Vegetative Reaktionen des Menschen bei .Vegetative Reaktionen des Mensehen bei niederfrequenter Schwingungsbelastung

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  • Int. Z. angew. Physiol. einschl. Arbeitsphysiol. 21, 150--168 (1965)

    Aus dem Max Ptanek-Institut fiir Arbeitsphysiologie, Dortmund (Direktor: Prof. Dr. reed. G. L~HMn~r Abteilung: Dr.-Ing. R. Co~A~N)

    Vegetative Reaktionen des Mensehen bei niederfrequenter Schwingungsbelastung

    Von

    R. COERMANN~ A. 0KADA* und I. FRIEIANG

    Mit 7 Textabbildungen

    (Eingegangen am 4. Mai 1965)

    A. Problemstellung

    Seit den grundlegenden Untersuchungen von ]~EIIIER und MEISTER vor ca. 35 Jahren fiber die Empfindlichkeit des Mensehen gegen Er- schfitterungen wurde immer wieder versucht, Kurven gleicher Wahr- aehmlmgsst~rke ffir sinusf6rmige Schwingungen aufzustellen. Zuletzt befaBte sich in Deutschland DIECKMA~ a mit diesem Problem und stellte auf Grund yon physikalischen und physiologischen Messungen einen Belastungsmal3stab ffir vertikale Schwingtmgen auf. I)a die Industrie dringend Angaben ffir zul~ssige Schwingungsbelastungen ben6~igte, brachte der VI)I die Richtlinie 2057 ,,Beurteilung der Einwirkung me- chanischer Schwingungen auf den Mensehen" heraus, in der, basierend auf den Messungen yon DIECI~HA~, im Frequenzbereich yon 0,5 bis 80 Hz Kurven gleicher Wahrnehmungsstarke wiedergegeben sind. In dem Frequenzbeschleunigungs-Diagramm dieser RichtGlinie verlaufen die Kurven zwischen 0,5 und 6 Hz praktisch horizontal, d. h. es wird damit gesagt, dal3 in diesem Frequenzbereich die Wahrnehmung und Ertr~g- lichkeit meehanischer Schwingungen nut yon der Schwingungsbeschleu- nigung und nicht auch yon der Frequenz abhgngt. Ffir die VerhAltnisse in Fahrzeugen wfirde das z .B. bedeuten, dal3 Erschfitterungen mit dem Hauptenergieanteil bei 5 bis 6 Hz praktisch gleieh empfunden wfirden wie Erschfitterungen im Frequenzgebiet 0,5--2 Hz, wenn nur die mittleren Beschleunigungen beider Fahrzeuge gleich sind.

    I)iese Annahme widersprieh~ aber nicht nur der praktischen Er- fahrung, sondern aueh der Tai~sache, dai] der sitzende und si~ehende menschliche K6rper seine Grundeigenfrequenz zwischen 4 und 6 Hz und dai3 der Kopf nnd der Oberk6rper des Menschen bei vertikaler Schwin- gungserregung mit ca. 5 Hz in K6rperl/ingsachse zwei- bis dreimal so grol3e Schwingungsamplituden ausffihren k6nnen als die schwingungs-

    * Professor Dr. reed. A. OI~ADA, Sapporo lV[edical College, Japan.

  • Vegetative Reaktionen bei niederfrequenter SchwingungsbelasLung 151

    erregende Unterlagea, 1. Xhnlich wie bei einem einfaehen Schwingungs- system mit einer Eigenfrequenz yon 5 Hz und einem Dgmpfungsfaktor yon ca. 0,3, nehmen die lZelativversehiebungen der effektiven Massen im mensehliehen K6rper mit yon 0 ansteigender Frequenz his ca. 5 t Iz zu und fallen bis ca. 9 t lz wieder ab. Zwisehen 10 und 11 IIz liegt noch eine zweite ]~esonanz, die in diesem Frequenzgebiet noehmals einen leichten Anstieg der K6rperdehnungen hervorruft, i3ber 12 Hz erh/~lt man einen starken Abfall der Schwingungsfibertragung, so daG sich bei h6heren Frequenzen die Schwingungen praktisch nur noeh in den unteren Teil des K6rpers fortpflanzen.

    Andererseits dfirfte sichergestellt sein, dab die physiologische und psychologische Wirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen, zumindest bei Schwingungsst/irken, die in der Nghe der Toleranz- grenze liegen, eine Funktion der Relativverschiebung der effektiven Massen im menschlichen K6rper sindl, ~. Auch die absoluten Ertri~glich- keitsgrenzen fiir wenige Sekunden, 1 und 3 min haben zwischen 5 und 7 tIz die tiefsten Werte und zeigen gegen 1 Hz einen Anstieg um den Faktor 2--311,12. JA~EWAY 5 nahm ftir Fahrzeuge sogar eine fast sechs- fache ErhShung der Schwingungstoleranz yon 6 gegen 1 Hz an, w/ihrend SMITH 11. SNYD[EI~ 14 ffir Flugzeugpiloten eine um den Faktor 3 erh6hte Zulgssigkeit yon Flugzeugersehfitterungen yon 8 gegen 4 Hz fest- stellten. Dagegen nehmen GETLI~E a und LIPPERT 1~ an, daG die Schwin- gungstoleranz yon 1 bis 20 Hz proportional der Besehleunigung verl/~uft.

    Da in Fahrzeugen, besonders in Lastwagen, Traktoren, gaupen- sehleppern und anderen Arbeitsfahrzeugen, der gr6Bte Teil der Sehwin- gungsenergie im Frequenzbereieh zwisehen 1 und 10 Hz liegt, ist es wichtig zu wissen, ob zwisehen 1 und 6 FIz ein Untersehied in der phy- siologisehen und psyehologisehen Wirkung meehaniseher Sehwingungen mit gleicher Sehwingungsbesehleunigung besteht. Um der Beantwortnng dieser Frage n/~her zu kommen, wurden daher Versuehspersonen in sitzender Hal tung anniihernd sinusf6rmigen, vertikalen Sehwingungen ausgesetzt und ihre physiologischen und psyehologisehen Reaktionen bestimmt. Zwei physiologisehe Untersuehungsmethoden wurden dabei angewendet und ihre Ergebnisse mit den subjektiven Aussagen der Ver- suehspersonen vergliehen.

    B. Versuchsprogramm

    I. Schwingungs- und LSrmbelastung Als Schwingungsbelastung wurde eine anniihernd sinusfSrmige Sohwingung mit

    Frequenzen zwischen 1 und 12 Hz und einer Schwingungsbeschleunigung yon 0,3 0,05 g gew~Lhlt. Zur Erzeugung dieser Sehwingungen standen zwei Schiitteltische zur Verfiigung: Ein fiber einen Exzenter angetriebener Tisch fiir die Frequenzen yon 1 his 6 Hz und ein dutch Unwueht angetriebener Tiseh fiir die Frequenzen von 6 his 12 Hz. Infolge zu geringer Motorleistung und Tr~gheitsmomentes des rotieren-

  • 152 R. CO:ERlV~AlqN, n. OKADA und I. FI~I]~LI~G:

    den Antriebes waren die Schwingungon auf dem Exzenterschfitteltisch nieht so sinusfSrmig wie auf dem Unwuchtschfitte]tisch, so dab man mit gewissen Unter- schieden in der Wirkung derselben Froquenz auf beiden Sehfitteltisehen rechnen mugte. Es wurde doshalb die Froquenz 6 Hz auf beidon Schiitteltisehen gefahren, um so don EinfluB der Oberwellen festzustellen. Besondors bei don ~requenzen 1 und 6 Hz war auf dom Exzentersehii%eltiseh keine roine Sinusform der Beschleunigung zu erreiehen. Es war also bei diesen Frequenzen eino etwas abweiehende Wirkung der Schwingungen zu erwarten.

    Es wurden folgonde Frequenzen gefahren: a) auf dem Exzentersehiittoltiseh: 1, 9, 3, 4, 5 und 6 Hz, b) auf dem Unwuchtsehfittoltisch: 6, 8, 10 und 12 Hz. Die Vorsuchsdauer botrug jeweils 30 rain. Um den EildiUB des L~rms, den die

    Schfitteltische erzeugten, yon der Sehwingungswirkung separieren zu kSnnen, wurden die Versuehspersonen vor dem eigontliehen Schwingungsversuch ebonfalls ffir 30 min diesem Li~rm ausgesetzt, wobei eine ruhige, entspannte Lage in einem bequemen Liegestuhl eingohalten wurde. Das Ohr der Versuehsperson war dabei in ca. 1 In Entfernung yore Sehiitteltisch. Da die W~nde des Yersuehsraums schallhart waron, konnfe mit gleiehem Lgrmpegel wie beim Sehwingungsversuch goreehnet werden. Der Lgrmpegel botrug 80 5 dB bei allen Frequenzen.

    Der Sitz bestand aus einem sehwingungssteifon Stuhl mit senkrechter Lehne. Sitzflgehe und Lehne waren flaeh und ungepolstert. Die Lehne wurde meist nur im unteren Toil zur Abstfitzung des Bockens benutzt. Die H~nde ruhten auf einer raumfesfen Stfitze ungef~hr in Herzh5he. Die Vorsuehsperson wurde angewiesen, in aufrechfer aber nicht verkrampftor I-Ialtung zu sitzen und bei allen Versuchen m6gliehst die gleiehe Haltung innezuhalten.

    I I . Testmethoden

    Es wurden folgende Testmefhoden angewendet: 1. Registrierung der Fingerpulsamplitude mit dem Fingerpulsgeber nach

    T H u r ~ w o ~ / J A ~ s ~ 7 2. Bestimmung der Anzahl der eosinophilen Leukocyten pro Knbikmillimeter

    Blur vor dem Versuch, nach der L~rmbelastung und nach der Schwingungsbelastung. 3. Auswertung der subjektiven Aussagen fiber die Ertr~glichkeit der betreffen-

    den Schwingung. Zu 1.: Der Gedanke, vegetative Reaktionen als MaB ffir psychische Belastungen

    heranzuziehen, wird schon seit langer Zeit verfolgt. Als eine der ersten Methoden wurde der Hautwiderstand dazu herangezogen, da die SchweiBdrfisen in der t Iau t durch den Sympathicus aktiviert werden kSnnen, aueh dann, wenn wegen der erforderlichen W~Lrmeabgabe des KSrpers noch keine sichtbare Schweigabgabe erfolgen mug. Der Nachteil der Methode liegt aber in der Tatsaehe, daB die Dichte der SehweiBdrfisen in der Haut lokal sehr verschieden ist, so dab die Reaktion stark yon der MeBstelle abh~Lngt und dab auch unter den Elektroden infolge 5rflieher mangelnder W~rmeabgabe Transpiration auftreten kann, was den Hautwiderstand um GrSBenordnungen veriindert. Diese Schwierigkeiten kSnnen teilweise durch ~essungen der Hautkapazit~t an Stelle dos tIautwiderstandes gemildert werden, da hierbei die Leitf/~higkeif der Haut keine so groBe Rolle mehr spielt a. Trotzdem hat die Umgebungstemperatur immer noeh einen groBen EinfluB auf die MeBwerte und eine Transpiration unter den Elektroden mug auf jeden Fall vermieden werden.

    Die Untersuehungon yon L~m~rn~ s und JA~s~x 6 fiber die Beeinflussung des peripheren Kreislaufs durch Lgrmeinwirkung haben jedoeh gezoigt, dab aueh der periphere Widerstand ein 1KaB fiir die psychisehe Belastung durch ~uBere Reize sein kann. Da die dabei beobachtete Konfrak~ion der peripheren BlutgefgBe als

  • Vegetative Re~ktionen bei niederfrequenter Schwingungsbelastung 153

    allgemeine Abwehrreaktion gedeutet werden kann, war anzunehmen, dab eine Schwingungsbelastung eine ihnliehe l~eaktion hervorruft. Abet auch die Fingerpuls- amplitude ist yon tier Umgebungstemperatur und anderen physiologischen Fak- toren, wie z. B. dem Atemvolumen, in gewissen Grenzen abhgngig. Es war daher berechtigt, das vereinfachte Verfahren y o n TII~YTEWOHL/JAICSEN zur Registrierung der Fingerpulsamplitude anzuwenden, das zwar keine absoluten Werte des peri- pheren Widerstandes ergibt, abet doeh relative J~nderungen der peripheren Durch- blutung qualitativ erkennen l~Bt. Das Ger~t besteht im Prinzip aus einer einseitig eingespannten Feder, die auf beiden Seiten mit je einem DehnungsmeBstreifen be- klebt ist. Das freie Ende der Feder wird fiber eine halbkugelf6rmige ErhShung auf die Fingerk