//Logo Image
作者:游景鈺(2001-11-20);推薦︰徐業良(2001-11-21)
附註:本文為勞委會委託研究計畫「防音防護具舒適性能評估」之部份成果。

濾波式防音耳罩設計概念

傳統之防音耳罩僅能達到阻隔外界聲音的功能,除了必須被阻隔的噪音之外,人說話的聲音也被阻隔了,造成了交談的不方便,甚至可能引發危險。較新型的耳罩則改進吸音材質,使得對不同的聲音頻率有不同的遮音效果,但其實際效果並不理想,交談仍然不甚方便。在市售產品中,我們發現到新式的電子式防音耳罩,其原理是藉由麥克風收集並過濾外界的聲音,將噪音的部分濾除,而將人聲保留,並以小型喇叭放音,可達到阻隔噪音又能有效傳遞人聲的效果,我們亦將採取此種原理方式以改善防音耳罩造成交談不變的缺點。

1.         市售相關產品評估

市面上已有幾種電子式防音耳罩,其原理大多將外界聲音訊號以麥克風接收,將頻率不在人聲範圍的訊號濾除,並以內藏小型喇叭放出,藉以達到過濾噪音,保留人聲的效果。而另一種電子式耳罩則收集並分析外界噪音,產生一個與外界噪音相反的波形,達到消去外界噪音的目的,但這種電子耳罩的用途為一般舒適用途而非防音防護具,因此不加以介紹。以下為幾款電子濾波式防音耳罩的介紹:

(1)Bilsom 707 IMPACT

此款電子式耳罩為Bilsom公司生產,其特點可隔絕外界噪音傷害,並允許低頻的聲音如人聲、警告聲傳遞至耳殼護蓋內,方便在噪音環境下交談,並保障工作安全,其他功能為可調整過濾後訊號之音量。圖1和表1為其產品規格及其外觀,其允許通過頻率範圍為400~3500Hz,電池壽命達500小時。

1. Bilsom 707 IMPACT外型圖

1. Bilsom 707 IMPACT 規格表

重量

330g

允許通過頻率範圍

400~3500Hz

NRR

23

電池壽命

500小時

價格

$137

(2)Helberg Active

此款耳罩為Hellberg公司所生產,其功能如同上述之電子濾波耳罩,以麥克風接收外界聲音訊號,經過濾波後再以麥克風放出,其頻率範圍為500~3000Hz,亦即保留此頻率範圍內之聲音。此外,此款耳罩使用充電式電池,並有訊號輸入孔,可外接隨聲聽、收音機等,亦具有調整音量功能。圖2和表2為其產品規格及其外觀。

2. Hellberg ACTIVE外型圖

2. Hellberg ACTIVE規格表

重量

305

允許通過頻率範圍

500~3000 Hz

SNR

29

電池壽命

充電式電池-50小時

價格

$169

2.         設計目的

藉由上述之相關產品分析,此類產品之主要目的為濾除噪音,保留特定頻率的聲音,改善傳統防音耳罩交談不便、不易獲得外界警訊之缺點。本電子式濾波耳罩之主要目的亦為達到此功能,並整合本計劃所獲得之舒適性設計準則,改善目前市售產品之缺點,以提昇防音耳罩之舒適性能與防音性能。由上表1、表2可知市售產品之各項規格,其中兩款耳罩重量皆高於300,遠高於本計劃舒適性設計準則之規範,將對舒適性能有很大的影響;其次兩款耳罩濾波範圍皆固定於特定頻率範圍,無法依不同工作場合需求作調整。此兩款耳罩皆必須因增加濾波功能而作整體重新設計,因此成本相當高,在市售產品分析中,並無發現國產之電子式防音耳罩,而進口產品之售價約在美金150元左右,約為一般防音耳罩價錢之20倍,相當昂貴。

由以上討論,訂定出本電子式濾波耳罩之設計目的如下:

(1)舒適化設計

舒適化設計的重點在改進市售電子濾波式防音耳罩重量過重的缺點,並根據本計劃研究訂定之防音耳罩舒適性設計準則,設計一符合各項舒適性設計準則之電子濾波式防音音耳罩。

(2)可調整之濾波頻率範圍

市售之電子濾波耳罩濾波頻率範圍為固定之區間,僅適用於某些特定之噪音環境,在不同的噪音環境下,其濾波性能將不顯著,因此,本設計考慮可調整式之濾波頻率範圍,以保障在各種噪音環境下之防音性能。

(3)電子濾波式耳罩模組化設計

如前所述,電子濾波式耳罩必須因增加濾波功能而作整體重新設計,因此成本相當高。本設計期望能設計一模組化之電子濾波式耳罩,電子濾波模組可容易裝置於各種防音耳罩上,增加其試用性並降低其成本。

3.         濾波模組所需元件

根據上述之濾波原理,我們所需的元件共有小型麥克風、小型喇叭、可調式放大電路、濾波電路、電池等五項,圖3為濾波模組各元件關聯性圖。以下將分項說明其功能。

3. 各元件關聯性圖

(1)小型麥克風

小型麥克風的功能為收集外界聲音,將裝置於耳殼護蓋外側,其重量與體積將影響裝配的難度與整體重量。因此,將採用市售之電容式麥克風,其優點為體積小、重量輕,符合本設計之要求。下圖為電容式麥克風之外型與尺寸圖

 

4. 市售之小型麥克風

(2)小型喇叭

小型喇叭的功能為傳遞過濾後的聲音訊號,將裝置於兩耳殼護蓋內,其重量與體積亦為選購的重點,因此,將選用市售之耳機用喇叭,以達成重量輕、體積小的要求。下圖為市售之小型喇叭。

5. 市售之小型喇叭

(3)可調整式放大電路

使小型喇叭發出聲音,並有調整音量之功能使使用者可以調整由小型喇叭發出之音量。

(4)濾波電路

過濾小型麥克風所收集的外界聲音訊號,達成濾除噪音、保留人聲的功能。

(5)電池

其功能為提供整體電路所需之電能,為了容易裝配以及不增加過多重量,其選購之重點亦為體積小、重量輕。

4. 濾波模組之配置

市售之電子濾波式防音耳罩大部分為內藏式電路,即所有濾波元件都裝置於耳殼護蓋之中,也因此造成成本較高,以及重量較大、耳殼護蓋內部空間較小且電路本身會發熱,影響散熱性等缺點。因此本計劃設計思考,是以模組化方式將濾波電路置於耳殼護蓋之外。

在決定外加式設計之原則後,在空間的配置上,將濾波模組劃分為三部份,並討論其裝置方式:

(1)接收部分

接收部分為收集外界聲音之模組,其包含之元件有小型麥克風及其線路,裝置的位置為耳殼護蓋外側,因此設計裝配時可分為裝置於耳殼護蓋上以及裝置於頭帶接近耳殼護蓋處,前者需考慮如何符合各式耳罩的耳殼護蓋樣式,並在不破壞耳殼護蓋的原則下進行裝配,因此需要一個與耳殼護蓋間的介面,此介面與耳殼護蓋連結端需能容許些微變形,以符合各式耳殼護蓋,與接受部分連結端則需能固定接收部分,在設計上較為複雜。後者須考慮頭帶之形式,而頭帶於連接耳殼護蓋機構及頭頂之間的部分的形式差異不大,設計固定方式時只須考慮頭帶厚度。

(2)輸出部分

輸出部分為發出濾波後聲音之模組,其元件為小型喇叭,裝置的位置為耳殼護蓋內側,在不破壞耳殼護蓋的情況下,其線路較難裝配,裝置方式為由耳殼護蓋外側穿過彈性墊下方進入耳殼護蓋內側,並將小型喇叭黏貼於吸音海綿上,在外加一層海綿覆蓋小型喇叭及其線路。

(3)濾波電路部分

濾波電路部分為過濾噪音訊號之模組,其元件為濾波電路、電池以及可調整式放大電路,其裝置位置有兩種可能性:

a.       防音耳罩外(不直接與耳罩接觸,僅線路與耳罩連結)

將線路延長並置於人體腰部,其優點為裝置容易,不須考慮防音耳罩之形式,並且將濾波電路部分之重量負擔轉移至人體其他部位,惟獨在線路過長,造成佩帶者之行動不便,甚至引發危險。

b.      裝置於防音耳罩上:

其優點為線路較短,較為安全,缺點則為無法將重量負擔轉移,設計上須考慮防音耳罩形式,較為複雜。

小型喇叭

 

小型麥克風

 

夾扣裝置

 

綜合以上討論,目前本計劃初步決定之配置方式如圖6所示,將採取接收部分固定於頭帶尾端,輸出部分固定於耳殼護蓋內側,濾波電路部分則以固定於外加之後頭帶置於後腦。最後,將此三部分整合,整體濾波模組將為一可調整之外加後頭帶之形式,頭帶兩端為一夾扣裝置,與防音耳罩連結,而濾波電路則置於頭帶中央,其線路經由頭帶與夾扣裝置連接,由夾扣裝置整合濾波電路、接收與輸出部分的線路整合,接收部分亦固定於夾扣裝置上,輸出部分則置於耳殼護蓋內側,其線路穿過彈性墊下方到耳殼護蓋外側連接於夾扣裝置上。

濾波電路

 
6. 整體濾波模組示意圖