鞏泉泉，竇丹丹，謝連科，王 坤，張國英

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

火電廠、抽水蓄能電站等都有大量產(chǎn)生高噪聲的生產(chǎn)設(shè)備［1-5］；產(chǎn)生的噪聲可達(dá)100 dB 以上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員聽力造成嚴(yán)重?fù)p傷［6-8］。為了保護(hù)處于噪聲環(huán)境中的作業(yè)人員的聽力，必須采取適當(dāng)?shù)穆犃ΡＷo(hù)措施［9-10］。佩戴護(hù)聽器是火電廠、抽水蓄能電站等最常見的聽力保護(hù)措施［11-12］。護(hù)聽器通過阻隔噪聲進(jìn)入外耳道，使到達(dá)人耳的噪聲水平低于職業(yè)接觸限值，幫助降低噪聲危害［13-14］。當(dāng)作業(yè)環(huán)境噪聲對(duì)聽力有害但并不強(qiáng)烈時(shí)，佩戴合適的護(hù)聽器既能達(dá)到保護(hù)聽力的目的，也能大大降低生產(chǎn)設(shè)備改造成本［15-16］。護(hù)聽器目前在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在人耳減少噪聲影響方面發(fā)揮著重要作用［17-18］。

目前，用于驗(yàn)證護(hù)聽器適用性的方法主要為主觀方法和客觀方法。聲學(xué)測(cè)試ISO 系列標(biāo)準(zhǔn)是基于護(hù)聽器聲學(xué)性能評(píng)價(jià)的三種方法制定的，分別為真耳聽閾衰減（Real Ear Attenuation at Threshold，REAT）、真耳內(nèi)置傳聲器（Microphone In Real Ear，MIRE）和專用聲學(xué)測(cè)試裝置（Acoustic Test Fixture，ATF）［19-20］。其中，真耳聽閾衰減是主觀方法，真耳內(nèi)置傳聲器和專用聲學(xué)測(cè)試裝置是客觀方法。本研究中，根據(jù)真耳內(nèi)置傳聲器法開發(fā)了一套可以客觀測(cè)試護(hù)聽器插入損失的設(shè)備，并探討其影響因素及可行性。

1 真耳內(nèi)置傳聲器法

真耳內(nèi)置傳聲器法是在真人耳道內(nèi)放置麥克風(fēng)收集聲音信號(hào)來取代鼓膜的響應(yīng)，該方法已在實(shí)驗(yàn)室中使用了很多年。并在美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE，ANSI）制定的ANSI 標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了描述。目前已在該領(lǐng)域中用作MIRE，大多數(shù)情況下用于帶電路的護(hù)聽器在電路開啟狀態(tài)下的性能評(píng)價(jià)。

MIRE 是與REAT 方法類似的客觀評(píng)價(jià)方法，只是在測(cè)試過程中，用麥克風(fēng)收集耳道內(nèi)的聲量而不是依靠人的感覺。使用MIRE 方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以使用一個(gè)帶柔軟纖細(xì)的探測(cè)管的麥克風(fēng)，或微型內(nèi)置麥克風(fēng)，小心地放入耳道內(nèi)，注意不要影響入耳式護(hù)聽器的佩戴效果。用這種測(cè)試方法可以連續(xù)檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)防護(hù)值的變化情況，獲取很有參考意義的數(shù)據(jù)。

MIRE 方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以用于測(cè)試在一個(gè)寬范圍聲壓水平情況下某些非線性護(hù)聽器的聲衰減能力。麥克風(fēng)的放置對(duì)操作者要求非常高，既要求不影響護(hù)聽器的佩戴位置，又不能產(chǎn)生明顯的泄漏，因?yàn)檫@些因素會(huì)直接影響測(cè)試的結(jié)果。另外，麥克風(fēng)的探測(cè)管或連接線會(huì)產(chǎn)生共振和泄漏。還有一個(gè)需要考慮的因素是，當(dāng)專業(yè)的操作人員進(jìn)行這些操作時(shí)，受試者會(huì)感到緊張，并且可能會(huì)刻意將護(hù)聽器佩戴得盡可能好，這樣有可能得不到有參考意義的數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)MIRE的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)的真耳內(nèi)置傳聲器測(cè)試裝置由兩個(gè)測(cè)試傳聲器、聲導(dǎo)管、支架、雙通道頻譜分析儀組成。耳塞打孔，穿上聲導(dǎo)管，聲導(dǎo)管安裝在測(cè)試傳聲器上，支架將兩個(gè)測(cè)試傳聲器固定在一起。兩個(gè)測(cè)試傳聲器接到雙通道頻譜分析儀上，同時(shí)測(cè)試耳道內(nèi)與耳道處的聲壓級(jí)及噪聲頻譜，兩個(gè)通道的測(cè)試結(jié)果相減再加上相應(yīng)的修正值就可以得到佩戴護(hù)聽器實(shí)際個(gè)人接收到的噪聲值。如圖1所示。

圖1 真耳內(nèi)置傳聲器測(cè)試裝置

兩只測(cè)試傳聲器戴在頭上，固定位置有少許差異，可能會(huì)造成參考傳聲器與測(cè)試傳聲器測(cè)到的聲壓級(jí)不相同。將測(cè)試支架固定在人工頭（假人）上，在混響室及消聲室內(nèi)測(cè)試兩個(gè)傳聲器測(cè)到的聲壓級(jí)差，為了消除傳聲器及測(cè)試系統(tǒng)的誤差，應(yīng)交叉兩個(gè)傳聲器的位置重復(fù)做一次。計(jì)算兩次測(cè)量到的聲壓級(jí)差的平均值，可以得到因?yàn)楣潭ㄎ恢靡鸬恼`差。

聲導(dǎo)管是一個(gè)細(xì)管，安裝在測(cè)試傳聲器上時(shí)會(huì)對(duì)測(cè)試傳聲器的靈敏度造成影響，在不同的頻率下也不相同，需要測(cè)試出來不同頻率下的衰減值。將測(cè)試傳聲器固定在消聲室內(nèi)，距離聲源1 m 以上，讓聲源按1/3 OCT 發(fā)出50～10 000 Hz 的純音，用頻譜分析儀記錄下每個(gè)中心頻率點(diǎn)的聲壓級(jí)。再將聲導(dǎo)管帶上，重復(fù)測(cè)試50～10 000 Hz 純音下的聲壓級(jí)，兩個(gè)聲壓級(jí)相減就可以得到聲導(dǎo)管的衰減特性。聲導(dǎo)管為一個(gè)細(xì)硅膠管，隔聲能力有限，當(dāng)它的隔聲量小于耳塞時(shí)，測(cè)試結(jié)果就會(huì)造成較大誤差。

3 設(shè)備可靠性分析

3.1 固定位置的影響

為分析兩只測(cè)試傳聲器在頭上固定位置的影響，設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)過程：在混響室里，將測(cè)試支架及測(cè)試傳聲器固在人頭上，測(cè)量10 s，交換位置后再測(cè)10 s，對(duì)結(jié)果平均，得到兩個(gè)傳聲器位置的聲壓級(jí)差見表1和圖2。

表1 傳聲器位置、聲導(dǎo)管衰減值及隔聲量的影響

圖2 不同頻率下兩個(gè)位置傳聲器之間的聲壓級(jí)差結(jié)果

測(cè)試結(jié)果在2500 Hz 以下重復(fù)性較好且聲壓級(jí)差較小。安裝方式可以改為上下結(jié)構(gòu)，且兩只傳聲器的位置盡可能接近。

3.2 聲導(dǎo)管的頻率特性

由于聲導(dǎo)管的加入，傳聲器的靈敏度產(chǎn)生衰減，數(shù)據(jù)如表1 和圖3 所示。由于管子比較細(xì)且短，主要衰減發(fā)生在高頻，總的衰減較低。如果對(duì)測(cè)試結(jié)果要求較高，可以對(duì)耳塞隔聲測(cè)試結(jié)果按表1進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 不同頻率下聲導(dǎo)管衰減值

3.3 聲導(dǎo)管的隔聲量

聲導(dǎo)管自身的隔聲量也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。為測(cè)試導(dǎo)管的隔聲量，在混響室內(nèi)，將聲導(dǎo)管的入聲口堵住，對(duì)聲導(dǎo)管的隔聲量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 和圖4 所示。聲導(dǎo)管隔聲量較大，高頻區(qū)域可達(dá)40 dB以上，在真耳測(cè)試時(shí)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖4 不同頻率下聲導(dǎo)管隔聲量

4 測(cè)試設(shè)備與仿真耳、真耳測(cè)試比對(duì)

插入式耳塞目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定專用聲學(xué)測(cè)試裝置，采用IEC711 防真耳進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試裝置如圖5所示。耳塞插入仿真耳前后的聲壓級(jí)差作為耳塞的插入損失。

圖5 用仿真耳測(cè)試耳塞插入損失

分別選擇泡棉圓柱型耳塞、泡棉火箭型耳塞、泡棉子彈頭耳塞、硅膠圣誕樹耳塞等不同類型的耳塞作為測(cè)試對(duì)象。經(jīng)測(cè)試，不同耳塞的插入損失結(jié)果如表2所示。

整理表2 各頻段數(shù)據(jù)如圖6 所示。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，不同耳塞的插入損失基本類似，只有泡棉子彈頭耳塞在高頻部分，插入損失明顯下降。

圖6 仿真耳測(cè)試不同耳塞各個(gè)頻段的插入損失

再利用本測(cè)試裝置對(duì)耳塞插入損失進(jìn)行測(cè)試，如圖7 所示。將測(cè)試裝置上帶有聲導(dǎo)管的耳塞插入IEC711 仿真耳，測(cè)試裝置上參考傳聲器與檢測(cè)傳聲器之間的聲壓級(jí)差為耳塞插入損失。

圖7 測(cè)試耳塞插入損失

同樣選擇泡棉圓柱型耳塞、泡棉火箭型耳塞、泡棉子彈頭耳塞和硅膠圣誕樹耳塞作為測(cè)試對(duì)象。經(jīng)測(cè)試，不同耳塞的插入損失結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)試裝置測(cè)試不同耳塞各個(gè)頻段的插入損失結(jié)果

將表3 各頻段數(shù)據(jù)整理如圖8 所示。圖8 對(duì)比圖6，發(fā)現(xiàn)相比采用仿真耳的測(cè)試，本設(shè)備的高頻插入損失差較小，這主要是聲導(dǎo)管隔聲量不夠造成的。

圖8 測(cè)試裝置不同耳塞各個(gè)頻段的插入損失

最后，進(jìn)行真耳測(cè)試，將測(cè)試裝置佩戴在被測(cè)人員頭上，在消聲室內(nèi)對(duì)耳塞的隔聲量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 真耳測(cè)試不同耳塞各個(gè)頻段的插入損失結(jié)果

同樣將表4各頻段數(shù)據(jù)整理如圖9所示。與使用仿真耳進(jìn)行測(cè)試結(jié)果相比，真耳測(cè)試的插入損失值要偏小。

圖9 真耳測(cè)試不同耳塞各個(gè)頻段的插入損失

5 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)設(shè)備各項(xiàng)對(duì)比，研發(fā)的檢測(cè)設(shè)備以真耳內(nèi)置傳聲器法為理論依據(jù)，可以用于耳塞實(shí)際佩戴效果的測(cè)試；本設(shè)備的測(cè)試樣品在測(cè)試過程中會(huì)經(jīng)過穿孔過程，經(jīng)破壞后的護(hù)聽器在聲衰減值500 Hz以上的差值不超過3 dB，對(duì)入耳式護(hù)聽器的防護(hù)效果影響不大；在500 Hz以下，由于測(cè)試過程中人耳的輕微動(dòng)作，會(huì)引起低頻段插入損失的抖動(dòng)變化；由于耳塞打孔，聲導(dǎo)管隔聲量不高的因素，此裝置在測(cè)試高插入損失的耳塞時(shí)，實(shí)際會(huì)出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果偏低的現(xiàn)象，但是對(duì)影響測(cè)試插入損失影響不大；總體而言，本設(shè)備可以方便地檢查出耳塞佩戴不規(guī)范引起的耳塞隔聲量大幅下降的現(xiàn)象。

但本設(shè)備對(duì)于提高聲導(dǎo)管隔聲量、減小體積等方面需要進(jìn)一步進(jìn)行研究，以便用于火電廠、抽水蓄能電站等現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的人員佩戴耳塞后真耳測(cè)量。