面向衛(wèi)浴產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人體沐浴溫覺研究

倪敏娜， 孫志宏， 彭礎(chǔ)琦， 黃思哲

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

面向衛(wèi)浴產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人體沐浴溫覺研究

倪敏娜， 孫志宏， 彭礎(chǔ)琦， 黃思哲

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

為了提高現(xiàn)代衛(wèi)浴產(chǎn)品的使用性能和用戶舒適度，在特定試驗(yàn)條件下，從心理物理學(xué)方面入手，采用數(shù)量估計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析等方法，對用戶沐浴舒適水溫范圍的測量、靜動(dòng)態(tài)水的溫度感知對比、實(shí)際水溫與水溫感受值之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)和定量分析，確認(rèn)了相關(guān)函數(shù)關(guān)系式．通過史蒂文斯定律驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了函數(shù)關(guān)系式的有效性．

衛(wèi)浴產(chǎn)品； 沐浴溫覺； 史蒂文斯定律； 數(shù)量估計(jì)法

隨著我國居民整體生活水平的提升，人們對于衛(wèi)生潔具產(chǎn)品的需求理念、質(zhì)量和數(shù)量都在日益提升．根據(jù)中國建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院和工信部的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年我國衛(wèi)生潔具行業(yè)的年產(chǎn)銷量達(dá)到2億件以上，其中水龍頭類產(chǎn)品銷量占比最高，約占總銷售量的57%．目前針對水龍頭產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用多側(cè)重于功能結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、造型等．如文獻(xiàn)[1]依托質(zhì)量功能展開理論，探討了顧客對水龍頭功能特征的需求．文獻(xiàn)[2]利用感性工學(xué)方法對水龍頭外觀設(shè)計(jì)風(fēng)格進(jìn)行了分析．文獻(xiàn)[3]通過行為和心理學(xué)分析設(shè)計(jì)了適用于兒童的沐浴水溫提示儀．而對于水龍頭產(chǎn)品使用過程中，用戶的實(shí)際感知和舒適度的定量研究卻相對缺失．根據(jù)史蒂文斯定律和其他心理物理學(xué)理論表明[4]，人體的感覺強(qiáng)度與接受到的外界刺激強(qiáng)度并不呈一次函數(shù)關(guān)系．這意味著在傳統(tǒng)水龍頭的調(diào)溫過程中，如果等量地調(diào)節(jié)水龍頭把手角度或水溫，相應(yīng)的用戶體驗(yàn)水溫變化感知反饋卻是不等量的甚至是突變的，這無疑會(huì)直接影響使用者的舒適度，甚至?xí)斐刹煌潭鹊纳韨Γ脩羰孢m水溫感受度和用戶體驗(yàn)水溫與實(shí)際水溫控制的差異值，是影響衛(wèi)浴產(chǎn)品人機(jī)交互和用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵內(nèi)容，也是衡量衛(wèi)浴產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)．目前，關(guān)于人體溫度感覺方面的研究多集中于服裝、室溫等因素對人體熱舒適度的影響[5-6]．在這些關(guān)于人體溫度感覺的研究中使用到的研究工具包括人體熱平衡方程，以及研究室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)廣泛使用到的熱舒適模型指標(biāo)等．但上述研究工具多適用于溫度和濕度變化不大的穩(wěn)定室內(nèi)環(huán)境，而使用此類室內(nèi)環(huán)境分析工具對溫度和濕度頻繁發(fā)生變化的浴室內(nèi)動(dòng)態(tài)環(huán)境進(jìn)行分析會(huì)造成結(jié)果的不準(zhǔn)確，無法為提高現(xiàn)有衛(wèi)浴產(chǎn)品的閥芯、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

針對上述問題，本文基于史蒂文斯定律和數(shù)量估計(jì)法，試驗(yàn)測定并分析使用者的沐浴舒適水溫范圍，通過對不同狀態(tài)下使用者對水的溫度感覺對比，確定了在該范圍內(nèi)使用者對水溫的心理感受值與實(shí)際水溫的函數(shù)關(guān)系．該研究結(jié)果將為改善水龍頭產(chǎn)品閥芯設(shè)計(jì)、提高衛(wèi)浴產(chǎn)品人機(jī)交互體驗(yàn)和衛(wèi)浴產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平等提供理論依據(jù)．

1 研究流程與方法

本文基于史蒂文斯定律和數(shù)量估計(jì)法，通過試驗(yàn)獲取適宜水溫?cái)?shù)值，建立人體水溫感受和實(shí)際溫度關(guān)系函數(shù)方程式，其研究流程和框架如圖1所示．首先，通過人體熱平衡方程和牛頓冷卻定律，篩選試驗(yàn)關(guān)鍵要素；其次利用數(shù)量估計(jì)法采集試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，測定在特定試驗(yàn)環(huán)境條件下，受試者對水溫感受的心理量與實(shí)際水溫的物理量之間的關(guān)系，并對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；將試驗(yàn)結(jié)果與史蒂文斯定律進(jìn)行比對，建立并驗(yàn)證了本試驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)際水溫與感受水溫值之間的函數(shù)關(guān)系式．

圖1 研究流程圖Fig．1 Framework of research process

1．1史蒂文斯定律

20世紀(jì)50年代，美國心理學(xué)家史蒂文斯提出了心理量并不隨刺激量對數(shù)的上升而上升，而是隨刺激量的乘方函數(shù)而變化，即感覺到的大小是與刺激量的乘方成正比的，如式(1)所示．

S=bIa

(1)

式中：S為心理量；I為物理刺激量；b為常數(shù)；a為由感覺到的刺激強(qiáng)度決定的冪指數(shù)．

根據(jù)史蒂文斯定律，心理量與物理刺激量在一定范圍內(nèi)呈冪函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，而超過臨界值時(shí)，隨著刺激量的遞增，心理量會(huì)發(fā)生不同速率的變化.史蒂文斯定律冪函數(shù)圖如圖2所示．這就意味著：與實(shí)際水溫的變化率恒定相對的是使用者感知溫度量變化率的突變性，這個(gè)變化是由感覺和刺激強(qiáng)度的變化引起的．

圖2 史蒂文斯定律冪函數(shù)圖Fig．2 Stevens law of power function

1．2試驗(yàn)要素的確認(rèn)

根據(jù)人體在不同環(huán)境下熱舒適度考察方法的研究[6-8]，參考人體熱平衡方程S=M-W-R-C-E(其中：S為人體蓄熱率；M為人體新陳代謝率；W為人體所做的機(jī)械功；R為皮膚的輻射散熱量；C為皮膚的對流散熱量；E為皮膚擴(kuò)散蒸發(fā)、汗液蒸發(fā)及呼吸所造成的散熱量)，可知影響人體溫度感覺的主要外界因素包括環(huán)境的溫度、濕度、空氣流速等，但在浴室環(huán)境中這些因素與普通室內(nèi)環(huán)境則有很大差別．考慮到人體沐浴時(shí)從熱水中獲取熱量，參考由牛頓冷卻定律推導(dǎo)的對流換熱的計(jì)算公式q=h(Tw-Tf)(h為強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)；Tw和Tf分別為固體表面和流體的溫度)，確認(rèn)影響人體沐浴時(shí)換熱量的主要因素為水溫和水流速．但是，由于試驗(yàn)條件等的限制，本次試驗(yàn)是在特定水流速下，測試了沐浴環(huán)境中人體對不同溫度變化的感知和溫度舒適度感覺值等．

1．3數(shù)量估計(jì)法

數(shù)量估計(jì)法是制作比例量表的一種直接方法[4]．該方法首先向被試者呈現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激，然后以該主觀值為標(biāo)準(zhǔn)，對其他隨機(jī)順序刺激的主觀強(qiáng)度進(jìn)行比對分析，最后計(jì)算出每組被試者對每個(gè)刺激量估計(jì)的幾何平均數(shù)或中數(shù).以刺激值為橫坐標(biāo)，感覺值為縱坐標(biāo)，制成感覺比例量表．

2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集過程

2．1試驗(yàn)對象

作為前導(dǎo)性研究(pilot study)，試驗(yàn)招募了年齡20～25歲的青年受試者共40名，其中男性和女性各20名，所有被試者感覺神經(jīng)正常，無神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無引起感覺障礙的因素和疾病等．

2．2試驗(yàn)材料

水溫信號采集的硬件包括Testo 176-H1型高精度電子溫濕度記錄儀、HT-866 HCJYET型紅外線測溫儀和WST/DTM49型防水探針式溫度表，溫度和相對濕度的采樣精度分別為±0．1 ℃和±1%．

2．3試驗(yàn)環(huán)境

本試驗(yàn)地點(diǎn)為上海，試驗(yàn)時(shí)間為5～7月，該時(shí)間段上海的環(huán)境情況：平均最高溫度為28.0 ℃，平均最低溫度為25．5 ℃，平均相對濕度為75%．本次試驗(yàn)在室內(nèi)淋浴間中進(jìn)行，該淋浴間面積為4．3 m2，采樣時(shí)關(guān)閉門窗，將室內(nèi)風(fēng)速降為0．連續(xù)3 d于同一時(shí)間段將溫濕度計(jì)放置于淋浴間內(nèi)，在室內(nèi)使用平均出水速度為150 mL/s的花灑持續(xù)放溫度為38 ℃的熱水，并使用排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)，保持20 min后取出溫濕度計(jì)得到讀數(shù)．將3 d的數(shù)據(jù)取平均值，則試驗(yàn)環(huán)境測定結(jié)果：平均溫度為29．5 ℃，平均相對濕度為91%．

2．4試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由牛頓冷卻定律可知，水在流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，與人體接觸面之間的熱交換為強(qiáng)制對流換熱，使人體感受到的溫度比實(shí)際水溫更熱.由于使用者在沐浴情況下會(huì)接觸靜態(tài)和流動(dòng)兩種不同狀態(tài)的溫水，在試驗(yàn)過程中，需在對比流動(dòng)溫水的溫度感受和靜態(tài)溫水的溫度感受上，確認(rèn)試驗(yàn)的水溫評級標(biāo)準(zhǔn)．

(1) 受試人群在浴室環(huán)境內(nèi)，使用出水流速平均為150 mL/s的花灑沐浴10 min，調(diào)節(jié)并記錄下舒適范圍內(nèi)的最高和最低值水溫.通過數(shù)據(jù)采集以及概率統(tǒng)計(jì)分析，得到置信水平為0．95時(shí)，人體感覺舒適水溫的最低值的置信區(qū)間為(31.0±0．5)℃，最高值的置信區(qū)間為(42.0±0．2)℃．得到人體舒適水溫范圍大約為31～42 ℃．

(2) 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)水的溫度數(shù)據(jù)采集．受試者首先將整個(gè)手肘浸入靜態(tài)的溫水中5 s，記錄溫覺感受，然后在同室內(nèi)調(diào)整沐浴流水的溫度至感受相同，實(shí)時(shí)記錄實(shí)際水溫．每次實(shí)驗(yàn)間隔為10 min．采樣溫度根據(jù)前期測試結(jié)果，設(shè)定為31～42 ℃之間，取樣溫度每次升高1 ℃．

通過均值比對分析，在特定試驗(yàn)條件下，受試者對動(dòng)態(tài)水31 ℃的水溫感受與靜態(tài)水32 ℃的水溫感受相似，對動(dòng)態(tài)水42 ℃的溫度感受與靜態(tài)水44 ℃的溫度感受相似．在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)量估計(jì)方法，把靜態(tài)水的溫度標(biāo)準(zhǔn)刺激值設(shè)置為32、 38和44 ℃．

(3) 靜態(tài)水的溫度分級測試．讓每位受試者感受32、 38和44 ℃的靜態(tài)水溫度作為標(biāo)準(zhǔn)刺激，并告知將3種溫度分別對應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)評級上的-3、 0和+3位置．

(4) 動(dòng)態(tài)水的溫度分級測試．讓受試者分別在出水溫度為30.0、32．5、35.0、37．5和40.0 ℃，出水流速均為150 mL/s的水龍頭下沐浴5 s，由試驗(yàn)人員詢問受試者對沐浴過程中的水溫感受，讓受試者使用-3～3范圍內(nèi)的任何數(shù)值描述自己感受到的流水溫度在溫度感受評級中的位置，并將其記錄下來．隨機(jī)安排受試者每次沐浴的水溫順序，以免受試者的期望值對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響．測定每位受試者沐浴舒適溫度最高值和最低值．

(5) 記錄被試者判斷的水溫評級，使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析．

(6) 參照史蒂文斯定律，驗(yàn)證和分析試驗(yàn)結(jié)果．

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)水的溫度分級測試，采集男性組和女性組不同受試者對水溫判斷值數(shù)據(jù)，分別取幾何平均數(shù)，結(jié)果如表1所示．

表1實(shí)際水溫與水溫判斷值關(guān)系
Table1Relationshipofactualtemperatureandjudgmenttemperature℃

實(shí)際水溫30．032．535．037．540．0水溫判斷值男性31．8035．6537．8541．2044．85女性32．9035．8039．4542．6045．04平均32．3535．7338．6541．9044．95

將史蒂文斯定律S=bIa變形為lgS=algI+lgb，即若實(shí)際水溫與判斷水溫的關(guān)系符合史蒂文斯定律呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系，則二者的對數(shù)應(yīng)呈線性關(guān)系．為驗(yàn)證實(shí)際水溫與水溫判斷值之間的關(guān)系是否符合史蒂文斯定律，將二者分別取對數(shù)，所得結(jié)果如表2所示．

表2 實(shí)際水溫對數(shù)與水溫判斷值對數(shù)的關(guān)系Table 2 Logarithmic relationship of actual temperature and judgment temperature

以實(shí)際水溫對數(shù)為縱坐標(biāo)，水溫判斷值對數(shù)為縱坐標(biāo)，使用SPSS 19軟件進(jìn)行線性曲線擬合，結(jié)果如圖3所示．

圖3 實(shí)際水溫對數(shù)與水溫判斷值對數(shù)的關(guān)系Fig．3 Logarithmic relationship of actual temperature and judgment temperature

由圖3可知，水溫判斷值對數(shù)與實(shí)際水溫對數(shù)基本符合線性關(guān)系，參照史蒂文斯定律，得出本試驗(yàn)環(huán)境下的實(shí)際水溫與感受水溫值經(jīng)驗(yàn)公式如式(2)所示.

lgS=1．138 lgI-0．170，S=0．676I1．138

(2)

由試驗(yàn)可知，在沐浴適宜水溫范圍內(nèi)，男性受試者做出的感受水溫判斷值普遍低于女性受試者，這反映出男性對熱水的敏感度相對女性而言較低．

將沐浴適宜水溫?cái)?shù)值代入式(2)進(jìn)行檢驗(yàn)后可知，當(dāng)沐浴舒適最低水溫為31 ℃時(shí)，人體感受水溫為32．42 ℃；當(dāng)沐浴舒適最高水溫為42 ℃時(shí)，人體感受水溫為44．98 ℃．此結(jié)果符合試驗(yàn)過程中受試者對相應(yīng)水溫的普遍感受值．

通過研究人體水溫舒適度閾值和變化曲線，可為改進(jìn)水龍頭產(chǎn)品的性能和結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。以常見的滑板式閥芯為例，可依照人體溫度感知變化的曲線對應(yīng)改變閥芯孔的形狀.比如用戶在勻速旋轉(zhuǎn)手柄時(shí)，在符合舒適溫感閾值內(nèi)，水溫對應(yīng)人體感知溫度呈勻速對應(yīng)變化；而接近或超過溫度閾值的最大/最小值范圍時(shí)，對應(yīng)關(guān)系發(fā)生改變，呈不勻速對應(yīng)變化，即用戶需要旋轉(zhuǎn)較大角度或增加調(diào)節(jié)時(shí)間才能達(dá)到最高/最低水溫.配合機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變水龍頭在不同溫度范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)速率，可使用戶有充分的時(shí)間適應(yīng)水溫并進(jìn)行準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)，減少因過度調(diào)節(jié)而造成的安全隱患問題．與現(xiàn)有電子智能控溫產(chǎn)品相比，在產(chǎn)品成本控制、生產(chǎn)和加工等方面，均具有極大優(yōu)勢.

4 結(jié) 語

本文在特定試驗(yàn)條件下，從心理物理學(xué)方面入手，采用數(shù)量估計(jì)和抽樣統(tǒng)計(jì)等方法，對人體沐浴中舒適水溫范圍的測量、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)水溫的感知對比、實(shí)際水溫與水溫感受值之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)沐浴中物理水溫與心理感受水溫值基本符合史蒂文斯定律，呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，并確認(rèn)了相關(guān)函數(shù)關(guān)系，為衛(wèi)浴產(chǎn)品的閥芯和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高用戶的溫度感知和舒適度體驗(yàn)的定性研究提供理論支持．由于本文僅針對特定的環(huán)境和要素進(jìn)行了試驗(yàn)，隨著研究方法的不斷改進(jìn)，將進(jìn)一步擴(kuò)大不同人群和環(huán)境的試驗(yàn)樣本數(shù)量、種類及范圍，此外與之相關(guān)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)將會(huì)在今后進(jìn)一步進(jìn)行展開和驗(yàn)證，提高其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．

[1] 劉莉．基于QFD的水龍頭概念設(shè)計(jì)方法研究[D]．廣州：華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，2011．

[2] 鮑晨．基于感性工學(xué)的衛(wèi)浴水龍頭設(shè)計(jì)[D]．昆明：昆明理工大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，2013．

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(責(zé)任編輯：徐惠華)

《東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》征稿簡則

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文后參考文獻(xiàn)編排格式：

① 期刊：[序號]作者(姓前名后).題名[J].刊名(外文刊名可縮寫),出版年,卷(期):起止頁碼.

② 專著:[序號]作者(姓前名后).書名[M].版本(第1版不寫).出版地:出版者,出版年:起止頁碼.

③ 會(huì)議論文集:[序號]作者(姓前名后).題名[C]//編者.論文集名.出版地:出版者,出版年:起止頁碼.

④ 科技報(bào)告:[序號]作者(姓前名后).題名[R].報(bào)告題名,編號.出版地: 出版者,出版年:起止頁碼.

⑤ 學(xué)位論文:[序號]作者(姓前名后).題名[D].保存地點(diǎn):保存單位,授予年份:頁碼.

⑥ 國際、國家標(biāo)準(zhǔn):[序號] 主要責(zé)任者.標(biāo)準(zhǔn)編號,標(biāo)準(zhǔn)名稱[S].出版地：出版者，出版年.

⑦ 專利文獻(xiàn):[序號] 專利申請者或所有者(姓前名后).專利題名：專利國別,專利號[P].出版日期.

⑧ 電子文獻(xiàn)：[序號] 作者(姓前名后).題名[電子文獻(xiàn)類型/標(biāo)識](類型:數(shù)據(jù)庫用DB,計(jì)算機(jī)程序用CP,電子公告用EB;標(biāo)識:磁帶用MT,磁盤用DK,光盤用CD,聯(lián)機(jī)網(wǎng)絡(luò)用OL).(發(fā)表或更新日期)[引用日期].電子文獻(xiàn)的出處或可獲得地址.建議在網(wǎng)址和相應(yīng)的文獻(xiàn)間建立起超鏈接.

文獻(xiàn)作者3名以內(nèi)全部列出,4名及以上只列前3名,后加“,等”或“,et al”.

2.編輯部與作者的約定

(1) 本刊可接受網(wǎng)上投稿，作者將稿件和作者登記表通過郵件發(fā)送至dhutougao@126.com，凡初審符合要求的稿件，校內(nèi)稿件每篇收取200元審稿費(fèi)(東華大學(xué)校內(nèi)經(jīng)費(fèi)卡轉(zhuǎn)賬)，校外稿件每篇收取300元審稿費(fèi)(將錢款郵匯到本刊編輯部).請勿一稿兩投或多投.稿件經(jīng)專家兩審和編委復(fù)審?fù)ㄟ^同意發(fā)表,方可錄用，對刊用稿件收取一定的發(fā)表費(fèi).凡不宜在本刊發(fā)表的稿件,編輯部將及時(shí)退還作者.如作者投稿4個(gè)月內(nèi)未收到本刊編輯部任何通知,可自行處理稿件.

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ResearchofBathTemperatureSensetoDeveloptheDesignofBathroomProducts

NIMinna，SUNZhihong，PENGChuqi，HUANGSizhe

(College of Mechanical Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China)

In order to improve usability and user’s comfort of modern bathroom products， a complex method of quantity estimation and sampling statistics is used to analyze the user’s comfortable water temperature range of bath， the static and dynamic water temperature perception， the relationship of the user’s experience and the water temperature． The formula of correlation function is compared by the Stevens’s law and is confirmed availability．

bathroom product； the feeling of bath temperature； Stevens’s law； method of magnitude estimation

TB 472

A

1671-0444 (2017)04-0603-04

2017-01-01

倪敏娜(1977—)，女，浙江余姚人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)． E-mail： nimn@dhu．edu．cn

孫志宏(聯(lián)系人)，女，教授， E-mail：zhsun@dhu．edu．cn