Perception of Whole-Body Vibrations: From basic - Acoustics

209 Pages·2002·2.73 MB·English

Perception of Whole-Body Vibrations:
From basic experiments to effects of seat and
steering-wheel vibrations on the passenger‘s
comfort inside vehicles
Vom Fachbereich Physik der
Universitt Oldenburg
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
angenommene Dissertation
Michael A. Bellmann
geboren am 20. November 1972
in Brake
Erstreferent: Prof. Dr. rer. nat. V. Mellert
Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Dr. med. B. Kollmeier
Korreferent: Dr. rer. nat. R. Weber
Tag der Disputation: 05. Juli 2002
Contents
Zusammenfassung (Summary) III
Introduction 1
1 Theory 6
1.1 Evaluation and production of vibration . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Different ways to produce vibrations . . . . . . . . . 7
1.1.2 Vibration isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.3 Whole-body vibration standards . . . . . . . . . . . 16
1.2 Psychophysics and sensoric physiology . . . . . . . . . . . . 28
1.2.1 Sensation threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.2 Psychophysical measuring methods . . . . . . . . . . 33
1.2.3 Physiology of the skin (sense of touch). . . . . . . . 42
2 Simulator 46
2.1 Vibration-Floor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.1 General description . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.1.2 Dynamic performance of the vibration-floor . . . . . 50
2.1.3 Vibration performance. . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2 Sound & Vibration Reproduction System . . . . . . . . . . . 57
3 Experiments on the perception of vibrations 62
3.1 Measuring set-up and stimuli . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Subjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3 Exp. 1: Psychometric Function . . . . . . . . . . . . . . . . 66
II CONTENTS
3.4 Parameters which influence the perception thresholds . . . . 69
3.4.1 Stimulus duration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4.2 Audible sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5 Exp. 2: Perception Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6 Exp. 3: Just Noticeable Differences (JND) . . . . . . . . . . 86
3.6.1 Just Noticeable Differences in Level (JNDL) . . . . . 87
3.6.2 Just Noticeable Differences in Frequency (JNDF) . . 90
3.7 Exp. 4: Equal-Vibration Level Contours (EVLC) . . . . . . . 92
3.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4 Objective description of comfort inside cars 103
4.1 Experimental set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2 Calculation of the objective signal parameters . . . . . . . . 105
4.3 Subjective quality judgements . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.4 Results of the correlation analysis . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.1 Seat vibrations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4.2 Steering-wheel vibrations . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 Psychophysical measurements on a car seat 134
5.1 Measurement set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2 Subjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.3 Exp. 1: Perception Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4 Exp. 2: Just Noticeable Differences in Level (JNDL). . . . . 143
5.5 Exp. 3: Influence of level on seat vibration assessments . . . 145
5.6 Exp. 4: Influence of sound on seat vibration ratings . . . . . 148
5.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Summary and conclusion 154
References 166
A Supplements for the vibration standards i
B Supplements for the simulator vii
C List of results x
Zusammenfassung
(Summary)
Die zunehmende Technisierung, z.B. am Arbeitsplatz, und die Tendenz zu
einem immer h¨oheren Grad an Mobilit¨at haben zum Teil erhebliche Be-
lastungen auf den Menschen und seiner Umwelt zur Folge. So ist der
Mensch vermehrt vielf¨altigen Ganzk¨orpervibrationen im Alltag ausgesetzt,
diez.B.durchVerkehroderBaut¨atigkeitenverursachtwerden. ”IhreWirkun-
gen sind weniger sinnesspezifische U¨berlastungen, vielmehr bel¨astigen sie
den Menschen im Sinne eines Zustandes verminderten Wohlbefindens oder
sie beeintr¨achtigen seine Leistung” (Meloni, 1991). Bestehende Normen,
z.B. die ISO 2631-1/2, verwenden meist sinusf¨ormige Anregungen und be-
schreiben die Grundlagen der Wahrnehmung von Vibrationen in Geb¨auden,
wie etwa die Perzeptionsschwellen. Existierende Literaturdaten fu¨r Perzep-
tionsschwellen (einige sind zusammengefasst in Griffin, 1990) zeigen zum
Teil erhebliche Abweichungen zu den Normwerten. Es bestehen aber auch
deutliche Unterschiede untereinander, die sich teilweise auf die verwende-
ten Messmethoden zuru¨ckfu¨hren lassen (Griffin, 1990). Auerdem existieren
fast keine oder nur lu¨ckenhafte Angaben in der Literatur zu grundlegenden
Fragen der Vibrationswahrnehmung, wie z.B. die Frage nach den gerade
wahrnehmbaren Unterschieden in der Amplitude oder Frequenz (JNDL und
JNDF). Aus diesen Gru¨nden wurden einige grundlegende Experimente zur
Vibrationswahrnehmung mit bew¨ahrten und neuen Messmethoden aus der
Psychoakustik durchgefu¨hrt.
Ein bekanntes Beispiel fu¨r eine simultane Einwirkung von Schall und Vibra-
tionen auf den Menschen sind Fahrzeuge. Es ist bekannt, dass der Komfort
bzw. Diskomfort, der durch Schall und Vibrationen im Fahrzeuginneren
verursacht wird, sehr entscheidend fu¨r die Akzeptanz eines Fahrzeuges ist.
In der Fahrzeugindustrie ist man daher zunehmend bemu¨ht, den Komfort
und die Qualit¨at im Bezug auf die wahrnehmbaren Innenger¨ausche und
IV Zusammenfassung
Vibrationen zu erh¨ohen. Es w¨are wu¨nschenswert, die Eigenschaften der
akustischen und vibratorischen Signale, die fundamental wichtig fu¨r die
subjektive Qualit¨atsbewertung sind, zu kennen. Damit w¨are es m¨oglich,
die Qualit¨atsurteile nicht nur objektiv zu beschreiben, sondern auch bed-
ingt Vorhersagen aus einfachen objektiven Aufnahmen der Schall- und Vi-
brationssignalen u¨ber den Komfort zu treffen. Aus den oben genannten
Gru¨nden muss die Wahrnehmung von synthetisch einfachen bis hin zu real
komplexen Ganzk¨orpervibrationen untersucht werden.
Fu¨r die in dieser Arbeit durchgefu¨hrten Experimente sind zwei Simula-
toren entwickelt und gebaut worden: Zum einen ist fu¨r eine reine ver-
tikale Anregung der Probanden mit Ganzk¨orpervibrationen das ’Vibration-
Floor’ konstruiert worden. Mit dem ’Vibration-Floor’ wurde in Kapitel 3
Grundlagenforschung, bezogen auf die Wahrnehmung von sinusf¨ormigen
Ganzk¨orpervibrationen in vertikaler Richtung, durchgefu¨hrt. Zum anderen
ist das bestehende ’Sound & Vibration Reproduktion System(cid:13)c’ fu¨r die An-
wendunginderFahrzeugindustriebezogenaufSitz-undLenkradvibrationen,
sowie auf die Innenraumakustik (siehe Kapitel 5) modifiziert und optimiert
worden. Dieses System kann sowohl synthetische als auch real gemessene,
komplexe Lenkrad- als auch Sitzvibrationen in alle drei Richtungen subjek-
tiv realistisch wiedergeben. Die Vorteile der in dieser Arbeit entwickelten
Simulatoren sind, dass sie unter psychophysikalischen Gesichtspunkten op-
timiert sind und somit unter anderem kein bzw. kaum h¨orbaren Schall bei
der Produktion bzw. Reproduktion von Vibrationen erzeugen.
Im Fokus dieser Arbeit standen zwei, wie oben erw¨ahnt, unterschiedliche
Bereiche: Im ersten Teil wurde die Wahrnehmung von vertikalen sinusf¨or-
migen Vibrationen im Frequenzbereich von 5 bis 80 Hz auf einem starren
Stuhl untersucht (Kapitel 3). Es wurden die Perzeptionsschwelle, sowie die
psychometrischeFunktion,geradewahrnehmbareUnterschiedeimBeschleu-
nigungspegelundinderFrequenz,sowiedieKurvengleicherVibrationswahr-
nehmung mit neuen und zuverl¨assigen psychophysikalischen Messmethoden
aus der Psychoakustik ermittelt. Es zeigt sich, dass die Perzeptionsschwelle
fu¨r vertikale Ganzk¨orpervibrationen nahezu konstant im Bereich ab 8 bis
63 Hz ist. Oberhalb von 63 Hz sinken die gemessene Perzeptionsschwellen
leicht,waswahrscheinlichaufKnochenleitung(K¨orperschall)zuru¨ckzufu¨hren
ist. Im Gegensatz zur Perzeptionsschwelle steigt die Kurve gleicher Vibra-
tionswahrnehmung mit ca. 2.3 dB/Oktave im Bereich von 6 bis 63 Hz an,
obwohl der Referenzreiz (sinusf¨ormige Ganzk¨orpervibration mit f = 20 Hz
und L = 100 dB) nur ca. 10 dB oberhalb der Perzeptionsschwelle liegt
Vib
unddamitschwellennaheist. DerUnterschiedzwischendiesenbeidenunter-
schiedlichen Kurvenverl¨aufen l¨asst sich nicht mit einer frequenzabh¨angigen
JNDL erkl¨aren, die frequenzunabh¨angig in diesem Frequenz- und Pegelbe-
Zusammenfassung V
reich bei ca. 1.5 dB liegt. Die JNDFs steigen im Gegensatz dazu frequenz-
abh¨angig mit zunehmenden Frequenzen an.
Der zweite experimentelle Teil besch¨aftigt sich mit einem sehr praxisna-
hen und anwendungsbezogenen Gebiet aus der Fahrzeugindustrie (Kapitel
4). Durch Multikanalaufnahmen der Lenkrad- und Sitzvibrationen, sowie
des Schallfeldes in diversen Fahrzeugenklassen, sollten objektive Metho-
den zur Beschreibung des subjektiven Komforts im Fahrzeug erarbeitet und
verbessert werden. Dazu wurden zeitgleich zu den objektiven Messungen
die subjektiven Qualit¨ats- und Komfortbeurteilungen durch professionelle
Subjektiv-Tester aus der Fahrzeugindustrie ermittelt. Aus den vibro-akus-
tischen Multikanalaufnahmen werden Parameter aus bestehenden Normen
(z.B. ISO 2631-1/2, ISO 5349-1/2, DIN 4051-1/2 und VDI 2057-1/2/3),
sowieSignalparameterausderFahrzeugindustriefu¨rdieLenkrad-undSitzvi-
brationen berechnet und mit den subjektiven Bewertungen korreliert. Die
Korrelationsanalyse ergibt, dass psychophysikalisch motivierte und spektral
einfachgewichteteVibrationsparameterbesserfu¨rdieBeschreibungdessub-
jektiven Komforts geeignet sind. Dieser Befund gilt jedoch nur fu¨r die
Lenkradvibrationen. Fu¨rdieSitzvibrationenkorrelierenspektralungewichtete,
dafu¨r aber spektral begrenzte Parameter um dominante Motorordnungen
(zweite Motorordnung) besser mit den subjektiven Komfortbeurteilungen.
Der tieffrequente Vibrationsenergieanteil ist ebenfalls fu¨r die Bewertung der
Lenkradvibrationenwichtig. Auerdemzeigtsichfu¨rdieLenkrad-undSitzvi-
brationen, dass die subjektiven Bewertungen pegelabh¨angig sind.
In dem letzten Experimentalteil wurden grundlegende und weiterfu¨hrende
Experimente zur Wahrnehmung von Sitzvibrationen auf einem realen Fahr-
zeugsitzimLaborwiederholtbzw. durchgefu¨hrt(Kapitel5). MitdiesenEx-
perimenten soll die Lu¨cke zwischen den Grundlagen, die mit sinusf¨ormigen
Reizen ermittelt worden sind (Kapitel 3), und der praxisorientierten Anwen-
dungimFahrzeug(Kapitel4)geschlossenwerden. Fu¨rdieunterschiedlichen
Experimente wurden sowohl (synthetisch einfache) sinusf¨ormige Sitzvibra-
tionen,alsauchinrealenFahrzeugenaufgenommene,komplexevibro-akusti-
sche Signale verwendet. Es lassen sich einige grundlegende Befunde, ge-
messenaufeinemstarrenStuhl,best¨atigen. SosinddiePerzeptionsschwellen
ebenfallsfrequenzunabh¨angigindemuntersuchtenFrequenzbereichaufeinem
(gepolsterten) Fahrzeugsitz. Die ermittelten JNDLs sind ebenfalls frequen-
zunabh¨angig und betragen ca. 1.5 dB. Auerdem kann gezeigt werden, dass
die Unterschiede in den subjektiven Bewertungen auf gerade wahrnehm-
bare Unterschiede im Beschleunigungspegel (JNDL) zuru¨ckzufu¨hren sind.
Desweiteren zeigt sich, dass ein zus¨atzlicher akustischer Reiz einen nicht
unerheblichen Einfluss auf die Bewertung der Sitzvibrationen besitzt.

Introduction
Thehumanbodyisexposedtovariouswhole-bodyvibrationsfromdifferent
sources, e.g., at workshop in industry or in daily life traffic while travel-
ing and in many other situations. Whole-body vibrations occur when the
human body (standing, lying, sitting) is in contact with a vibrating sur-
face. Oscillations in the frequency range from 1 to 80 Hz (and sometimes
higher) are called vibrations in existing standards (e.g., ISO 2631-1, 1997;
VDI 2057-1, 1987). For higher frequencies the human body becomes less
andlesssensitive, seeFig.1.9. Movementswithfrequenciesbelow1Hzare
denoted as motions and the excitation with such low frequency movements
producemotionsickness(seeChapter1.1.3). Theperceptionofwhole-body
vibrations is often coupled with the hearing of low-frequency sound (sound
below 20 Hz is called infrasound) because a vibrating structure or surface
usually emits sound, as well. ”The effects of whole-body vibrations do not
cause primary damage to the organs of perception, however they are often
annoyingandreduce the well-beingofhumansindaily life” (Meloni,1991).
It is just briefly noted that vibrations with high magnitudes and with a long
exposure can also have health risks for humans. The effects of vibrations
on the health of humans - e.g., whole-body and hand-arm transmitted vi-
brations - was discussed in many studies and was frequently reported (for
example, Martin, 1984; Griffin, 1990; Dupuis & Hartung, 1998). Neverthe-
less, there is a gap of knowledge of human response to vibrations at low
magnitudes around the perception threshold. Whether a motion or vibra-
tion causes annoyance, discomfort or interferes with activities depends on
many factors - including the characteristics of the presented vibrations like
frequency components and levels, characteristics of the exposed person and
many other aspects of the environment. Therefore it is difficult or impossi-
ble to summarize all effects, to define a standard with limits and standard
values for all conditions and for the whole frequency and level range. Ad-
ditionally, human responses to vibrations are varied and differ greatly over
timeandfromonepersontotheother. Thereforeavibrationlimitismean-
2 Introduction
ingless without the specification of the relevant criterion stating with which
probability a specified effect is prevented by the limit.
The interest in human response to vibration becomes more and more pub-
lic because the number of mechanized sources of vibrations have increased
and the number of exposed persons has risen. Additionally, the quality of
life becomes more important. The vibration exposure in daily life is usually
around or a bit higher than the perception threshold. For example, not
only health aspects (like safety belt or airbag) are important components
of the acceptability of a vehicle but also the (dis-) comfort caused by seat
andsteering-wheel,aswellastheinteriorsoundhasbecomeveryimportant
over the last years. The benefit of better information and knowledge about
the perception of vibrations and the human response to vibrations allows to
improve designs so that comfort would increase and the annoyance experi-
enced from excessive vibrations would be reduced. Therefore, we have to
investigate the perception of these combined, complex stimuli in the range
of human perception thresholds and comfort to evaluate the effects of such
environmental stresses on the human body.
Thisstudyfocusesonthreedifferentaspectsoftheperceptionofwhole-body
vibrations with low magnitudes which are around or somewhat above the
perceptionthresholds. Thefirstaspectfocusesonbasicexperimentsonthe
perception of whole-body vibrations just with vertical sinusoidal (artificial)
excitations(Chapter3). Inthesecondpartofthisthesisthecomfortordis-
comfort caused by vibrations in passenger cabins of vehicles is investigated
(comprising usually of components in more than one direction, Chapter 4).
Therefore multi-channel recordings of the seat and the steering-wheel vi-
brations are made in various real cars of various types. The objective is to
calculate objective parameters of vibration signals that are more suitable to
describeagoodorapoorqualityassessmentsofsubjective-testers. However,
the knowledge of the perception of simple artificial stimuli in one direction
cannot easily be transformed to the perception of special applications with
complexbroadband(real)vibrationslikeinthecabinofavehicle. Therefore
basic experiments, which take into account aspects and knowledge of the
Chapter 3 and 4, are made with simple artificial and complex (broadband)
real vibration signals on a real, cushioned car seat in the laboratory (Chap-
ter 5). The objectives are to find a correlation between basic parameters
and a special application of the perception of vibrations inside a car.
Many experimental studies in the laboratory use sinusoidal vibrations or ex-
citationstoinvestigatethehumanresponsetovibrationbecauseitiseasyto
producesuchvibrationsandthedescriptionofthevibrationsignalsispossi-
blewithsimpleparameters. Additionally,itispossibletostudytheresponse
to a single frequency of motion with a sinusoidal excitation. In practice,