Response of the human body to vertical vibration : critical assessment of the frequency weighting curve for comfort evaluation of a railway vehicle

UNI EN 12299 is the currently in-role standard that quantifies the effects of a railway vehicle body motions on ride comfort. The method to evaluate the level of ride comfort uses a weighted acceleration curve that considers human comfort sensitivity to vibration. Nowadays, frequency weightings for predicting vibration discomfort assume the same frequency-dependence at all magnitudes of vibration, whereas biodynamic studies show that the frequency-dependence of the human body depends on the magnitude of vibration. This study investigates how the frequency weighting curve for vertical vibrations Wb depends on magnitude, other than on frequency of excitation. Using a test bench with a deformable mechanical structure replicating a real train, the magnitude estimation technique, and a group of 12 male subjects, the subjective comfort assessment has been performed. It was found that the equivalent comfort contours in the frequency range 12-27 Hz depend on the magnitude of vibration. Two frequency weighting curves for low and medium amplitude of excitations were determined. In particular, lower vibration amplitudes are seen to produce more discomfortable sensations. This research activity introduces an innovation aspect: studies aimed at characterizing the frequency weighting curve are not only feasible using rigid structures, but also with deformable ones. A further experimental phase replicating in-line signals allowed the mutual evaluation of subjective comfort feelings and comfort indices. The obtained frequency weighting curves allowed the computation of the test bench specific mean and complete comfort indices. The complete comfort indices showed better accordance with the subjects' comfort qualitative evaluations. During the tests, the subjects' biodynamic response to vibration in the specific test bench case was measured and stored in terms of transmissibility.

La norma UNI EN 12299, attualmente in vigore, quantifica gli effetti dei movimenti della carrozzeria di un veicolo ferroviario sul comfort percepito dal passeggero. Il metodo per valutare il livello di comfort proposto dalla norma si basa sull’utilizzo di curve di ponderazione in frequenza in grado di dare indicazione riguardo la sensibilità del corpo umano al comfort vibrazionale. Le curve di ponderazione attualmente impiegate per predire il discomfort derivante delle vibrazioni non dipendono dall’ampiezza di stimolazione. Recenti studi hanno invece mostrato che la dipendenza dalla frequenza cambia con l’ampiezza delle vibrazioni. Questo studio propone una valutazione critica della norma UNI EN 12299 in termini di investigazione della dipendenza dall’ampiezza della curva di ponderazione Wb per vibrazioni trasmesse in direzione verticale. Utilizzando un banco prova costituito da una struttura deformabile rappresentativa di un vero treno, la tecnica della valutazione d’ampiezza relativa ed un gruppo di 12 soggetti maschi, è stata indagata la valutazione soggettiva del comfort. Si è trovato che le curve di comfort equivalente dipendono dall’ampiezza delle vibrazioni nel range di frequenze 12-27 Hz. Due curve di ponderazione in frequenza per basse e medie ampiezze di stimolazione sono state calcolate. Inoltre, è stato dimostrato che più basse ampiezze di vibrazione producono sensazioni meno confortevoli. L’aspetto innovativo proposto dallo studio consiste nell’affermare la possibilità di condurre test mirati alla caratterizzazione delle curve di ponderazione pur utilizzando una struttura meccanica deformabile. Durante un’ulteriore fase sperimentale, sul banco prova sono stati riprodotti stimoli simili a quelli dei treni di linea, rendendo possibile la correlazione tra le sensazioni soggettive di comfort espresse dai soggetti testati e gli indici di comfort calcolati. Le curve di ponderazione in frequenza che sono state ottenute hanno permesso di calcolare gli indici di comfort medio e completo specifici per il banco prova adottato. Rispetto agli indici medi, gli indici di comfort completi si sono dimostrati più consoni alle valutazioni qualitative di comfort dei soggetti. Durante le prove sperimentali, la risposta del corpo umano alle vibrazioni sullo specifico banco prova è stata misurata in termini di trasmissibilità.