faire, le siège rigide a été installé sur une plateforme de force monoaxiale montée sur un simulateur de vibrations globales du corps (SVGC), et le capteur de distribution de pression (CDP) a été posé sur l’assiette du siège pour mesurer la force à l’interface corps-siège. La force dynamique mesurée au niveau de la plateforme de force a servi de valeur de référence pour comparer les données du CDP. Le SVGC a été programmé pour générer trois niveaux de vibrations aléatoires avec une densité spectrale de puissance (DSP) de l’accélération presque constante dans la plage de fréquences de 0,5 à 20 Hz (accélération efficace globale = 0,25, 0,50 et 0,75 m/s2). Les expériences ont été réalisées avec différentes charges passives ainsi que des sujets humains. Les signaux de force provenant des deux systèmes de mesure (le CDP et la plateforme de force) et le signal d’accélération ont été analysés pour établir la réponse de masse apparente (MAPP). Les résultats ont révélé que les estimations de MAPP fournies par le CDP à des fréquences supérieures à 3 Hz étaient nettement inférieures à celles de la plateforme de force, quels que soient le chargement du siège et l’amplitude de l’excitation. Cet écart a été attribué à la faible plage dynamique et à l’absence de gain échelonnable du système de mesure de la pression. Une fonction de correction, soit le rapport de l’amplitude de MAPP fournie par la plateforme de force sur celle provenant du CDP, a été calculée pour tenir compte des limites du système de mesure de la pression, et ce, pour chaque combinaison de chargement et d’amplitude de vibration. L’application des fonctions de correction a permis d’obtenir des réponses comparables des deux systèmes de mesure.
Trois séries d’expériences ont ensuite été entreprises pour caractériser les réponses biodynamiques de sujets assis sur un siège rigide et sur des sièges élastiques, de même que pour examiner plus à fond la validité du système de mesure. Les deux premières séries, effectuées simultanément, portaient sur la mesure des réponses biodynamiques de sujets assis sur un siège rigide au moyen de la plateforme de force et du capteur de distribution de pression, respectivement. Les résultats issus de la première série d’expériences ont servi de référence pour vérifier les données du système de mesure utilisé lors de la deuxième série. La troisième série portait sur la caractérisation des réponses de MAPP de sujets assis sur trois types de sièges élastiques, la force biodynamique étant alors mesurée au moyen du CDP. Compte tenu des propriétés d’atténuation des vibrations des sièges viscoélastiques, cette dernière série d’expériences exigeait une synthèse de niveaux de vibrations identiques à la surface du siège. Une méthode a donc été développée pour synthétiser le spectre vibratoire recherché sur les sièges élastiques au moyen de deux microaccéléromètres installés à proximité des tubérosités ischiatiques des sujets qui fournissaient une rétroaction au contrôleur de vibrations du SVGC. L’analyse des niveaux de vibrations mesurés à la surface et à la base du siège a révélé que les sièges élastiques atténuaient les vibrations de façon notable.
Au total, 58 sujets (31 hommes et 27 femmes) dont la masse corporelle en position debout variait entre 45,5 kg et 106 kg ont participé aux expériences. Chaque sujet a tour à tour pris place sur un siège rigide et sur trois sièges élastiques pour les conditions avec un appui-dos vertical (AAD) et sans appui-dos (SAD), et a ainsi été exposé à trois niveaux de vibrations à large bande dans la plage de 0,5 à 20 Hz. Les dimensions anthropométriques des sujets, telles que la stature, l’adiposité corporelle, la masse maigre du corps, la taille en position assise, la hauteur C7, le tour de hanches et l’aire de contact corps-siège, ont également été consignées. Les résultats obtenus dans le cadre de la première série d’expériences ont été analysés pour déterminer l’effet lié au sexe et établir des corrélations avec les facteurs anthropométriques. Les analyses ont révélé d’importants couplages entre les effets liés au sexe, à la masse corporelle et aux facteurs anthropométriques. Les mesures obtenues ont ainsi été regroupées en étroites plages de masses corporelles et de valeurs anthropométriques afin de dégager des corrélations entre les réponses de MAPP et les facteurs anthropométriques retenus. La comparaison des réponses des sujets masculins et féminins a clairement démontré un important effet lié au sexe jumelé à des facteurs anthropométriques de façon complexe. Les réponses des sujets féminins ont nettement révélé une crête de résonance secondaire de grande amplitude aux fréquences supérieures à 10 Hz, ce qui ne ressortait que peu ou pas des réponses des sujets masculins. Les sujets masculins présentaient invariablement une fréquence de résonance principale plus élevée que les sujets féminins de masse corporelle comparable. L’amplitude maximale de la MAPP augmentait en fonction de la masse corporelle et de la plupart des paramètres anthropométriques considérés dans cette étude.
Les réponses de MAPP mesurées au niveau du capteur de distribution de pression (série 2) et pondérées par les fonctions de correction concordaient relativement bien avec celles de la plateforme de force. La différence maximale entre les réponses obtenues selon les deux méthodes était de l’ordre de 6 % sous une excitation de 0,75 m/s2, et plus élevée sous une excitation de 0,25 m/s2, ce qui a été attribué à la faible plage dynamique du CDP. On a ainsi conclu que les fonctions de correction pouvaient adéquatement rendre compte de la réponse en fréquence du système de mesure, et émis l’hypothèse qu’elles étaient applicables aux sièges élastiques. Les réponses de MAPP obtenues avec les sièges élastiques (série 3) ont été comparées à celles qui provenaient du siège rigide i) pour chaque sujet, ii) pour les réponses moyennes des sujets à l’intérieur de chaque groupe de masse corporelle, et iii) pour les réponses moyennes de tous les sujets. L’examen de l’amplitude de la MAPP à basse fréquence (près de 1 Hz) pour chaque combinaison sujet-siège a révélé que le siège soutenait une masse corporelle beaucoup plus faible dans le cas de certains sujets. L’écart entre les valeurs mesurées et attendues (75 % à 80 % de la masse corporelle en position debout) s’élevait à plus de 15 % pour certains sujets, plus particulièrement sous la faible excitation de 0,25 m/s2. Les ensembles de données présentant des écarts de plus de 15 % ont été exclus des analyses ultérieures. Les ensembles de données restants pour chaque siège ont été répartis par groupes de masse corporelle pour les deux sexes. Les réponses moyennes ont été analysées pour évaluer les effets liés au sexe, à la masse corporelle, à l’appui-dos et à l’amplitude de vibration sur la MAPP des sujets assis sur les sièges élastiques.
Les résultats ont montré que les sièges élastiques ont tendance à réduire la fréquence de résonance principale de même que la crête de résonance. Ils suggèrent par ailleurs une forte influence des propriétés viscoélastiques des sièges de même que des facteurs liés au sexe et à la masse corporelle. La moyenne des amplitudes maximales de la MAPP des sujets masculins s’apparentait à celle des sujets féminins de masse corporelle comparable, tandis que la fréquence de résonance principale des sujets féminins était plus faible que celle des sujets masculins. Le siège à coussin d’air (siège C) a fourni des mesures d’amplitude maximale de la MAPP relativement plus élevées chez les deux sexes, ce qu’on a attribué au faible degré d’amortissement du siège. Le siège à coussin plat en mousse de polyuréthane (siège A), dont les propriétés d’amortissement étaient supérieures, a fourni les plus faibles mesures de réponse maximale en amplitude, quelles que soient les conditions d’assise et d’excitation. On peut donc en conclure que les réponses biodynamiques de sujets humains assis sur des sièges élastiques et exposés à des vibrations dans l’axe vertical diffèrent significativement de celles qu’on obtient avec un siège rigide. Les réponses mesurées fournissent d’importantes valeurs cibles qui pourront servir au développement de mannequins anthropodynamiques et à la conception de sièges.
Abstract
This study explored a thin-film body-seat interface pressure measurement system (Tekscan Inc.) for the characterization of the biodynamic responses of human subjects seated on elastic seats and exposed to vertical vibration. The study included a rigid seat and three elastic seats: a seat with a flat 8 cm thick polyurethane (PUF) block (seat A); a soft and contoured automotive seat (seat B); and an inflatable air-bubble cushion (seat C). The validity of the measurement system was initially examined with 11 subjects seated with (WB) and without (NB) a back support in the absence of vibration. The results showed that the seat pressure measurement system can accurately measure the static body weight supported by the seat. The peak error was in the order of 4% for the flat (seat A), and 6% for both the contoured (seat B) and the air (seat C) seats.
The validity of the measurement system was subsequently assessed under vertical vibration. For this purpose, the rigid seat was installed on a single-axis force plate that was mounted on the whole-body vibration simulator (WBVS), while the seat mat was placed on the seat pan for the measurement of the body-seat interface force. The dynamic force measured by the force plate served as a reference for comparing the seat mat data. The WBVS was programmed to generate three levels of random vibration with nearly constant acceleration power spectral density (PSD) in the 0.5 to 20 Hz frequency range (overall rms acceleration = 0.25, 0.50 and 0.75 m/s2). The experiments were performed with different passive loads and human subjects. The force signals from the two measurement systems (seat mat and force plate) together with the acceleration signal were analyzed to derive the apparent mass (APMS) response. The results showed substantially lower APMS estimated by the seat mat at frequencies above 3 Hz compared to that from the force plate, irrespective of the seat load and excitation magnitude. These were attributed to the poor dynamic range and the lack of a scalable gain of the pressure measurement system. A correction function, ratio of APMS magnitude given by the force plate to that by the seat mat, was derived to account for the limitations of the pressure measurement system, for each load and vibration magnitude combination. The application of the correction functions resulted in comparable responses of both measurement systems.
Three series of experiments were subsequently undertaken to characterize the biodynamic responses of subjects seated on rigid and elastic seats, and to further examine the validity of the measurement system. The first two series, conducted simultaneously, involved the measurements of biodynamic responses of subjects seated on a rigid seat using the force plate and the seat mat, respectively. The results obtained from the first series served as a reference for the verification of the measurement system used during the second series of experiments. The third series involved the characterization of the APMS responses of subjects seated on three elastic seats, where the biodynamic force was measured using the seat mat. Owing to vibration attenuation properties of the visco-elastic seats, this final series of experiments involved the synthesis of identical levels of vibration at the seat surface. A methodology was developed for the synthesis of the desired vibration spectrum on the elastic seat using two micro-accelerometers installed in the vicinity of the ischial tuberosities of the subjects, which served as feedback for the WBVS vibration controller. Analyses of vibration levels measured at the seat and at the base revealed notable vibration attenuation by the elastic seats.
A total of 58 subjects (31 male and 27 female) participated in the experiments with a standing mass ranging from 45.5 to 106 kg. The experiments were performed with each subject sitting without (NB) and with (WB) a vertical back support on a rigid and on three elastic seats, and exposed to three different levels of broad-band vibration in the 0.5 to 20 Hz range. Selected anthropometric dimensions of the subjects such as stature, body fat, lean body mass, sitting height, C7 height, hip circumference and body-seat contact area were also recorded. The results obtained from the first series were analyzed to identify gender effect, and correlations with the anthropometric factors. The results showed strongly coupled effects of gender, body mass and anthropometric factors. The measured data were thus grouped within narrow ranges of body mass and anthropometric values to identify correlations between APMS responses and selected anthropometric factors. Comparisons of male and female subject responses clearly showed a strong gender effect coupled with anthropometric factors in a complex manner. Female subject responses revealed a distinct high magnitude second resonance peak at frequencies above 10 Hz, which was either not evident or less clear in the male subject responses. Male subjects invariably showed higher primary resonance frequency compared to female subjects of comparable body mass. The peak APMS magnitude increased with an increase in body mass and in most of the anthropometric parameters considered in this study.
The APMS responses derived from the seat mat (series 2) in conjunction with the correction functions agreed reasonably well with those obtained from the force plate. The peak difference between the responses obtained from the two methods was in the order of 6% under 0.75 m/s2 excitation, and higher under 0.25 m/s2 excitation, which was attributed to the poor dynamic range of the seat mat. It was thus concluded that the correction functions can adequately account for the frequency response of the measurement system, and hypothesized that these functions could be applied to the elastic seats. The APMS responses obtained with the elastic seats (series 3) were compared with those with the rigid seat for: (i) each individual subject; (ii) the mean responses of the subjects within each mass group; and (iii) the mean responses of all subjects. Examination of low frequency (near 1 Hz) APMS magnitude of each subject-seat combination revealed considerably lower body mass supported by the seat for some of the subjects. The deviation between the measured and expected values (75 to 80% of the standing body mass) exceeded 15% for some of the subjects, particularly under the lower excitation of 0.25 m/s2. The datasets showing deviations in excess of 15% were excluded from the subsequent analyses. The remaining datasets for each seat were grouped under different mass groups of the two genders. The mean responses were analyzed to study gender, body mass, back support and vibration magnitude effects on the APMS of the subjects seated on the elastic seats.
The results showed that elastic seats tend to shift the primary resonance towards a lower frequency, while reducing the resonance peak. The results suggested strong influences of visco-elastic properties of seats in addition to gender and body mass-related factors. The mean peak APMS magnitudes of male and female subjects of similar body mass were comparable, while the primary resonance frequencies of female subjects were lower. The air-cushion seat (seat C) resulted in relatively higher peak APMS magnitudes for both genders, which was attributed to low damping of the seat. The flat PUF seat (seat A) with enhanced damping showed the lowest peak response magnitudes, irrespective of sitting and excitation conditions. It is thus concluded that the biodynamic responses of human subjects seated on elastic seats and exposed to vertical vibration differ significantly from those obtained with the rigid seat. Measured responses are considered to serve as important target values for developments in anthropodynamic manikins and seat design.
ISBN
9782896318193
Mots-clés
Vibration au corps entier, Whole-body vibration, Siège de conducteur, Driver seat, Anthropométrie, Anthropometry, Différence liée au sexe, Sex difference, Poids corporel, Body weight
Numéro de projet IRSST
0099-6300
Numéro de publication IRSST
R-884
Citation recommandée
Rakheja, S., Dewangan, K. N., Marcotte, P., Shahmir, A. et Patra, S. (2015). An exploratory study for characterizing seated body apparent mass coupled with elastic seats under vertical vibration (Rapport n° R-884). IRSST.