面向卫浴产品设计的人体沐浴温觉研究

倪敏娜， 孙志宏， 彭础琦， 黄思哲

(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

面向卫浴产品设计的人体沐浴温觉研究

倪敏娜， 孙志宏， 彭础琦， 黄思哲

(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

为了提高现代卫浴产品的使用性能和用户舒适度，在特定试验条件下，从心理物理学方面入手，采用数量估计和统计分析等方法，对用户沐浴舒适水温范围的测量、静动态水的温度感知对比、实际水温与水温感受值之间的关系进行了试验设计和定量分析，确认了相关函数关系式．通过史蒂文斯定律验证试验结果，证实了函数关系式的有效性．

卫浴产品； 沐浴温觉； 史蒂文斯定律； 数量估计法

随着我国居民整体生活水平的提升，人们对于卫生洁具产品的需求理念、质量和数量都在日益提升．根据中国建筑材料工业规划研究院和工信部的相关统计数据，2015年我国卫生洁具行业的年产销量达到2亿件以上，其中水龙头类产品销量占比最高，约占总销售量的57%．目前针对水龙头产品的设计研究和应用多侧重于功能结构、材质、造型等．如文献[1]依托质量功能展开理论，探讨了顾客对水龙头功能特征的需求．文献[2]利用感性工学方法对水龙头外观设计风格进行了分析．文献[3]通过行为和心理学分析设计了适用于儿童的沐浴水温提示仪．而对于水龙头产品使用过程中，用户的实际感知和舒适度的定量研究却相对缺失．根据史蒂文斯定律和其他心理物理学理论表明[4]，人体的感觉强度与接受到的外界刺激强度并不呈一次函数关系．这意味着在传统水龙头的调温过程中，如果等量地调节水龙头把手角度或水温，相应的用户体验水温变化感知反馈却是不等量的甚至是突变的，这无疑会直接影响使用者的舒适度，甚至会造成不同程度的生理伤害．用户舒适水温感受度和用户体验水温与实际水温控制的差异值，是影响卫浴产品人机交互和用户体验的关键内容，也是衡量卫浴产品设计水平的重要指标．目前，关于人体温度感觉方面的研究多集中于服装、室温等因素对人体热舒适度的影响[5-6]．在这些关于人体温度感觉的研究中使用到的研究工具包括人体热平衡方程，以及研究室内热环境时广泛使用到的热舒适模型指标等．但上述研究工具多适用于温度和湿度变化不大的稳定室内环境，而使用此类室内环境分析工具对温度和湿度频繁发生变化的浴室内动态环境进行分析会造成结果的不准确，无法为提高现有卫浴产品的阀芯、结构等设计提供数据参考。

针对上述问题，本文基于史蒂文斯定律和数量估计法，试验测定并分析使用者的沐浴舒适水温范围，通过对不同状态下使用者对水的温度感觉对比，确定了在该范围内使用者对水温的心理感受值与实际水温的函数关系．该研究结果将为改善水龙头产品阀芯设计、提高卫浴产品人机交互体验和卫浴产品设计水平等提供理论依据．

1 研究流程与方法

本文基于史蒂文斯定律和数量估计法，通过试验获取适宜水温数值，建立人体水温感受和实际温度关系函数方程式，其研究流程和框架如图1所示．首先，通过人体热平衡方程和牛顿冷却定律，筛选试验关键要素；其次利用数量估计法采集试验相关数据，测定在特定试验环境条件下，受试者对水温感受的心理量与实际水温的物理量之间的关系，并对其进行统计分析；将试验结果与史蒂文斯定律进行比对，建立并验证了本试验环境下的实际水温与感受水温值之间的函数关系式．

图1 研究流程图Fig．1 Framework of research process

1．1史蒂文斯定律

20世纪50年代，美国心理学家史蒂文斯提出了心理量并不随刺激量对数的上升而上升，而是随刺激量的乘方函数而变化，即感觉到的大小是与刺激量的乘方成正比的，如式(1)所示．

S=bIa

(1)

式中：S为心理量；I为物理刺激量；b为常数；a为由感觉到的刺激强度决定的幂指数．

根据史蒂文斯定律，心理量与物理刺激量在一定范围内呈幂函数对应关系，而超过临界值时，随着刺激量的递增，心理量会发生不同速率的变化.史蒂文斯定律幂函数图如图2所示．这就意味着：与实际水温的变化率恒定相对的是使用者感知温度量变化率的突变性，这个变化是由感觉和刺激强度的变化引起的．

图2 史蒂文斯定律幂函数图Fig．2 Stevens law of power function

1．2试验要素的确认

根据人体在不同环境下热舒适度考察方法的研究[6-8]，参考人体热平衡方程S=M-W-R-C-E(其中：S为人体蓄热率；M为人体新陈代谢率；W为人体所做的机械功；R为皮肤的辐射散热量；C为皮肤的对流散热量；E为皮肤扩散蒸发、汗液蒸发及呼吸所造成的散热量)，可知影响人体温度感觉的主要外界因素包括环境的温度、湿度、空气流速等，但在浴室环境中这些因素与普通室内环境则有很大差别．考虑到人体沐浴时从热水中获取热量，参考由牛顿冷却定律推导的对流换热的计算公式q=h(Tw-Tf)(h为强制对流传热系数；Tw和Tf分别为固体表面和流体的温度)，确认影响人体沐浴时换热量的主要因素为水温和水流速．但是，由于试验条件等的限制，本次试验是在特定水流速下，测试了沐浴环境中人体对不同温度变化的感知和温度舒适度感觉值等．

1．3数量估计法

数量估计法是制作比例量表的一种直接方法[4]．该方法首先向被试者呈现一个标准刺激，然后以该主观值为标准，对其他随机顺序刺激的主观强度进行比对分析，最后计算出每组被试者对每个刺激量估计的几何平均数或中数.以刺激值为横坐标，感觉值为纵坐标，制成感觉比例量表．

2 试验与数据采集过程

2．1试验对象

作为前导性研究(pilot study)，试验招募了年龄20～25岁的青年受试者共40名，其中男性和女性各20名，所有被试者感觉神经正常，无神经系统疾病，无引起感觉障碍的因素和疾病等．

2．2试验材料

水温信号采集的硬件包括Testo 176-H1型高精度电子温湿度记录仪、HT-866 HCJYET型红外线测温仪和WST/DTM49型防水探针式温度表，温度和相对湿度的采样精度分别为±0．1 ℃和±1%．

2．3试验环境

本试验地点为上海，试验时间为5～7月，该时间段上海的环境情况：平均最高温度为28.0 ℃，平均最低温度为25．5 ℃，平均相对湿度为75%．本次试验在室内淋浴间中进行，该淋浴间面积为4．3 m2，采样时关闭门窗，将室内风速降为0．连续3 d于同一时间段将温湿度计放置于淋浴间内，在室内使用平均出水速度为150 mL/s的花洒持续放温度为38 ℃的热水，并使用排风扇进行排风，保持20 min后取出温湿度计得到读数．将3 d的数据取平均值，则试验环境测定结果：平均温度为29．5 ℃，平均相对湿度为91%．

2．4试验设计

由牛顿冷却定律可知，水在流动状态时，与人体接触面之间的热交换为强制对流换热，使人体感受到的温度比实际水温更热.由于使用者在沐浴情况下会接触静态和流动两种不同状态的温水，在试验过程中，需在对比流动温水的温度感受和静态温水的温度感受上，确认试验的水温评级标准．

(1) 受试人群在浴室环境内，使用出水流速平均为150 mL/s的花洒沐浴10 min，调节并记录下舒适范围内的最高和最低值水温.通过数据采集以及概率统计分析，得到置信水平为0．95时，人体感觉舒适水温的最低值的置信区间为(31.0±0．5)℃，最高值的置信区间为(42.0±0．2)℃．得到人体舒适水温范围大约为31～42 ℃．

(2) 静态和动态水的温度数据采集．受试者首先将整个手肘浸入静态的温水中5 s，记录温觉感受，然后在同室内调整沐浴流水的温度至感受相同，实时记录实际水温．每次实验间隔为10 min．采样温度根据前期测试结果，设定为31～42 ℃之间，取样温度每次升高1 ℃．

通过均值比对分析，在特定试验条件下，受试者对动态水31 ℃的水温感受与静态水32 ℃的水温感受相似，对动态水42 ℃的温度感受与静态水44 ℃的温度感受相似．在此基础上，运用数量估计方法，把静态水的温度标准刺激值设置为32、 38和44 ℃．

(3) 静态水的温度分级测试．让每位受试者感受32、 38和44 ℃的静态水温度作为标准刺激，并告知将3种温度分别对应为标准评级上的-3、 0和+3位置．

(4) 动态水的温度分级测试．让受试者分别在出水温度为30.0、32．5、35.0、37．5和40.0 ℃，出水流速均为150 mL/s的水龙头下沐浴5 s，由试验人员询问受试者对沐浴过程中的水温感受，让受试者使用-3～3范围内的任何数值描述自己感受到的流水温度在温度感受评级中的位置，并将其记录下来．随机安排受试者每次沐浴的水温顺序，以免受试者的期望值对试验结果产生影响．测定每位受试者沐浴舒适温度最高值和最低值．

(5) 记录被试者判断的水温评级，使用统计软件SPSS 19进行相关数据分析．

(6) 参照史蒂文斯定律，验证和分析试验结果．

3 试验结果分析

通过静态和动态水的温度分级测试，采集男性组和女性组不同受试者对水温判断值数据，分别取几何平均数，结果如表1所示．

表1实际水温与水温判断值关系
Table1Relationshipofactualtemperatureandjudgmenttemperature℃

实际水温30．032．535．037．540．0水温判断值男性31．8035．6537．8541．2044．85女性32．9035．8039．4542．6045．04平均32．3535．7338．6541．9044．95

将史蒂文斯定律S=bIa变形为lgS=algI+lgb，即若实际水温与判断水温的关系符合史蒂文斯定律呈现幂指数关系，则二者的对数应呈线性关系．为验证实际水温与水温判断值之间的关系是否符合史蒂文斯定律，将二者分别取对数，所得结果如表2所示．

表2 实际水温对数与水温判断值对数的关系Table 2 Logarithmic relationship of actual temperature and judgment temperature

以实际水温对数为纵坐标，水温判断值对数为纵坐标，使用SPSS 19软件进行线性曲线拟合，结果如图3所示．

图3 实际水温对数与水温判断值对数的关系Fig．3 Logarithmic relationship of actual temperature and judgment temperature

由图3可知，水温判断值对数与实际水温对数基本符合线性关系，参照史蒂文斯定律，得出本试验环境下的实际水温与感受水温值经验公式如式(2)所示.

lgS=1．138 lgI-0．170，S=0．676I1．138

(2)

由试验可知，在沐浴适宜水温范围内，男性受试者做出的感受水温判断值普遍低于女性受试者，这反映出男性对热水的敏感度相对女性而言较低．

将沐浴适宜水温数值代入式(2)进行检验后可知，当沐浴舒适最低水温为31 ℃时，人体感受水温为32．42 ℃；当沐浴舒适最高水温为42 ℃时，人体感受水温为44．98 ℃．此结果符合试验过程中受试者对相应水温的普遍感受值．

通过研究人体水温舒适度阈值和变化曲线，可为改进水龙头产品的性能和结构提供参考依据。以常见的滑板式阀芯为例，可依照人体温度感知变化的曲线对应改变阀芯孔的形状.比如用户在匀速旋转手柄时，在符合舒适温感阈值内，水温对应人体感知温度呈匀速对应变化；而接近或超过温度阈值的最大/最小值范围时，对应关系发生改变，呈不匀速对应变化，即用户需要旋转较大角度或增加调节时间才能达到最高/最低水温.配合机械结构设计改变水龙头在不同温度范围内的调节速率，可使用户有充分的时间适应水温并进行准确地调节，减少因过度调节而造成的安全隐患问题．与现有电子智能控温产品相比，在产品成本控制、生产和加工等方面，均具有极大优势.

4 结 语

本文在特定试验条件下，从心理物理学方面入手，采用数量估计和抽样统计等方法，对人体沐浴中舒适水温范围的测量、静态和动态水温的感知对比、实际水温与水温感受值之间的关系进行了研究，发现沐浴中物理水温与心理感受水温值基本符合史蒂文斯定律，呈现指数关系，并确认了相关函数关系，为卫浴产品的阀芯和结构设计、提高用户的温度感知和舒适度体验的定性研究提供理论支持．由于本文仅针对特定的环境和要素进行了试验，随着研究方法的不断改进，将进一步扩大不同人群和环境的试验样本数量、种类及范围，此外与之相关的设计试验将会在今后进一步进行展开和验证，提高其实际应用价值．

[1] 刘莉．基于QFD的水龙头概念设计方法研究[D]．广州：华南理工大学机械与汽车工程学院，2011．

[2] 鲍晨．基于感性工学的卫浴水龙头设计[D]．昆明：昆明理工大学艺术与传媒学院，2013．

[3] 周莉．基于体验设计下的儿童沐浴水温提示仪设计研究[D]．武汉：湖北工业大学艺术设计学院，2009．[4] 何俊锋．心理学定律的实效进路分析[J]．学术研究，2016(4)：47-50．

[5] 刘蔚巍．人体热舒适客观评价指标[J]．中南大学学报(自然科学版)，2011，42(2)：521-526 ．

[6] 徐小林．室内热环境对人体热舒适的影响[J]．重庆大学学报(自然科学版)，2005，28(4)：102-105 ．

[7] 谈美兰．夏季相对湿度和风速对人体热感觉的影响研究[D]．重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2012．

[8] 廖建科．温度突变的动态环境下人体热舒适研究[D]．重庆：重庆大学城市建设与环境工程学院，2013．

(责任编辑：徐惠华)

《东华大学学报(自然科学版)》征稿简则

《东华大学学报(自然科学版)》是由国家教育部主管、东华大学主办的以纺织、服装、纤维材料科学及相关学科为特色的学术性期刊(双月刊).从2008年起本刊栏目设有纤维与材料工程、纺织与服装工程、化学化工与生物工程、计算机与信息工程、机械与制造工程、环境科学与工程、经济与管理工程、基础科学，主要刊登本校师生的科学研究成果，适量刊登校外作者的优秀科技论文.本刊以高校师生、科研人员、工程技术人员及其他相关人员为读者对象.为保证刊物质量，根据国家标准和本刊的编排规则，特制定本简则.

1．来稿要求

(1) 来稿要求论点明确、数据可靠、逻辑严密、文字精炼.来稿必须包括题名、作者姓名、单位及邮编、中英文摘要和关键词(3～8个)、中国图书资料分类号、第一作者简介(包括姓名，出生年，性别，籍贯，职称，学位，目前主要从事的研究方向及E-mail地址)、正文、参考文献.在文稿的首页地脚处注明论文属何基金项目资助及项目编号.

(2) 论文摘要尽量写成报道性摘要，其内容独立于正文而存在，摘要内容应包括研究的目的、方法、结果、结论等要素，其长度一般在200字左右.中英文摘要一律采用第三人称表述，不要使用“本文”“作者”等作为主语.

(3) 论文篇幅(含图表)限7000字以内，科研简报限3000字.正文(含图表)中的量和单位的使用必须符合国家法定计量单位最新标准.文稿中外文字符的大小写、正斜体、黑白体、上下角标及易混淆的字母应打印清楚.

(4) 正文中标题：一级标题1， 2， …；二级标题1.1， 1.2， …；三级标题1.1.1， 1.1.2， …；引言不排序.

(5) 文中的图、表应有自明性，且随文出现.图、表应有中、英文名.插图须注意规范.如为坐标图，需用符号注明所表示的量(斜体)/单位(正体)；如为照片，须黑白分明、层次清晰.

(6) 参考文献应只列出作者查阅过的、最主要的且在正式刊物上发表过的文献.在正文中引用时用[1]， [2]， …顺序标注；在文末“参考文献”中，相应用[1]， [2]， …顺序标注，序号顶格写.

文后参考文献编排格式：

① 期刊：[序号]作者(姓前名后).题名[J].刊名(外文刊名可缩写),出版年,卷(期):起止页码.

② 专著:[序号]作者(姓前名后).书名[M].版本(第1版不写).出版地:出版者,出版年:起止页码.

③ 会议论文集:[序号]作者(姓前名后).题名[C]//编者.论文集名.出版地:出版者,出版年:起止页码.

④ 科技报告:[序号]作者(姓前名后).题名[R].报告题名,编号.出版地: 出版者,出版年:起止页码.

⑤ 学位论文:[序号]作者(姓前名后).题名[D].保存地点:保存单位,授予年份:页码.

⑥ 国际、国家标准:[序号] 主要责任者.标准编号,标准名称[S].出版地：出版者，出版年.

⑦ 专利文献:[序号] 专利申请者或所有者(姓前名后).专利题名：专利国别,专利号[P].出版日期.

⑧ 电子文献：[序号] 作者(姓前名后).题名[电子文献类型/标识](类型:数据库用DB,计算机程序用CP,电子公告用EB;标识:磁带用MT,磁盘用DK,光盘用CD,联机网络用OL).(发表或更新日期)[引用日期].电子文献的出处或可获得地址.建议在网址和相应的文献间建立起超链接.

文献作者3名以内全部列出,4名及以上只列前3名,后加“,等”或“,et al”.

2.编辑部与作者的约定

(1) 本刊可接受网上投稿，作者将稿件和作者登记表通过邮件发送至dhutougao@126.com，凡初审符合要求的稿件，校内稿件每篇收取200元审稿费(东华大学校内经费卡转账)，校外稿件每篇收取300元审稿费(将钱款邮汇到本刊编辑部).请勿一稿两投或多投.稿件经专家两审和编委复审通过同意发表,方可录用，对刊用稿件收取一定的发表费.凡不宜在本刊发表的稿件,编辑部将及时退还作者.如作者投稿4个月内未收到本刊编辑部任何通知,可自行处理稿件.

(2) 为了适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已被国内外文献索引、文摘和全文数据库收录，作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付.如作者不同意文章被收录，请在来稿时向本刊说明，本刊将做适当处理.

编辑部地址：上海市延安西路1882号东华大学学报(自然科学版)编辑部(200051)；电话：021-62373643, 62373724，传真：021-62373611；E-mail:dhutougao@126.com;网址： http://dhdz.cbpt.cnki.net.

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，讲师，博士研究生，研究方向为工业设计． E-mail： nimn@dhu．edu．cn

孙志宏(联系人)，女，教授， E-mail：zhsun@dhu．edu．cn