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作者:黃宗正(2001-06-17);修改:黃宗正(2001-08-24);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。

防音耳罩舒適性能測試評估結果與討論

防音耳罩舒適性能測試機台設計製作完成後,即開始針對市售防音耳罩樣本進行實際測試。

1. 夾緊力測試

1.1 測試過程

以製作完成之防音耳罩夾緊力測試機台進行夾緊力測試,測試前先將架撐模型調整至適當寬高度,再將受測耳罩固定於架撐模型上並使耳罩頭帶保持垂直,經過120 ±5秒後讀取荷重規壓力值並加以記錄。本次測試之受測樣本為市售各廠牌防音耳罩共28款,每付防音耳罩均分別於大、中、小三個不同頭型尺寸下測試,以測試各防音耳罩於不同頭型上的夾緊力變化。表1列出大、中、小型頭型所分別代表之寬高度尺寸,制定之依據為行政院勞委會近期公佈的國人人體計測資料。圖1則為受測耳罩固定於夾緊力測試台上的情形。

1. 各頭型對應架撐模型寬高度尺寸表

國人頭型尺寸

架撐模型寬度(mm)

架撐模型高度(mm)

大型頭型

170

170

中型頭型

150

150

小型頭型

130

130

1. 受測耳罩固定於夾緊力測試機上之情形

1.2 測試數據

2列出28款受測耳罩之廠牌、型號,以及於不同頭型尺寸下量得之夾緊力值。CNSCEN標準均規定防音耳罩夾緊力需小於14N(佩戴於中型頭型時),本次測試僅有編號4號受測耳罩超出此數值,而28款受測耳罩在小、中、大型頭型下的夾緊力平均值分別為8.99.510.6牛頓,夾緊力隨頭型增大逐漸升高。防音耳罩大多具有調整機構以適應不同頭型,每付耳罩於不同頭型下測試時,均將耳罩調整至完全符合頭型尺寸,因此在大中小不同頭型下所測得之夾緊力變化範圍,亦可作為耳罩調整機構調整能力之指標。圖2以長條圖顯示各耳罩夾緊力範圍,條狀範圍越靠前方,表示該耳罩夾緊力小,條狀範圍越短,表示其對大中小不同頭型調整能力越佳,夾緊力整體變化小。本表測試結果僅代表本計劃就該廠牌、型號隨機取得之單一耳罩在本測試機台所測試所得測試數據,完全不代表該廠牌、型號型號防音耳罩的性能表現或正式測試結果。

2. 受測防音耳罩夾緊力測試數據

編號

廠牌

型號

小型頭型

中型頭型

大型頭型

1

PELTOR

H6F/V

7.3

7.6

8.2

2

PELTOR

H7A

9.0

9.0

10.1

3

BLUE EAGLE

EM66

5.1

6.1

7.0

4

BLUE EAGLE

 

12.3

14.5

16.9

5

BLUE EAGLE

EM 62

11.0

11.4

14.5

6

NAS

QM 24

9.8

10.9

12.7

7

NAS

QM28

11.0

13.0

14.7

8

NAS

Thunder QM29

9.3

9.8

9.6

9

玄妮

B005

4.5

5.6

6.5

10

玄妮

B001

8.5

6.7

6.9

11

玄妮

B010

13.7

12.5

16.2

12

玄妮

B610A

6.0

6.8

7.4

13

玄妮

B007

12.0

13.1

13.8

14

FOCUS

Duo Sound

6.1

6.0

6.8

15

EAR

Model 1000

8.1

7.8

8.5

16

EAR

Model 3000

11.5

11.9

10.6

17

EAR

Model 1720

10.5

12.2

11.6

18

SINLENTA

BEL 2

6.9

7.9

8.3

19

重松製作所

EM-12

8.8

9.2

10.4

20

BILSOM

Pocket 2428

10.3

11.8

13.3

21

BILSOM

      2450

3.3

3.9

4.5

22

BILSOM

Special 2453

9.2

11.1

12.3

23

BILSOM

Compact 2470

7.5

6.5

11.1

24

BILSOM

Viking 2421

12.2

13.7

15.7

25

BILSOM

Compact 2319

9.0

9.2

11.5

26

BILSOM

Loton 2401

4.5

5.9

5.9

27

CAT

EMLU-60

6.2

7.4

8.0

28

NORTH

Model 24-45-40

14.4

13.9

13.2

平均值

8.9

9.5

10.6

標準差

2.8

2.9

3.3


2. 夾緊力分布圖

1.3 結果討論

由表2數據可整理出以下數項結果:

1. 多數受測耳罩夾緊力符合標準規範

大部分市售防音耳罩均符合CNSCEN標準所規定之夾緊力範圍,僅有少數樣本超過標準值14N,其中編號1225,與26號樣本,因本身可調整尺寸範圍較小,使其於大型頭型尺寸下測試時夾緊力驟增而超過標準,顯見耳罩頭帶尺寸調整範圍會對夾緊力帶來絕對影響,若可調整範圍過小,於大型頭型尺寸上測試時會產生極大的夾緊力。

2. 頭帶材質對夾緊力之影響

觀察受測樣本頭帶部分,其製作材質可概分為金屬與塑膠兩類,比較二類族群測試數據後發現,架設在相同頭型尺寸上時,塑膠製頭帶普遍會產生較金屬製頭帶為大的夾緊力,一般而言,因金屬之彈性係數較塑膠為高,於產生相同變形量的前提下,應會產生較大的回復力,故相同條件下金屬製頭帶所產生的夾緊力應高於塑膠製頭帶,此點與測試結果顯然有所差異。

經觀察受測防音耳罩頭帶構造設計後發現,雖然金屬之彈性係數值較塑膠大,但金屬製頭帶多被設計為薄板或細棒狀,故而頭帶部分截面積非常小;而塑膠製頭帶雖多為薄板狀構造,但截面積較金屬製頭帶大上許多,所以金屬製頭帶夾緊力並不會明顯大於塑膠製頭帶。

3. 頭帶型式對夾緊力之影響

檢視受測樣本中夾緊力較大的防音耳罩,發現除頭帶截面積較大會產生較大夾緊力之外,頭帶型式亦會對夾緊力帶來影響,若頭帶中段有變形構造如彎角、轉折或截面積出現明顯差異,或是頭帶構造並非單一材質及零件所組成,亦會影響頭帶夾緊力大小,因結構彎曲或金屬材質零件出現於頭帶中段時,該部位與頭帶上其他部分比較起來較不易產生形變,因此頭帶上可供變形的長度與區段便會減少而使夾緊力增加。此部份研究與測試資料可應用作為防音耳罩舒適化設計之參考。

2. 散熱性測試

2.1 測試程序

散熱性測試進行時,先將耳殼護蓋支撐平板加熱至接近人體體溫之37恆溫,之後將待測耳罩固定於架撐模型上,經過固定時間後量測耳罩耳殼護蓋之溫度。耳罩固定於架撐模型上後,因受到平板溫度影響使耳殼護蓋內溫度逐漸上升,待耳殼護護蓋溫度維持穩定不再變化時,表示耳殼護蓋與支撐平板間溫度已達平衡,此時讀取位於耳殼護蓋內溫度感測器之溫度資料並加以紀錄。

2.2 測試數據

下表3列出28款受測耳罩之廠牌、型號,與三次測量所得之溫度值。全體受測耳罩平均溫度為32.2,標準差為1.6。本表測試結果僅代表本計劃就該廠牌、型號隨機取得之單一耳罩在本測試機台所測試所得測試數據,完全不代表該廠牌、型號型號防音耳罩的性能表現或正式測試結果。

3. 受測防音耳罩散熱性測試數據

編號

廠牌

型號

1

2

3

1

PELTOR

H6F/V

33

34

33

2

PELTOR

H7A

31

30

31

3

BLUE EAGLE

EM66

34

34

35

4

BLUE EAGLE

 

35

36

35

5

BLUE EAGLE

EM 62

31

30

30

6

NAS

QM 24

34

34

34

7

NAS

QM28

30

29

31

8

NAS

Thunder QM29

33

33

33

9

玄妮

B005

35

35

34

10

玄妮

B001

34

33

33

11

玄妮

B010

32

31

31

12

玄妮

B610A

33

33

33

13

玄妮

B007

32

32

32

14

FOCUS

Duo Sound

31

30

31

15

EAR

Model 1000

30

31

31

16

EAR

Model 3000

31

32

30

17

EAR

Model 1720

33

32

33

18

SINLENTA

BEL 2

33

33

33

19

重松製作所

EM-12

34

33

34

20

BILSOM

Pocket 2428

31

31

30

21

BILSOM

      2450

32

31

31

22

BILSOM

Special 2453

30

30

31

23

BILSOM

Compact 2470

31

30

32

24

BILSOM

Viking 2421

32

32

32

25

BILSOM

Compact 2319

33

33

32

26

BILSOM

Loton 2401

32

31

30

27

CAT

EMLU-60

34

35

34

28

NORTH

Model 24-45-40

31

30

30

2.3 結果討論

1. 耳殼護蓋內溫度值接近模擬環境溫度

28款受測防音耳罩耳殼護蓋內溫度介於3036之間,接近測試環境所模擬之人體溫度37,顯見耳殼護蓋內因考量防音效果,必須確實與外界環境隔絕以阻隔氣導噪音,因此於注重防音效果之同時,亦因氣密性使內部溫度不易散去,故而耳殼護蓋製作材質與內部填充吸音材料能否幫助溫度傳遞至外部成為影響防音耳罩散熱性能之重要因素。

2. 彈性墊材質影響顯著

測試進行過程中發現,耳罩彈性墊部位因直接接觸恆溫控制支撐平板,故熱量會經由彈性墊直接傳導至耳殼護蓋上,且測試完成取下受測耳罩觸摸時,發現彈性墊為耳殼護蓋上溫度最高的部位,比較溫度值差異較大的樣本測試數據後亦發現,溫度值較低之耳罩樣本其耳殼護蓋彈性墊的溫度會較溫度值較大者為低,表示此部份防音耳罩彈性墊材質的熱傳率較低,故而經由彈性墊直接傳導的熱量較少,此點對防音耳罩散熱性能亦有幫助。

3. 耳殼護蓋外型設計

28款受測耳罩的耳殼護蓋外型多為半圓殼式設計,有顯著差異處僅為護蓋尺寸大小。經整理測試數據後發現,溫度測量值較小者其耳殼護蓋尺寸均亦較小,且耳殼護蓋亦較薄;進一步審視此類防音耳罩之使用者資訊,其防音效果可維持於NRR2230之間,故可建議NRR值需求於此範圍內的使用者使用此類防音耳罩,可帶來較佳的散熱效果。

另外,因耳殼護蓋外型多為半圓殼式設計且護蓋表面並無特殊設計,除考慮耳殼護蓋材質之選擇外,可評估於耳殼護蓋進行外型改良設計的可能性,以增加耳殼護蓋與外界空氣接觸之表面積,增加排熱效果,如此傳熱率高的耳殼護蓋材質配合傳熱率低的彈性墊材質,一方面減少熱量經由直接接觸傳導,一方面幫助耳殼護蓋內溫度排散至外界環境,應可增加耳殼護蓋整體的效果。

3. 密合度測試

3.1 測試程序

防音耳罩密合度測試依CNSCEN標準內容進行時,需於測試前在耳殼護蓋彈性墊上塗附一層塗料,後將待測耳罩固定於架撐模型上,並於耳罩耳殼護蓋與架撐模型支撐平板間置入一繪有細小方格之描圖紙,使塗料得以複印於描圖紙上,透過檢驗描圖紙上之圖形是否完整封閉,來評估防音耳罩是否確實密合。依此法測試的結果如下圖3,此為SULENTA所生產型號BEL2防音耳罩之測試所得圖形。

3. 密合度測試測試結果

因此測試結果無法取得量化的測試數據以對密合度進行評估,故亦以參考呼吸防護具密合度測試法建立的測試機台密合度測試模組,依照以下測試程序對市售防音耳罩密合度重新做測試:

(1)       打開氣壓幫浦及氣流量感測器電源,並檢視進氣迴路上之氣流感測器其輸出訊號是否穩定(即氣壓幫浦輸出氣流是否穩定)。因氣壓幫浦輸出氣流量已設定為1L/min,進氣迴路上的氣流量感測器電壓輸出應約為5Vdc,而此時排氣迴路因並未架設待測耳罩於機台上,故尚未形成封閉迴路,故排氣迴路氣流量感測器電壓輸出約為1Vdc

(2)       將待測防音耳罩固定於架撐模型上,並注意耳殼護蓋彈性墊部份應與機台左右受力平板確實貼合。

(3)       待進出氣迴路上的氣流感測器輸出訊號均穩定不再浮動後,即可讀取測試數據並加以記錄。

3.2 測試數據

4列出28款受測耳罩之廠牌、型號、進出氣迴路上兩個氣流量感測器所測得之數據,與經計算後的洩漏量百分比。本表測試結果僅代表本計劃就該廠牌、型號隨機取得之單一耳罩在本測試機台所測試所得測試數據,完全不代表該廠牌、型號型號防音耳罩的性能表現或正式測試結果。

4. 受測防音耳罩密合度測試數據

編號

廠牌

型號

出氣口電壓(Vdc

洩漏百分比(%

1

PELTOR

H6F/V

4.69

8.0

2

PELTOR

H7A

4.65

9.3

3

Blue Eagle

EM66

4.56

11.5

4

Blue Eagle

 

3.55

37.0

5

Blue Eagle

EM 62

4.93

2.3

6

NAS

QM24

5.01

0.3

7

NAS

QM28

4.68

8.5

8

NAS

QM29

4.98

0.8

9

玄妮

B005

4.65

9.3

10

玄妮

B001

4.40

15.8

11

玄妮

B010

4.02

25.3

12

玄妮

B610A

3.01

50.3

13

玄妮

B007

4.54

12.3

14

FOCUS

Duo Sound

3.76

31.5

15

EAR

Model 1000

5.00

0.3

16

EAR

Model 3000

5.00

0.3

17

EAR

Model 1720

4.92

2.3

18

SINLENTA

BEL 2

4.98

0.8

19

重松製作所

EM-12

4.58

10.8

20

BILSOM

Pocket 2428

4.96

1.3

21

BILSOM

      2450

4.60

10.3

22

BILSOM

Special 2453

4.75

6.5

23

BILSOM

Compact 2470

4.78

5.8

24

BILSOM

Viking 2421

4.73

7.3

25

BILSOM

Compact 2319

3.90

28.3

26

BILSOM

Loton 2401

4.92

2.3

27

CAT

EMLU-60

5.01

0.3

28

NORTH

24-45-40

4.90

3.0

3.3 結果討論

本研究中所進行之密合度測試為針對現有市售28款防音耳罩樣本進行實測的結果,出現較大幅度之差異,其中18款防音耳罩測得洩漏率分布在低於10%的範圍內,佔樣本總數64%;有5款耳罩洩漏率高出10%但低於15%,佔樣本總數18%;剩餘5款耳罩的氣體洩漏率分布在25%50%之間,佔樣本總數的18%

檢視洩漏率較高及較低的族群其耳罩設計上有何差異,發現洩漏率高的防音耳罩樣本耳殼護蓋彈性墊材質較不易產生變形,且彈性墊表面較為粗糙或有紋路;另外,亦有因頭型尺寸調整範圍過小,致使耳殼護蓋無法確實貼付使用者臉部的情況發生,造成耳殼護蓋內氣密性無法維持的情況。

4為洩漏率2%50%的防音耳罩彈性墊以CNS試驗規範進行測試的結果,由圖中已經可以看出兩者彈性墊於受力變形時的差異,左圖為密合度測試結果2%的防音耳罩,其彈性墊壓痕(圖中紅色區域)十分完整而且空隙很少,圖右洩漏率50%的防音耳罩壓痕則明顯散佈有許多空隙,密合程度也就愈差。因此本測試機台所得之洩漏率數值,應是防音耳罩密合度相當好的定量指標。

4. CNS標準測試不同洩漏率的防音耳罩結果圖

進一步將受測的28款防音耳罩密合度數據與夾緊力、散熱性測試數據加以比對,探討其間是否有相關性。散熱性與密合度測試數據之Person相關係數為0.42,呈現微弱正相關的趨勢,表示密合度確會對散熱性造成影響。而28款不同防音耳罩夾緊力與密合度測試數據間之Pearson相關係數為-0.21,兩者間並無明顯相對關係,故進一步針對單一防音耳罩在不同夾緊力下的密合度進行探討,測試時以特定耳殼護蓋搭配不同夾緊力的頭帶結構,使彈性墊與使用者臉側間接觸情形為固定,夾緊力則依序變化為68101214N,以驗證同款耳殼護蓋在不同夾緊力下的密合度測試結果是否有差異。表5列出以防音耳罩Blue Eagle EM62Bilsom 2401的耳殼護蓋為樣本在不同夾緊力下的密合度測試結果,測試結果可明顯看出夾緊力愈大則洩漏率會愈小,兩者間Pearson相關係數分別為-0.88-0.99,顯現出明顯的負相關趨勢。因此防音耳罩設計上在追求減小夾緊力的同時,也必須注意夾緊力過小可能影響到密合度。

6. 特定耳殼護蓋在不同夾緊力下密合度測試結果表

防音耳罩編號

Blue Eagle EM62

Bilsom2401

夾緊力(N

洩漏百分比(﹪)

6

8.2

9.0

8

7.4

7.8

10

7.2

5.8

12

6.7

4.5

14

3.6

2.0

Pearson相關係數

-0.88

-0.99

另外本研究針對9款於包裝上有標示出NRR值的防音耳罩進行分析,求得NRR值與密合度之Pearson相關係數為0.18,如表5所示,顯示兩者間無明顯相關性。唯此9款防音耳罩氣體洩漏率均於10%之範圍內,密合度相當好,或許不致對防音效果造成影響。

5. 9款防音耳罩NRR值與洩漏率對照表

防音耳罩編號

NRR

洩漏百分比(%

7

28

8.50

8

29

0.75

15

20

0.25

16

25

0.25

17

21

2.25

20

27

1.25

21

25

10.25

23

17

5.75

24

31

7.25

4. 重量測試

4.1 測試程序

重量測試因實驗程序較為簡單,僅為利用電子秤測量防音耳罩重量,故並未將重量測試設計整合於舒適性能測試機台的架撐模型中,但重量確實是影響配戴防音耳罩使用者舒適性感受的重要指標,故針對28款市售防音耳罩的重量進行測試。

4.2 測試數據

6列出28款防音耳罩的重量測試結果。

6. 28款防音耳罩重量測試數據

編號

廠牌

型號

重量(單位:g

1

PELTOR

H6F/V

185.0

2

PELTOR

H7A

219.2

3

BLUE EAGLE

EM66

164.0

4

BLUE EAGLE

 

230.6

5

BLUE EAGLE

EM 62

131.3

6

NAS

QM 24

184.1

7

NAS

Eliminator QM28

323.3

8

NAS

Thunder QM29

319.9

9

玄妮

B005

293.6

10

玄妮

B001

243.8

11

玄妮

B010

193.3

12

玄妮

B610A

196.1

13

玄妮

B007

181.1

14

FOCUS

Duo Sound

218.8

15

EAR

Model 1000

210.8

16

EAR

Model 3000

246.7

17

EAR

Model 1720

243.8

18

SINLENTA

BEL 2

113.8

19

重松製作所

EM-12

239.2

20

BILSOM

Pocket 2428

174.4

21

BILSOM

      2450

132.4

22

BILSOM

Special 2453

202.4

23

BILSOM

Compact 2470

134.8

24

BILSOM

Viking 2421

213.4

25

BILSOM

Compact 2319

165.7

26

BILSOM

Loton 2401

130.4

27

CAT

EMLU-60

118.9

28

NORTH

Model 24-45-40

290.7

4.3 結果討論

28款市售防音耳罩重量數值介於114~323g間,其中重量在200g以下的防音耳罩有14款,佔總數量的50%200~300g之間的有12款,佔43%;剩餘2款重量在300g以上,僅佔7%

28款市售防音耳罩中,耳殼護蓋重量佔整個防音耳罩的68% ~77%,是頭帶部位重量的二到三倍;頭帶部位之重量僅佔防音耳罩整體重量的四分之一到三分之一,對防音耳罩重量的影響較小。