弹射和开伞过载测量中的频率分析
作者：吴明磊 李宝辉
单位：空军航空医学研究所，北京 100036
关键词：频率响应；弹射装置；过载测量；救生伞
航天医学与医学工程000214摘要： 目的 探讨弹射和开伞过载测量设备的频带问题。 方法 从人体的低频响应特性出发，结合弹射过载和开伞过载的具体情况，对测量数据采取特定处理方法进行分析。 结果 人体具有低频响应特性，频率响应低于50 Hz；弹射和开伞过载的频域在200 Hz内；美军标中11点移动平均的处理方法，对信号频率成分的影响是：小于40 Hz的成分几乎无损通过，40 Hz与74 Hz之间的成分受到一定衰减，大于74 Hz的成分大部分被抑制。 结论 当用于分析人体反应等问题时，采用0～80 Hz的低通滤波器即可；或采用0～200 Hz的低通滤波器并对测量数据进行11点移动平均处理。
中图分类号：V445.2 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0140-03
, 百拇医药
Analyse of Frequency Band in Acceleration Measurments during Ejection and Parachuting.
WU ming-lei,LI Bao-hui.
Abstract: Objective To describe and determine the freqency band in the acceleration measurments during ejection and parachuting. Method Comprehensive review of literatures and analysis of the data procedure in the MIL-S-18471G(AS). Result The human body has a low frequency response which is less than 50Hz .The frequency band of acceleration of ejection and parachuting is within 200Hz. The moving average procedure of 11 data in the MIL-S-18471G(AS) allow the frequency components below 40Hz to pass,but attenuated the frequency components between 40 and 74Hz,and supressed the frequency components over 74Hz. Conclusion When the measurments are used for the analysis of human body response, the frequency low pass filter may be 0～80 Hz or 0～200 Hz with the moving average procedure of 11 data.
, 百拇医药
Key words:frequency response;catapults;acceleration measurement;escape parachutes
弹射和开伞过载的测量，从我国自行研制火箭弹射座椅开始，已有30余年的历史，对装备研制、鉴定和使用起到了重要作用。对测量设备的频带要求，最早定为0～35 Hz；后又定为0～80 Hz及0～160 Hz[1]。弹射过载和开伞过载是体现装备性能和人体耐受能力的重要指标。测量设备频带直接影响到过载信息的内涵，并与波形畸变密切相关。 而美国军用标准MIL-S-18471G(AS)定为0～200 Hz，同时对测量数据采取11点移动平均的处理方法[2]。测量设备的频带定多大，有着不同的看法。加之采用不同的数据处理方法，使这个问题又复杂化。作者认为，决定测量设备的频带大小的因素主要有两方面，一是人体的频率响应特性，二是被测量信号的频率成分。本文探讨了美军标中11点移动平均的处理方法对信号频率成分的影响。
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人体的频率响应特性
人体作为一个力学系统，可近似地用一个线性集总参数系统模型来描述，即单个质量—弹簧—阻尼系统或多个质量—弹簧—阻尼系统。70年代以后，为制订弹射过载和开伞过载的人体耐限标准及测量方法，从事航空救生工作的科研人员，对人体的频率响应尤其是人体脊柱的频率响应，进行了广泛的实验研究[3～5]。结果表明坐姿、立姿时沿人体脊柱方向(Z轴)可出现3个共振峰：第一个共振峰在4～6 Hz，由人体最重要共振系统——胸腹系统和肩带的共振引起；第二个共振峰发生在9～14 Hz，涉及脊柱及其附属组织的共振；第三个共振峰在17～25 Hz范围，主要是头-颈-肩部位。手臂系统的共振发生在30～40 Hz范围。
人体受到X轴和Y轴振动时，共振发生在1～2 Hz。总之，大量试验表明，人体具有低频响应特性，频率响应低于50 Hz。
弹射过载和开伞过载特点
, 百拇医药
弹射过载是由弹射座椅弹射动力(弹射筒、火箭包等)通过座椅和背带系统作用于人体的冲击性加速度。作用时间在1 s以内，峰值在20 G左右，作用方向基本上沿人体脊柱方向。有研究表明[1]，当通过数学变换，将弹射过载变换到频域时，40～200 Hz时只有少量功率分布。但由于弹射筒(外筒与中筒、中筒与内筒分离)的特殊作用过程，采用40 Hz和80 Hz的滤波器时，使加速度波形失真，而采用160 Hz的滤波器时，却能反映弹射筒的特殊作用过程。
救生伞开伞过载是救生伞充气张开过程中通过伞背带系统作用于人体的冲击性加速度。作用时间在1 s以内，峰值在25 G左右，作用方向基本上沿人体脊柱方向。
座椅稳定伞是由射伞枪射出、伞充气张开过程中通过座椅和背带系统作用于人体的冲击性加速度。作用时间1 s以内，峰值30 G左右，作用方向基本上沿人体的胸背方向。
对有关型号救生伞和座椅稳定伞开伞过载频域分析表明，0～40 Hz的频率成分占90%，0～80 Hz的频率成分占97.2%，0～160 Hz的频率成分占100%。
, 百拇医药
数据处理方法分析
对弹射过载和开伞过载的大小、作用时间的判定，通常是在经低通滤波器后得到的加速度曲线上直接判读。而美军标MIL-S-18471G(AS)则是对采用低通滤波器后得到的加速度曲线再进行11点移动平均后判定，即：
这种处理方法，相当于将数据通过一个数字低通滤波器。该低通滤波器的频率响应H(ejω)=[(sin(11w/2)/sin(w/2)] /11。根据该式可得H(ejω)的幅频特性如图1所示。
图中ω=2πf/fsa，fsa为抽样频率。若采用ap=3 dB作为通带最大衰减，则通带截止频率ωp(用弧度表示)可由公式计算得ωp=0.254 rad。阻带最小衰减as若定义为as=20×lg|H(ej0)/h1|(其中h1为频率响应第一旁瓣的峰值)。可计算出as=13 dB及对应ω约为ω1=0.46438 rad。
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图1 H(ejω)的幅频特性(ωp=0.254弧度，ω1=0.46438弧度)
Fig.1 Amplitude and frequency characteristic of H(ejω)
由以上计算可知，在ω<0.254 rad时，衰减小于3 dB，可认为信号无损通过。在ω大于等于0.46438 rad时，衰减大于13 dB,可认为对信号有较强的抑制。
由公式ω=2πf/fsa可得到O|H(ejw)|O与f的关系。由于弹射过载和开伞过载的测量中抽样频率fsa一般为1000,故数字滤波器的通带截止频率ωp对应fp=ωp×fsa/(2π) ≈40 Hz,阻带最小衰减所对应频率为f1=0.46438×1000/(2π)≈74 Hz 。故而可知，当数据经过11点移动平均后，小于40 Hz的成分几乎无损通过，40 Hz与74 Hz之间的成分受到一定衰减，大于74 Hz的成分大部分被抑制。图2是用不同频带的测试系统测得的弹射加速度信号，说明了测试系统频带对被测信号的影响。
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图2 弹射加速度曲线及其功率谱图
Fig.2 Ejection acceleration and it power spectra
结 论
从人体的低频响应特性出发，结合弹射过载和开伞过载的特点，以及对军标数据处理方法的分析，当用于分析人体反应等问题时，采用0～80 Hz的低通滤波器即可；或采用0～200 Hz的低通滤波器并对测量数据进行11点移动平均处理。
[参考文献]
[1] GJB963-90 弹射加速度测试系统性能要求(及编制说明)[S].1990:1～5
[2] MIL-S-18471G(AS),System,Aircrew Automated Escape,Ejection Seat Type:General Specification For[S].1993,77～88
, http://www.100md.com
[3] 《航空军医》编委会编.航空医学[M].人民军医出版社,北京：1992:326～327
[4] CHENG Zi-long,HAN Yan-fang,ZENG Wen-yi et al.Human tolerance to landing impact (+Gz) in sitting position[J].Space Medicine & Medical Engineering,1997，10(5)：340～343
成自龙，韩延方，曾文艺等.人体坐姿着陆冲击(+Gz)耐限区间研究[J].航天医学与医学工程，1997，10(5)：340～343
[5] LIU Bingkun.Some problems in constructing human body impact dynamic model[J].Space Medicine & Medical Engineering，1996，9(5)：381～384
刘炳坤.人体冲击动力学模型研究中的若干问题[J].航天医学与医学工程，1996，9(5)：381～384
收稿日期：1999-06-01, http://www.100md.com
单位：空军航空医学研究所，北京 100036
关键词：频率响应；弹射装置；过载测量；救生伞
航天医学与医学工程000214摘要： 目的 探讨弹射和开伞过载测量设备的频带问题。 方法 从人体的低频响应特性出发，结合弹射过载和开伞过载的具体情况，对测量数据采取特定处理方法进行分析。 结果 人体具有低频响应特性，频率响应低于50 Hz；弹射和开伞过载的频域在200 Hz内；美军标中11点移动平均的处理方法，对信号频率成分的影响是：小于40 Hz的成分几乎无损通过，40 Hz与74 Hz之间的成分受到一定衰减，大于74 Hz的成分大部分被抑制。 结论 当用于分析人体反应等问题时，采用0～80 Hz的低通滤波器即可；或采用0～200 Hz的低通滤波器并对测量数据进行11点移动平均处理。
中图分类号：V445.2 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0140-03
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Analyse of Frequency Band in Acceleration Measurments during Ejection and Parachuting.
WU ming-lei,LI Bao-hui.
Abstract: Objective To describe and determine the freqency band in the acceleration measurments during ejection and parachuting. Method Comprehensive review of literatures and analysis of the data procedure in the MIL-S-18471G(AS). Result The human body has a low frequency response which is less than 50Hz .The frequency band of acceleration of ejection and parachuting is within 200Hz. The moving average procedure of 11 data in the MIL-S-18471G(AS) allow the frequency components below 40Hz to pass,but attenuated the frequency components between 40 and 74Hz,and supressed the frequency components over 74Hz. Conclusion When the measurments are used for the analysis of human body response, the frequency low pass filter may be 0～80 Hz or 0～200 Hz with the moving average procedure of 11 data.
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Key words:frequency response;catapults;acceleration measurement;escape parachutes
弹射和开伞过载的测量，从我国自行研制火箭弹射座椅开始，已有30余年的历史，对装备研制、鉴定和使用起到了重要作用。对测量设备的频带要求，最早定为0～35 Hz；后又定为0～80 Hz及0～160 Hz[1]。弹射过载和开伞过载是体现装备性能和人体耐受能力的重要指标。测量设备频带直接影响到过载信息的内涵，并与波形畸变密切相关。 而美国军用标准MIL-S-18471G(AS)定为0～200 Hz，同时对测量数据采取11点移动平均的处理方法[2]。测量设备的频带定多大，有着不同的看法。加之采用不同的数据处理方法，使这个问题又复杂化。作者认为，决定测量设备的频带大小的因素主要有两方面，一是人体的频率响应特性，二是被测量信号的频率成分。本文探讨了美军标中11点移动平均的处理方法对信号频率成分的影响。
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人体的频率响应特性
人体作为一个力学系统，可近似地用一个线性集总参数系统模型来描述，即单个质量—弹簧—阻尼系统或多个质量—弹簧—阻尼系统。70年代以后，为制订弹射过载和开伞过载的人体耐限标准及测量方法，从事航空救生工作的科研人员，对人体的频率响应尤其是人体脊柱的频率响应，进行了广泛的实验研究[3～5]。结果表明坐姿、立姿时沿人体脊柱方向(Z轴)可出现3个共振峰：第一个共振峰在4～6 Hz，由人体最重要共振系统——胸腹系统和肩带的共振引起；第二个共振峰发生在9～14 Hz，涉及脊柱及其附属组织的共振；第三个共振峰在17～25 Hz范围，主要是头-颈-肩部位。手臂系统的共振发生在30～40 Hz范围。
人体受到X轴和Y轴振动时，共振发生在1～2 Hz。总之，大量试验表明，人体具有低频响应特性，频率响应低于50 Hz。
弹射过载和开伞过载特点
, 百拇医药
弹射过载是由弹射座椅弹射动力(弹射筒、火箭包等)通过座椅和背带系统作用于人体的冲击性加速度。作用时间在1 s以内，峰值在20 G左右，作用方向基本上沿人体脊柱方向。有研究表明[1]，当通过数学变换，将弹射过载变换到频域时，40～200 Hz时只有少量功率分布。但由于弹射筒(外筒与中筒、中筒与内筒分离)的特殊作用过程，采用40 Hz和80 Hz的滤波器时，使加速度波形失真，而采用160 Hz的滤波器时，却能反映弹射筒的特殊作用过程。
救生伞开伞过载是救生伞充气张开过程中通过伞背带系统作用于人体的冲击性加速度。作用时间在1 s以内，峰值在25 G左右，作用方向基本上沿人体脊柱方向。
座椅稳定伞是由射伞枪射出、伞充气张开过程中通过座椅和背带系统作用于人体的冲击性加速度。作用时间1 s以内，峰值30 G左右，作用方向基本上沿人体的胸背方向。
对有关型号救生伞和座椅稳定伞开伞过载频域分析表明，0～40 Hz的频率成分占90%，0～80 Hz的频率成分占97.2%，0～160 Hz的频率成分占100%。
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数据处理方法分析
对弹射过载和开伞过载的大小、作用时间的判定，通常是在经低通滤波器后得到的加速度曲线上直接判读。而美军标MIL-S-18471G(AS)则是对采用低通滤波器后得到的加速度曲线再进行11点移动平均后判定，即：
这种处理方法，相当于将数据通过一个数字低通滤波器。该低通滤波器的频率响应H(ejω)=[(sin(11w/2)/sin(w/2)] /11。根据该式可得H(ejω)的幅频特性如图1所示。
图中ω=2πf/fsa，fsa为抽样频率。若采用ap=3 dB作为通带最大衰减，则通带截止频率ωp(用弧度表示)可由公式计算得ωp=0.254 rad。阻带最小衰减as若定义为as=20×lg|H(ej0)/h1|(其中h1为频率响应第一旁瓣的峰值)。可计算出as=13 dB及对应ω约为ω1=0.46438 rad。
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图1 H(ejω)的幅频特性(ωp=0.254弧度，ω1=0.46438弧度)
Fig.1 Amplitude and frequency characteristic of H(ejω)
由以上计算可知，在ω<0.254 rad时，衰减小于3 dB，可认为信号无损通过。在ω大于等于0.46438 rad时，衰减大于13 dB,可认为对信号有较强的抑制。
由公式ω=2πf/fsa可得到O|H(ejw)|O与f的关系。由于弹射过载和开伞过载的测量中抽样频率fsa一般为1000,故数字滤波器的通带截止频率ωp对应fp=ωp×fsa/(2π) ≈40 Hz,阻带最小衰减所对应频率为f1=0.46438×1000/(2π)≈74 Hz 。故而可知，当数据经过11点移动平均后，小于40 Hz的成分几乎无损通过，40 Hz与74 Hz之间的成分受到一定衰减，大于74 Hz的成分大部分被抑制。图2是用不同频带的测试系统测得的弹射加速度信号，说明了测试系统频带对被测信号的影响。
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图2 弹射加速度曲线及其功率谱图
Fig.2 Ejection acceleration and it power spectra
结 论
从人体的低频响应特性出发，结合弹射过载和开伞过载的特点，以及对军标数据处理方法的分析，当用于分析人体反应等问题时，采用0～80 Hz的低通滤波器即可；或采用0～200 Hz的低通滤波器并对测量数据进行11点移动平均处理。
[参考文献]
[1] GJB963-90 弹射加速度测试系统性能要求(及编制说明)[S].1990:1～5
[2] MIL-S-18471G(AS),System,Aircrew Automated Escape,Ejection Seat Type:General Specification For[S].1993,77～88
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[3] 《航空军医》编委会编.航空医学[M].人民军医出版社,北京：1992:326～327
[4] CHENG Zi-long,HAN Yan-fang,ZENG Wen-yi et al.Human tolerance to landing impact (+Gz) in sitting position[J].Space Medicine & Medical Engineering,1997，10(5)：340～343
成自龙，韩延方，曾文艺等.人体坐姿着陆冲击(+Gz)耐限区间研究[J].航天医学与医学工程，1997，10(5)：340～343
[5] LIU Bingkun.Some problems in constructing human body impact dynamic model[J].Space Medicine & Medical Engineering，1996，9(5)：381～384
刘炳坤.人体冲击动力学模型研究中的若干问题[J].航天医学与医学工程，1996，9(5)：381～384
收稿日期：1999-06-01, http://www.100md.com