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作者:黃宗正(2001-06-16);推薦:徐業良(2001-06-17)
附註:本文為行政院勞委會委託計畫「防音防護具舒適性能評估研究(二)-改善技術」之部分成果。

防音耳罩舒適性能整合測試機台設計製作

「防音防護具舒適性能評估」研究計畫內,已透過實施問卷調查來瞭解勞工實際使用防音防護具時之個人感受及需求,統計結果發現夾緊力、散熱性、密合度與重量等項目為對防音耳罩舒適度表現影響顯著的重要指標,故將進一步設計製作防音耳罩舒適性測試機台,以測量防音耳罩在舒適性上的具體量化數據,並進行計畫後續對防音耳罩舒適性能的進一步評估。本文內容將詳細介紹防音耳罩型防音防護具舒適性測試機台之設計與製作。

防音耳罩舒適性評估項目中的夾緊力、散熱性,與密合度測試,本計畫將以CNS防音防護具性能測試標準中防音耳罩夾緊力測試所使用的架撐模型為基礎來進行整合,使成為一模組化設計的整合型測試機,可以此測試設備分別量測防音耳罩夾緊力、散熱性,與密合度等三項舒適性指標。圖1為製作完成之舒適性評估測試機,以下將分別對三項舒適性指標測試之測試原理、硬體設計、與測試程序進行介紹。

1. 防音防護具舒適性能評估測試機

1. 防音耳罩夾緊力測試

1.1 測試原理

防音耳罩夾緊力測試依據CNS中國國家標準與CEN歐洲標準【1, 2】,此二標準之防音防護具檢驗項目中均規劃有防音耳罩頭帶力量與彈性墊壓力測試,內容中對測試環境與方式均訂有明確規範,且二標準測試程序相同,考量防音耳罩夾緊力測試之環境條件與頭帶力量及彈性墊壓力測試相仿,故依據此二檢驗標準規定建立測試環境。參考CNSCEN標準中防音耳罩頭帶力量與彈性墊壓力測試之內容與限制,訂定出本測試機台的設計需求與基本功能如下:

(1)   兩國際標準中針對防音耳罩頭帶調整能力與彈性墊壓力測試之內容,均規定測試時受測防音耳罩應固定於一架撐模型上,並規劃有架撐模型詳細尺寸規格,受測防音耳罩兩耳殼護蓋夾持於架撐模型左右兩塊平行板上,平行板外側間隔需為151mm

(2)   測試進行時防音耳罩固定於機台上的狀態,應模擬佩戴於使用者頭部之情形,以使測試環境與實際使用情況相仿,故測試機台上的防音耳罩承載固定結構需能提供類似人體頭部的受力方式。此外,架撐模型尺寸規格依據行政院勞委會公佈之人體計測資料訂定,並可機動調整為國人平均大、中、小三種頭形尺寸,故機台測試數據及實際人體所承受壓力值會與國人真實使用情形更為接近,評估結果亦具備較高的正確度與可信度。

(3)   測試機台除整合感測元件與訊號處理單元,將夾緊力由物理量轉換為簡單易讀的量化數值,同時亦需考慮測試進行之方便性,故選擇感測元件時以荷重規作為主要感測器,可將夾緊力轉換為電壓輸出,再透過訊號處理單元加以轉換,在電腦上呈現容易讀取的測量數值。

(4)   參考CNSCEN標準內容,測試時將待測防音耳罩適當調整後固定於架撐模型上,測試期間不改變二塊調整板間距離,於佩戴防音耳罩經過120 ±5秒後量測頭帶彈性施加於二塊調整板之力量範圍。CSNCEN間不同處僅為架撐模型構建出之頭部尺寸,考量各國國人頭部尺寸間的差異,架撐模型尺寸將以勞委會近期公佈之國人人體計測資料為準。

1.2 硬體設計

經過上述基本功能與設計考量,並參考CNSCEN標準之架撐模型尺寸規格,設計出架撐模型硬體如下圖2所示。

2. 架撐模型硬體外型

為使測試機台在測試不同對象的適用性上能更為廣泛,架撐模型上設計有寬高度調整機構,左右兩側支撐耳殼護蓋之平板分別裝置有一組螺桿機構,以調整測試機台水平寬度,而垂直高度是經由中央支撐軸來調整,經由這三個固定位置的尺寸微調,使測試機台能夠以三組不同頭型尺寸進行測試。寬高度調整範圍均依照行政院勞委會勞工安全衛生研究所公佈之國人人體計測資料來決定,如表12所示。依據統計結果,將本架撐模型耳殼護蓋間標準寬度訂為151mm,此數值為國人頭寬之平均值,而調整範圍介於130mm170mm之間,此範圍已含蓋90%國人頭型。高度調整範圍設定亦依據國人人體計測資料訂為距離水平軸150mm

1. 國人靜態二維頭部尺寸

尺寸名稱

平均值

標準差

最小值

最大值

兩耳珠間距(mm

150.90

11.28

113.86

188.22

頭頂至耳珠(mm

149.81

10.54

116.61

181.31

2. 國人靜態二維頭部尺寸百分位數

尺寸名稱

百分位數

2.5%

5%

50%

95%

97.5%

兩耳珠間距(mm

127.95

131.80

151.33

168.69

172.52

頭頂至耳珠(mm

129.80

133.29

149.16

167.53

170.32

寬高度調整設計不僅使架撐模型能夠適應更多不同尺寸的測試對象,也能夠幫助研究人員評估防音防護具尺寸與夾緊力間之關係,可針對單一防音耳罩給予不同測試寬高度,觀察夾緊力與使用者頭部寬高度間的相對關係。

因架撐模型兩側受力平板與S型荷重規間是以金屬螺桿供夾緊力傳導,為支撐平板與金屬桿之重量,於架撐模型兩側設計有幫助位置固定與支撐重量之結構,但金屬桿通過此結構時,若兩者間存在摩擦力太大,將影響夾緊力在受力平板與荷重規間之傳遞,故於金屬桿與支撐結構間裝設直線軸承以降低摩擦力。

夾緊力測試以S型荷重規作為感測元件,S型荷重規之外形設計具有可承受兩方向相對力量同時施於其上的特性,並藉由金屬壓電效應將所受壓力轉換為電壓輸出,其受力方式與量測特性十分符合夾緊力測試之設計需求。此型荷重規使用時搭配有一控制盒,此控制盒不僅提供荷重規所需電源、放大荷重規輸出之電壓訊號,並內建有將電壓訊號轉換為數值輸出之功能,可直接由顯示器讀取測得數值;另外,同時將荷重規之電壓輸出經過訊號放大處理與數位∕類比(A/D)轉換後,連接至電腦,並以Visual Basic(VB)撰寫程式建立人機介面,以電腦判讀防音耳罩夾緊力壓力值。完成之夾緊力測試模組硬體如下圖3

3. 夾緊力測試模組硬體

1.3 測試程序

防音耳罩夾緊力測試之程序依照CNSEN標準內容,先調整架撐模型寬高度至適當尺寸,再將待測防音耳罩固定於架撐模型上並使其頭帶保持垂直,經過120±5秒後讀取力量感測器上之測量數值,單位以牛頓(N)表示。

2. 防音耳罩散熱性測試

2.1 測試原理

本測試目的為評估不同款式防音耳罩的散熱性能差異,進行方式為量測固定限制環境下防音耳罩耳殼護蓋內的溫度變化。測試機台硬體採模組化設計概念,以夾緊力測試使用之架撐模型為平台,加入散熱性測試模組零件後即可進行散熱性評估。實驗進行環境設定為模擬人體佩戴防音耳罩時的使用狀態,除模擬防音耳罩佩戴於勞工頭部之固定方式與狀態外,尚需建立提供散熱性評估之機制,主要功能為模擬人體溫度與感測耳殼護蓋內溫度變化,故而散熱性測試模組包含兩部分組件:第一個部分負責模擬人體溫度,第二個部分則負責量測耳殼護蓋內溫度變化,圖4為散熱性測試的整體架構。

4. 散熱測試機台架構示意圖

2.2 硬體設計

散熱測試同樣是以夾緊力測試架撐模型來承載受測防音耳罩,並於架撐模型上設置散熱性評估測試模組,其中人體溫度模擬部份透過在耳殼護蓋支撐平板上裝設溫度感測器、溫度控制器、與電熱器來達成。溫度控制器接收感測器感測耳殼護蓋支撐平板溫度變化之訊號,再由溫度控制器控制電熱器對支撐平板進行溫度控制,使耳殼護蓋支撐平板維持37恆溫,以模擬防音耳罩接觸人體時的溫度狀態;另一組溫度感測則於測試進行時量測耳殼護蓋內之空氣溫度,作為評估散熱性能之依據。下圖5為散熱模組於架撐模型上之配置情形。

5  製作完成之散熱測試模組

散熱性測試與夾緊力測試相同,其感測元件熱電偶之電壓輸出亦於經過放大處理與AD轉換後連接至電腦,並以VB撰寫程式建立人機介面,可直接由電腦螢幕上讀取溫度數值。

2.3 測試程序

測試進行時將待測防音耳罩固定於架撐模型上,並調整架撐模型高寬度以使防音耳罩之耳殼護蓋與支撐平板間確實密合,耳殼護蓋支撐平板先行以溫度控制器與電熱器控制,維持在接近人體體溫37度的恆溫狀態,以熱電偶配合溫度資料蒐集器量測耳殼護蓋內溫度變化,待溫度穩定後記錄其最終平衡溫度。

3. 防音耳罩密合度測試

3.1 測試原理

CNSCEN標準均規劃有防音耳罩彈性墊壓力測試,與夾緊力測試同時進行,程序如圖6所示。考量彈性墊壓力與密合度具有直接關係,可將彈性墊壓力測試作為評估防音耳罩密合度之參考。CNSCEN中之彈性墊壓力測試亦是以架撐模型建構出頭部尺寸,測試時將一張大於防音耳罩彈性墊表面範圍之試紙貼附於調整板上,並於彈性墊上塗上一層標記物(稀釋之印刷油墨白色石油膠或乳化漆),而後將防音耳罩固定於架撐模型上,經過120 ±5秒後讀取力量感測器之數值與量測彈性墊接觸區域之壓痕。

6. 密合度與夾緊力測試流程

然而CNSEN標準中僅針對測試方式與過程進行規範,對於評估密合度之量化標準則未詳細描述,故此測試方式僅能藉觀察防音耳罩彈性墊壓痕是否完整來評估防音耳罩是否完全密合,並無法提供確切量化數據,故需另尋其他測試方式以得到可測得密合度確切數值的測試方法。

本測試機台參考呼吸防護具密合度測試方式,包括歐洲、美加、日本,與澳洲之呼吸防護具密合度測試規範與評估標準,均以人或假頭實際佩戴呼吸防護具,並由進氣、出氣孔建立一與外界交換空氣之密閉氣流迴路後,測量防護具內外部污染物濃度來推斷防護具與臉部間的密合程度,並定義出污染物洩漏量作為評估標準【3, 4, 5, 6】。其測試概念和本研究中防音防音耳罩密合度測試需求十分契合,故決定依據呼吸防護具密合度測試方式進行防音耳罩密合度評估。

而兩種測試方式間最大的不同在於原本CNSCEN標準中規定的密合度試驗中,僅針對防音耳罩彈性墊與佩戴者臉側間的密合程度進行測試,而參考呼吸防護具測試方法建立的密合度測試模組,則是量測防音耳罩整個耳殼護蓋內部空間與外界的隔離程度,如此一來,測試的範圍不僅會包含耳罩彈性墊與臉側間的密合度,亦會受到彈性墊與耳殼護蓋間、以及耳殼護蓋本身是否密合所影響。

3.2 硬體設計

防音耳罩密合度測試模組的設計原理與呼吸防護具密合度測試在原理與程序上大致相同,但因防音耳罩目的不在隔絕外界之污染物及粉塵濃度,故防音耳罩密合度測試以直接測量耳殼護蓋內進出氣體流量取代呼吸防護具內外部污染物濃度的量測,而洩漏比的計算方式亦由污染物內外部濃度比改變為進出氣流量比。

防音耳罩密合度測試的硬體設計是於耳殼護蓋內設置一組進排氣孔,配合導管連接氣體流量感測器與空氣幫浦後形成氣流通路,空氣先由氣壓幫浦供給動力後延進氣路徑流進防音耳罩耳殼護蓋,接著透過排氣路徑排出,其間進排氣路徑上各裝置一具氣流感測器,藉感測氣體流量變化間接判斷耳殼護蓋密合程度,若防音耳罩耳殼護蓋確實密合,則耳殼護蓋內為密閉空間,進氣流量等於排氣流量;若耳殼護蓋並非完全密合,則排氣流量會小於進氣流量,此進排氣流量間之比例即為洩漏比,可作為評估防音耳罩密合度的量化數值。下圖7為密合度評估測試之硬體設置示意圖,圖8則為已完成之測試模組硬體。

7. 密合度評估模組硬體設計

8. 製作完成之密合度評估模組硬體

3.3 測試步驟

美國呼吸防護具測試標準中測試進行時氣體流量固定為2±0.5L/min4】,考慮本測試防音耳罩內部容積遠較呼吸防護具內部容積小,經過實驗以不同流量對同一防音耳罩進行密合度測試,結果數據列於下表3。本研究測試時設定氣壓幫浦氣流量固定為1L/min

3. 不同氣體流量下同一耳罩的密合度測試數據表

受測防音耳罩

B007

氣流量(L/min

進氣口電壓(Vdc

出氣口電壓(Vdc

洩漏率(﹪)

1

5.00

4.43

14.3

4.43

14.3

4.42

14.5

0.5

4.00

3.58

13.7

3.59

13.6

3.58

13.7

0.25

3.00

2.76

12.0

2.76

12.0

2.77

11.5

洩漏率是本試驗用以評估防音耳罩密合度的標準,洩漏率的計算參考各國際標準中計算呼吸防護具內外部污染物濃度的計算方式,將呼吸防護具內外部污染物濃度比改為進出耳殼護蓋氣體流量比。氣流洩漏比之計算方式如下式:

                                                                                               (1)

其中fi為進氣迴路流量、fo為排氣迴路流量。

測試進行時先開啟氣壓幫浦與氣流量感測器電源電源,待氣流穩定流通於氣流管路後開始以AD卡讀取進出氣管路內之流量訊號,並以電腦判讀比對進出氣管路內氣流量,若耳殼護蓋內確實密合,則進出氣管路之氣流洩漏比為0

4. 測試機台整合

於各測試模組設計完成後,進行各測試間硬體之整合,防音耳罩夾緊力、散熱性與密合度測試均以CNS標準架撐模型建構出測試環境,力量感測器、溫度感測器、溫度控制電熱器、氣流進出管路等均裝設於架撐模型上之適當位置。三個測試項目各自形成獨立之模組,而各測試模組之感測訊號蒐集裝置、放大電路、電源電路、溫度控制器、氣流幫浦,與各傳輸線路之間的轉接座,均集中收納於控制盒內,使用時僅需將感測器訊號線與傳輸線接入控制盒,再插上電源即可,使得測試機使用時得以更為簡便。圖9表示各模組包含元件及各模組裝設於架稱模型上之位置;圖10為完成後之測試機控制盒,其左半部為散熱性測試模組組件,包括溫度控制器、濾波放大電路、電源開關,與AD卡轉接座均集中於此部分;而夾緊力模組組件集中收納於右半部,包括有壓力感測器訊號輸入轉接座、訊號放大電路、電源開關,與AD卡轉接座。

9. 各測試模組與架稱模型關係圖

10. 防音耳罩舒適性評估測試機控制盒配置

5. 測試機台量測誤差驗證

測試機台各測試模組完成後,開始對測試機台量測誤差進行驗證,驗證方式為由現有市售防音耳罩樣本中隨機選取一款重複測試10次,每次測試均依照測試步驟規劃內容完成所有試驗程序,將測試數據加以記錄後,計算出測試數據平均值、標準差,及變異係數,以了解本測試機台所得測試數據之誤差範圍。

5.1 夾緊力測試

夾緊力測試實驗所測試的防音耳罩樣本為NAS QM29,下表3列出以測試機台重複測試步驟10次所量得的實驗結果,10次量測夾緊力標準差為0.2N,且變異係數小於5%

3. 夾緊力測試正確性驗證結果表

測試次數

夾緊力值(N

1

9.1

2

9.4

3

9.5

4

9.3

5

9.3

6

9.1

7

9.1

8

9.1

9

9.3

10

9.7

平均值(N

9.29

標準差(N

0.20

變異係數

4.1

5.2 密合度測試

密合度測試所測試的樣本為NAS QM28,下表4列出以測試機台重複測試步驟10次所量得的實驗結果,10次量測洩漏率百分比標準差為0.20%,變異係數小於5%

4. 密合度測試正確性驗證結果表

測試次數

洩漏率(﹪)

1

7.25

2

6.75

3

7.25

4

7.50

5

7.50

6

7.25

7

7.25

8

7.25

9

7.25

10

7.50

平均值(﹪)

7.275

標準差(﹪)

0.22

變異係數

4.8

參考資料

1.          CNS T2012 8454 ; 1982, 防音防護具.

2.          “Hearing Protectors – General requirement – Part 1: Earmuffs,” EN 352-1, 1993.

3.          “Full Face Masks for Respiratory Protective Devices,” CEN European Respirator Standards EN 136, 1989.

4.          “42 CFR 84 Respiratory Protective Devices,” Federal Register of U.S.A, 1995.

5.          日本工業規格, JIS T 8159, 呼吸防護具面體洩漏率試驗方法.

6.          “Respiratory Protective Devices,” section 2, p.9, p.47, Australian Standard 1716, 1984.