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作者:黃宗正(2001-08-22);推薦:徐業良(2001-08-24)
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。

防音耳罩舒適性設計準則

本計畫針對防音防護具舒適性進行評估研究,圖1是實施的流程與工作項目,本計劃內的研究工作主要包括四大項目,計劃開始階段先經由防音耳罩市售產品分析、專利分析、舒適性問卷調查等工作,目的在制訂出配戴者所重視的數項舒適性能指標,包括耳罩夾緊力、散熱性、密合度,與重量等項目;接著參考國際相關測試標準建立舒適性能測試機台,成功將各項舒適性指標之評估方式由原先的主觀個人感受轉換為客觀的測試數據;之後透過主觀人體實測問卷調查訂定出各項舒適性指標的舒適性數值範圍,最後再利用有限元素分析評估各種外型參數對耳罩舒適性的影響。在各項工作進行的過程中,得到許多觀察與心得,最後將這些工作的成果作一總整理,並針對防音耳罩的各項舒適性能指標,包括夾緊力、散熱性、密合度,及重量等項目提出設計準則,以提供給有配戴防音耳罩需求者選購時、或生產廠商於設計製作舒適化設計防音耳罩時之參考。

 

1. 防音耳罩舒適性能評估研究流程圖

1. 防音耳罩夾緊力設計準則

1.1 夾緊力數值範圍

本計畫以28款市售防音耳罩利用測試機台實際測試的結果,夾緊力值介於4~16N之間,而CNSCEN標準規定防音耳罩夾緊力應小於14N28款受測市售耳罩中僅有1款於中型頭型尺寸下的測試結果超過此數值。

本計畫之主觀人體實測統計結果證實,防音耳罩夾緊力愈小則舒適度愈高,然而本計畫中發現,同一款防音耳罩夾緊力大小和防音耳罩的密合度有強烈負相關,亦即夾緊力越小密合度越差,因此在追求降低夾緊力的同時,也應注意是否影響密合度。此外根據主觀人體實驗結果,訂定夾緊力舒適數值標準為10.5N以下,於此數值以下約80%的使用者不會感到明顯的不舒適。28款受測市售防音耳罩中有14款配戴於大、中、小型頭型時,夾緊力均低於此值。

1.2 夾緊力設計準則

1. 頭帶調整範圍

過小的頭帶調整範圍,會使得防音耳罩於配戴在超過其調整範圍內的頭型尺寸上時產生過大的夾緊力。本計畫測試的28款防音耳罩中,有2款因調整範圍較小,致使其在中小型頭型尺寸下配戴時夾緊力均符合標準,但於大型頭型尺寸下的測試結果卻出現過大的夾緊力。故建議防音耳罩的頭帶調整範圍設計須注意大型頭型尺寸配戴時產生的夾緊力仍低於前述10.5N

2. 頭帶製作材質

頭帶製造材質會對夾緊力造成重要影響,金屬製頭帶本身彈性係數較大,故應設計為薄片或細棒狀以同時減輕重量與過大的夾緊力;塑膠製防音耳罩頭帶為現今市場中多數,有限元素分析之結果發現多款市售產品製作材質雖同為塑膠,但材料之彈性係數卻有顯著差異,頭帶材質彈性係數較小、較柔軟,夾緊力也明顯較小。

3. 頭帶段落截面積

有限元素分析結果發現,頭帶截面積與夾緊力間為正比關係,多數市售防音耳罩於頭帶頂端段落的截面積均較其他段落大,此部位截面積的增減對夾緊力影響最為顯著,此影響力由頂端逐漸向尾端遞減,至尾端部分已幾乎不會對夾緊力造成影響。

4. 頭帶頂部肋條結構

有限元素分析結果證,頭帶頂部肋條結構可確實幫助防音耳罩頭帶提供適當夾緊力,且在增加相同材料體積的前提下,其靈敏度不若增減頭帶截面積般明顯,故造形設計或尺寸變更的彈性較大。另外,增加肋條構造截面高度比增加截面寬度更能增加夾緊力,並能夠幫助頭帶減少體積以降低重量。

5. 頭帶彎角

防音耳罩頭帶頂部彎角均設計製作為平滑圓弧造型以貼合配戴者頭型,故所有市售防音耳罩於此部位的外型設計差異性不大。而出現於左右頭帶兩側的彎角,根據有限元素分析法的結果,在沒有考慮頭型尺寸調整範圍的情況下,不論位置及角度均不會對夾緊力造成顯著影響,故應以尺寸調整、收納方便性或外型的美觀為主要考量。而彎角角度會間接影響頭帶上調整機構的作用範圍,與垂直面間角度過大會使得調整範圍降低,或造成夾緊力的增加,故亦應將此因素列入考慮。

2. 防音耳罩散熱性設計準則

2.1 散熱性數值範圍

本計畫以28款市售防音耳罩利用舒適性能測試機台測量耳殼護蓋內的溫度,結果數據分布於30~36間,此數值趨近於實驗環境模擬的人體體溫37,顯見大部分防音耳罩因考慮密合度與防音效果,於散熱性上的表現差距不大。而實施主觀人體實測的結果亦證實,配戴者於此數值範圍內的主觀感受並沒有出現明顯的差異。

附吸熱功能的防音耳罩經實際蒐集市售產品後發現,市面上已有可供更換的防音耳罩液體襯墊,即為內部填充液體的耳殼護蓋彈性墊,使用前可置入冰箱內冷卻,但其降溫效果會隨著配戴時間增加而逐漸降低。而專利分析時有發現在耳殼護蓋內部填充吸熱材質的專利,經實際蒐集並未發現市面上有應用此設計的產品。

2.2 散熱性設計準則

1. 耳殼護蓋內部空間

以測試機台進行散熱性測試的結果數據發現,耳殼護蓋內部空間較大的防音耳罩耳殼護蓋內部溫度較低,而耳殼護蓋內部空間會受到耳殼護蓋大小與吸音棉體積所影響,市售防音耳罩的吸音棉或海綿種類與體積差異很大,設計、選用上應與防音耳罩重量及防音作整體考量。

2. 耳殼護蓋彈性墊

散熱性能測試過程中發現,耳殼護蓋彈性墊的材質也是影響防音耳罩耳殼護蓋內部溫度的重要因素,建議選擇熱傳率較低的材質製作耳殼護蓋彈性墊,可幫助提升耳殼護蓋散熱性。另外市面上亦有廠商生產以液體填充於內部的彈性墊產品,可於特定防音耳罩上更換使用,使用前可先置放於冰箱內降低溫度,再於配戴時加以更換。專利分析中亦發現有於防音耳罩耳殼護蓋內裝置吸熱材料的專利,但並未在市面上找到實際市售的產品。

3. 防音耳罩密合度設計準則

3.1 密合度數值範圍

CNSCEN標準中規定的密合度評估測試,是以檢查耳殼護蓋彈性墊壓痕的方式進行,因評估結果無法取得量化數值,故參考呼吸防護具測試標準另行設計測試設備,實際測試市售防音耳罩的結果密合度介於洩漏率2% ~50%間,其中18款、佔總數64%的防音耳罩洩漏率低於10%,故此處訂定防音耳罩密合度設計準則耳殼護蓋洩漏率應低於10%

3.2 密合度設計準則

1. 彈性墊材質對密合度的影響

密合度主要受到耳殼護蓋彈性墊設計所影響,檢視密合度測試結果數據差異較大的防音耳罩樣本,發現測試結果表現較好的防音耳罩彈性墊部位較為柔軟而容易變形,而一般彈性墊構造上包含了塑膠表皮與內部填充物兩個部份,密合度測試結果較佳的彈性墊塑膠表皮部份較薄且十分柔軟,表面非常細緻而無任何細小紋路。所以彈性墊應選用柔軟易變形的材質製作塑膠表皮與內部填充物,而塑膠表皮的表面應光滑平整,即可確保彈性墊密合度效果。

2. 彈性墊與耳殼護蓋蓋體間密合度

許多市售防音耳罩具有可拆卸更換耳殼護蓋彈性墊的設計,此設計可確保彈性墊的衛生,但此種設計對密合度是否會有影響需要進一步評估。本研究中的防音耳罩密合度測試結果,並非僅表達彈性墊與配戴者臉側貼合程度,而是耳殼護蓋內外部空間的隔離情形,除了彈性墊本身因素以外,耳殼護蓋蓋體,彈性墊與蓋體間接合情形均會造成測試結果的差異。一般防音耳罩耳殼護蓋蓋體均為一體成型設計,密合度差異應該有限,故設計可更換彈性墊的防音耳罩時應特別注意彈性墊與耳殼護蓋蓋體間是否也能夠確實密合,以確保整個防音耳罩的氣密性。

4. 防音耳罩重量設計準則

4.1 重量數值範圍

本計畫測量28款市售防音耳罩重量數值介於114~323g間,由主觀人體實測的結果證實防音耳罩重量愈輕、舒適程度愈高,並制訂出重量舒適數值標準為245g以下,於此數值下80%的使用者不會感到明顯的不舒適,28款受測市售防音耳罩中有23款,約82%重量均低於此值。

4.2 重量設計準則

1. 耳殼護蓋重量

本計畫測量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,因此在防音耳罩重量設計上,耳殼護蓋重量是考慮的重點。圖2為本計畫測量28款市售防音耳罩中,最輕與最重的防音耳罩耳殼護蓋樣本,最重者的耳殼護蓋重量幾乎為最輕者的2倍,差距近100g,兩者在外觀體積上就有明顯的差異。

2. 最輕與最重的防音耳罩耳殼護蓋樣本

2. 頭帶肋條構造

雖然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。頭帶上常見的減重方式是利用頂部肋條結構幫助維持適當夾緊力,以減少頭帶上不必要的體積,使頭帶重量得以降低,許多在包裝、型錄上標榜輕量化的防音耳罩其頭帶部位均為此類設計。圖3為兩款造型設計十分類似的防音耳罩頭帶,實際測量的結果具有肋條構造的頭帶確實較輕,較輕的頭帶其重量約為較重者的70%,實際重量則差了16g

 

3. 具有肋條構造與一般的防音耳罩

5. 舒適化防音耳罩設計

在針對各項舒適性能指標提出設計準則之後,將所有設計準則加以整合,進一步提出舒適化防音耳罩的設計準則。

5.1 舒適化頭帶設計

針對防音耳罩的頭帶部份提出設計準則:

(1)       頭帶頂部彎曲角度應貼合配戴者頭型。兩側彎角考慮與頭帶尺寸調整機構間的關係,頭帶尾端部份與垂直面間角度應盡量降低至接近30°,可得到最小的夾緊力值與變化範圍。

(2)       頭帶調整範圍應容許國人人體計測值小型頭型至大型頭型的使用者均能夠確實配戴,故頭帶本身長度調整範圍或頭帶上可供耳殼護蓋滑動的距離至少應大於40mm,而由頭帶頂端至尾端的垂直距離應超過170mm

(3)       頭帶上利用頂部肋條結構幫助提供適當夾緊力,並減少不必要的材料體積,參考市售產品實際尺寸、建立三維實體模型,與有限元素分析的結果,頭帶的厚度至少為2mm並具有高、寬度分別為2mm1mm的肋條構造分布於頭帶頂部,依據上述尺寸建立出三維實體模型如下圖4,此模型進行有限元素分析得到的結果,此外型參數設定下的夾緊力約為5.3N,頭帶部位重量約32g

4. 舒適化設計的防音耳罩頭帶

5.2 舒適化耳殼護蓋設計

針對防音耳罩的耳殼護蓋部份提出的設計準則如下:

(1)       耳殼護蓋外型為半圓形球殼設計可以縮小整體體積,市售樣本中體積最小的耳殼護蓋其厚度為2mm,高度為100mm、寬度為80mm、內部空間深度38mm,並參考此尺寸資料建立耳殼護蓋三維實體模型。

(2)       耳殼護蓋內部填充吸音棉與海綿襯墊以確保防音效果,吸音棉與海綿厚度共13mm,耳殼護蓋內部空間剩餘有25mm的深度。依照國人人體計測統計資料,95%我國勞工外耳突長尺寸不超過29.95mm,而耳殼護蓋內部空間剩餘深度加上彈性墊經夾緊力壓縮後的厚度會超過30mm,故此耳殼護蓋設計可提供充分內部空間包覆配戴者耳部並提供一定程度的散熱效果。

(3)       依據國人人體計測資料,95%國人耳長在低於70mm的範圍以內,故耳殼護蓋內圈與彈性墊的高度均應至少大於70mm。依據上述尺寸建立的耳殼護蓋三維實體模型如下圖5,重量由軟體中由體積換算約為42g

5. 舒適化設計的防音耳罩耳殼護蓋

5.3 舒適化彈性墊設計

針對防音耳罩的耳殼護蓋彈性墊部份提出設計準則如下:

(1)       彈性墊外層使用表面光滑平整的塑膠表皮包附內部海綿,在與配戴者臉側接觸的範圍內外緣有突起顆粒增加貼附性,在市售防音耳罩中已有此種設計的產品。

(2)       使用液體襯墊作為彈性墊配戴可以增加散熱效果。

5.4 舒適化設計防音耳罩舒適性能

最後將整合了上述所有設計準則完成的舒適化設計防音耳罩,針對其在各項舒適性能指標上的表現進行測試分析。下表1列出其在國人大、中、小三種頭型下以有限元素法進行夾緊力分析的結果,其夾緊力已遠小於市售防音耳罩平均值,且不同頭型下的夾緊力差異最大值為2.11N,表示此防音耳罩於不同頭型尺寸下配戴時的夾緊力十分穩定。

1. 舒適化設計防音耳罩在不同頭型下的夾緊力分析值

國人頭型尺寸

夾緊力分析值(N

小型頭型

4.22

中型頭型

5.28

大型頭型

6.33

舒適化設計的防音耳罩的重量方面,頭帶部位加上兩個耳殼護蓋後總重為116g,較現今大部份市售產品重量為輕;而彈性墊部位使用的液體襯墊可以吸收額外的熱量,另外耳殼護蓋內部空間亦較一般防音耳罩充裕,故散熱性會較一般耳罩好。