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作者:姜勝凱,謝建興(2001-10-30);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。

防音耳罩用濾波模組之設計與分析

摘要

噪音是工作場所常見的環境問題,在噪音的環境下須配戴防音耳罩來保護聽力,但防音耳罩將所有聲音隔絕,也造成對話上的不方便。本研究計劃主要目的即在研發一防音耳罩之濾波模組,能夠抑制工廠機器所產生的噪音,而卻又得以保留人講話的聲音。本研究中首先分析工廠噪音以及人類聲音的頻率,以個人電腦及Matlab軟體程式作離線(off-line)的分析,找出適當的截斷頻率(cutoff frequency),利用數位濾波方法對工廠噪音作抑制,而保留人講話的聲音。由實驗數據證實此濾波方式之抑制噪音的效果後,進而再利用類比濾波電路,配合一組對講機,組成一個濾波模組。

1. 前言

現今的工業環境中,噪音污染問題日益受到各界的重視,在勞委會勞工安全衛生研究所針對「工作環境安全衛生狀況」的調查報告中指出,噪音在“工作環境危害因子”及“需要改善的安全衛生問題”兩個調查項目中均名列第二【1】。許多相關研究文獻也指出,長期暴露於噪音環境下,會導致損害甚至喪失聽力、干擾語言傳送、影響身體平衡與方向感、引起疲倦現象、降低工作效率等問題。

在高噪音環境下使用防音耳罩,的確可以有效阻絕外界噪音,其中當然也包括了說話的聲音,造成對話上的不方便。本研究計劃主要目的即在研發一防音耳罩之濾波模組,在防音耳罩外裝置一個聲音接收裝置,將輸入的音波進行濾波的動作,再將所需要的頻率範圍(如說話聲)輸出至使用者之防音耳罩內部,使耳罩能夠抑制工廠機器所產生的噪音,而卻又得以保留人講話的聲音。

2. 噪音基本性質

美國勞工部職業安全衛生署(OSHA)將噪音定義為“足以傷害聽力的聲音”,而我國政府頒定的噪音管制法中則明定“所謂噪音係指發生聲音超過管制標準而言”。

聲波於每秒內的擾動次數稱為頻率(frequency),單位為“Hz”,人的可聽音帶頻率範圍20~20000Hz。人耳對低頻較不敏感,而對1000~4000Hz的範圍較為敏感,圖1所示為人的聽覺範圍以及會感到不適的範圍2所示為各種聲音的頻率範圍【2

1. 人耳可聽見的音頻與音壓【3

2. 各種聲音的頻率範圍【2

聲音音量大小和聲壓有關,即聲波傳遞所引起之大氣壓力差值。人耳可聽音壓範圍為2×10-5Pa~100Pa,幅度十分寬廣,所以在量測及處理噪音量大小時使用聲音強度位準(Sound Intensity Level, SIL),單位為分貝(db),做為測量的相對單位,其計算公式如下【4】:

       SIL10×log(I/Io)                                                                                     (1)

其中I為聲音強度,即功率以一定方向通過一單位面積(單位為watt/m2),

       IW/S(Power)/(Area)                                                                        (2)

Io為基準音強,國際標準為10~watt/m2。圖3所示即為各種噪音、人類交談以及人體感到痛楚不適的分貝數。

3. 各種聲音的音壓階(db)大小【2

3. 工廠噪音之收集與分析

3.1 工廠噪音之收集

本研究開發之耳罩式濾波模組是附加於一般防音耳罩之外,首先需選用一個防音效果良好的耳罩,讓外界聲音只能由耳罩上的麥克風進入,經過濾波電路將噪音過濾掉,而只容許某特定頻率的人聲通過,再將過濾後的訊號放大,經由耳罩內的小型喇叭傳送到人的耳朵。本研究所採用的噪音抑制方法為濾波方式,事前工廠噪音訊號收集與分析十分重要,要先了解工廠噪音與人類說話的頻率範圍,再針對二者做區分過濾的動作。

噪音訊號收集的方式,起初我們將麥克風及筆記型電腦一起帶到錄製噪音的現場,噪音經由麥克風傳送到筆記型電腦,藉由錄音程式來觀察其噪音的波形。但是此方法在噪音錄製的過程較為麻煩,所需攜帶的錄音器具過於繁重,而錄音程式雖然能得到噪音的波形,但是卻無法對錄製的噪音信號作處理與分析。因此後來我們僅將錄音機帶到錄製噪音的現場,將噪音錄製於錄音帶中,再藉由雙向接頭將噪音信號傳送到筆記型電腦,藉由Matlab軟體裡的指令“wavrecord”將信號擷取下來,接著使用指令“wavwrite”將擷取的信號儲存於電腦,Matlab軟體也可進一步作噪音信號的處理及分析【5】。

本研究選擇機械系實習工廠的機器所發出的噪音來做資料收集的來源,其中包括銑床、CNC銑床、車床、鋸床、手動輪鋸、鑽床、冷氣機、以及人在安靜房間裡的講話聲。由於聲音強度與距離有關,所以錄製時,錄音機與噪音源固定保持3m的距離,以方便之後噪音分貝數的計算。

3.2 噪音頻率分析原理

為了瞭解我們所收集到有關工廠機器所產生的噪音或人說話的聲音,其頻率所座落的範圍所在,必需將所收集到聲音的數位信號由時域(Time domain)轉為頻域(Frequency domain)。目前最普遍的信號處理方法就是利用快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT),將原本時域的信號轉成頻域,再藉由頻域-能量密度(Frequency-Power Density Domain)來觀察信號的頻率與能量

快速傅利葉轉換中,我們指定一實際的訊號數列為,而經過傅利葉轉換後的結果,假設我們的取樣數目為NN為偶數),我們定義此N筆數值的能量密度為:

       , m=0, 1,…, N-1                                                               (3)

其中

                                                                                                                            (4)

透過此轉換方式即可得到頻率分佈與能量大小。

同時我們關心總能量(total power)的大小,一般總能量的計算方式為能量密度對頻率的積分值,其公式如下:

                     總能量 =                                                     (5)

有了總能量的值,我們即可計算在濾波前與濾波後總能量的差異性,以瞭解濾波的效果。

3.3 噪音頻率之分析

進行分析之前,我們要先將噪音錄到錄音機,為了降低信號的失真程度,錄音機的磁頭與錄音帶的品質都必需注意。錄音完畢後,再由雙向接頭轉錄下載至個人電腦之中。

接下來我們利用Matlab軟體,將信號擷取至電腦,而軟體提供的取樣頻率有8,000Hz11,025Hz22,050Hz,但若採用的頻率太低,則會有失真的現象,且基本上一個類比訊號被取樣的頻率,必須高於兩倍本身的最高頻率【5】。經過實驗比較過後(如圖5所示),證實取樣頻率22,050Hz時失真較小,因此之後的分析一律皆採用22,050Hz的取樣頻率。

(b)

 

(a)

 

5. 取樣頻率比較圖,上圖取樣頻率8,000Hz,下圖取樣頻率22,050Hz

本研究中收集了人聲、鑽床、車床、鋸床、銑床、CNC銑床、冷氣機、手動輪鋸等8種噪音樣本,將噪音信號以22,050Hz的取樣頻率擷取至電腦後,利用Matlab畫出此噪音在時域下,振幅與時間的關係圖,接著利用傅利葉轉換,將信號由時域轉為頻域,可以得到圖6頻率與振幅的關係圖。由圖6(a)可以看出,人聲大部分在1,000Hz以下,而圖6(b)~(h)所示之工廠噪音樣本,則大部分位於高頻範圍(1,000Hz~8,000Hz)。經由圖形的比較可知工廠噪音與人聲的頻域範圍不同,使用濾波方式來抑制工廠噪音應當可行。此處先把抑制的重點放在高頻噪音,設定1,000Hz為截斷頻率,將噪音樣本經過一個截斷頻率為1,000Hz的低通濾波器,則其大部分的噪音就會被有效的阻隔。

(a)人聲噪音樣本                                  (b)鑽床噪音樣本

(c)車床噪音樣本                                  (d)鋸床噪音樣本

(e)銑床噪音樣本                                  (f)CNC銑床噪音樣本

(g)冷氣機噪音樣本                              (h)手動輪鋸噪音樣本

6. 人聲與各種噪音樣本

4. 數位濾波測試

這一節裡我們利用數位濾波方式,先對濾波的效果作簡單的分析,再對大量的工廠噪音樣本作測試,觀察其應用於實際狀態下的結果,以證實前一節所設定的1,000Hz確是一個理想的截斷頻率。最後利用分貝(db)值來驗證其濾波對噪音所造成的抑制效果。

為了更進一步確認濾波方式對噪音抑制的可行度,我們先針對一個工廠噪音樣本進行濾波。此處使用之低通濾波器為二階Butterworth濾波器【5】,其通式如下:

                                                                                      (6)

而濾波之特性曲線圖如圖7所示,其中截斷頻率為1000Hz。注意此二階濾波器並不是將所有大於1000Hz的訊號完全過濾,而是呈一衰減的趨勢。

7. 低通濾波器之特性曲線圖

8為將圖6(h)手動輪鋸之噪音樣本濾波之後所得之頻率與振幅的關係圖。比較圖6(h)與圖8,原本2000Hz的訊號依圖7低通濾波器之特性曲線圖所示,便具有80%的衰減率,高頻噪音已順利消除。接著我們再將濾波後結果直接輸出為wav檔,透過線上即時播放,即可得知訊號通過數位濾波器之後的效果。

8. 濾波後之手動輪鋸噪音樣本

接著我們模擬勞工在工廠操作機器的狀態,也就是在聲音樣本之中同時出現人類說話與機器(手動輪鋸)噪音。濾波前後的頻域圖形如圖9所示,可以清楚看出低通濾波器的效果,而經由聲音實際輸出效果發現,原本機械噪音幾乎蓋過說話聲,但濾波後大部份的機械噪音的確都被濾掉了,而說話聲音被突顯出來。

(a)濾波前                                               (b)濾波後

9. 機械噪音混合人聲之濾波前後比較圖

為了證實1,000Hz是一個理想的截斷頻率,我們分別設定1,400Hz1,200Hz800Hz600Hz另外四個截斷頻率,針對相同之包含人聲的工廠噪音樣本進行低通濾波,結果如圖10所示。仔細比較這些圖形,我們發現若截斷頻率定的太高,噪音被過濾的部分較少,效果較不明顯。再經由即時聲音播放來進行比對,截斷頻率若定的太低,人的聲音也會一併被濾掉,而變得聽不清楚,因此我們認為將截斷頻率定在1,000Hz的濾波效果最好。

(a)截斷頻率1,400Hz                            (b)截斷頻率1,200Hz

(c)截斷頻率800Hz                               (d)截斷頻率600Hz

10. 截斷頻率比較圖

最後為了能更客觀的看出濾波前後的濾波效果,我們將濾波前後的振幅大小轉換成音壓階的分貝(db)值。圖11(a)為手動輪鋸噪音樣本未濾波而經由db轉換之後所呈現的圖形,橫座標為時間,縱座標為分貝,圖11(b)則為濾波後的圖形,圖11(c)為濾波前後圖形相減之後的圖形,由此圖中可以更清楚的觀察濾波前後噪音量的下降。

(a)濾波前的噪音分貝數

(b)濾波後的噪音分貝數

(c)濾波前減濾波後的噪音分貝數

11. 濾波前後的噪音分貝比較圖

5. 類比濾波電路設計與測試

前一節討論之數位濾波器,概念上非常簡單,初步實驗也證實其效果。但此一概念要進一步應用在防音耳罩上,仍有以下幾點重大困難有待克服:

(1)   數位濾波器實驗中濾波、轉換、輸出需要相當運算時間,必須縮短此運算時間,使數位濾波器能夠即時傳播說話聲音,才能符合勞工實際操作上的需求。

(2)   實驗中所採用之儀器體積都相當龐大,如不能有效縮小相關裝置體積,仍很難應用在防音耳罩上。

(3)   使用數位濾波所耗費的設備成本相當高,較難普遍使用。

考慮以上各點之後,於是我們討論類比濾波的可行性,其濾波的過程相當迅速,可以滿足即時(real time)的需求,並且它的體積較小,只需一塊電路板及一些電子元件,價格又相當便宜。相較於數位濾波,類比濾波更適合運用在勞工實際操作的狀況。因此我們將數位濾波定位在離線(off-line)的分析,而使用類比濾波來製作防音耳罩用濾波模組。

類比濾波電路的設計與測試上,首先必須以一組收音裝置(如麥克風)將噪音轉成電流訊號,通過濾波電路,再經由放音裝置(如喇叭),將過濾後的電流訊號轉成聲音的形式播放出去,接著藉由我們的耳朵與示波器來觀察其濾波效果,並輔以一些判斷方法來證明其抑制噪音的效果。

經過多種器材的比較,我們選擇了兼具收音及放音功能之三晶體強放對講機(SL-58),表1為其電子元件表,圖12為其線路圖。此電路為一聲頻放大器,主要放大元件為三個NPN晶體,Q1為聲音推動晶體Q2Q3為一雙端推挽功率放大器,T1為輸入交連變壓器,作阻抗匹配之用,T2為輸入推挽交連變壓器,T3為輸出變壓器。

1. 三晶體強放對講機(SL-58)電子元件表

種類

規格

個數

種類

規格

個數

電阻

1

電晶體

NPN

3

270Ω

1

電池

9V

1

330Ω

1

輸出變壓器

2

3.3KΩ

1

輸入變壓器

1

4.7KΩ

1

喇叭

2

47KΩ

1

印刷電路板

1

電容

0.001μF

2

10μF

1

47μF

1

12. 對講機線路圖

由數位濾波作off-line的分析結果得到1000Hz是理想的截斷頻率,於是我們便製作一個截斷頻率為1000Hz的主動式低通濾波電路(active low-pass filter),配合此對講機,對噪音進行濾波測試。這是一個兼具低通濾波與放大電流信號的電路,調整放大增益使濾波後的訊號足以推動喇叭而發出聲音。如此一來我們便可藉由喇叭發出的聲音,來觀察噪音經過濾波後的效果。圖13為主動式低通濾波的電路圖【6】,表2為其電子元件列表。此濾波電路的截斷頻率及放大增益的計算公式如下:

       截斷頻率:fc2pR1C1                                                                 (7)

       放大增益:G1+R3 /R2                                                                        (8)

13. 主動式低通濾波電路圖

2. 主動式低通濾波電路元件表

種類

規格

個數

電阻

1KΩ

1

10KΩ

2

68KΩ

1

電容

0.1μF(104)

2

OP放大器

HA17741/PS

1

濾波電路完成後,我們同樣採取1,000Hz作為截斷頻率,針對噪音樣本進行測試。由喇叭發出的聲音可以聽出,刺耳的高頻噪音變少了。而由示波器上顯示的濾波前後之圖形(圖14)亦可看出,同一時間間隔內的脈波由密轉疏,這證明了大部分的高頻訊號被過濾掉,而留下低頻的訊號。接著我們也同樣以分貝值來證明類比濾波的效果,經過轉換後得圖15,濾波後分貝值明顯減少,可以更客觀的判斷其噪音抑制的效果。

14. 時域下濾波前後之比較圖

15. 濾波前後轉換為db值之比較圖

6. 結果與討論

本研究針對取樣的工廠噪音樣本作分析,發現其大部分都是屬於高頻噪音,而人的聲音頻率經分析過後,又都在1,000Hz以下。於是便採取低通濾波的方式,將高頻噪音過濾,以達到抑制噪音之目的。經由實驗分析結果顯示,此濾波方式確實對噪音有抑制的效果。

然而每一家工廠的機器所產生的噪音不盡相同,頻率的範圍也就不一定會一樣,因此可能有的工廠必須要使用較低或較高的截斷頻率。為了增加其實用性,我們可針對濾波電路做了一些改進,將圖13濾波電路中2條電阻換成可變電阻R1R2,透過旋轉R1可以調整截斷頻率,旋轉R2可以調整音量,如此在不同噪音環境下都可以藉由調整R1R2,來達成噪音抑制目的。

此外工廠環境噪音也可能是低頻噪音,可再整合一高通濾波電路(active low-pass filter),視環境噪音狀況濾除低頻噪音,以設計出適合於不同工廠所使用的耳罩式濾波模組。

7. 參考文獻

[1]    行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所,1995,台北;“台灣地區工作環境安全衛生狀況調查報告--受僱者認知調查”。

[2]    張柏成譯著,1987噪音控制之原理與實務,徐氏基金會,台北。

[3]    行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所編輯,噪音控制效果預估模式研究,行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所發行。

[4]    勃藍納克著,1975噪音與振動控制,徐萬椿譯,協志工業叢書。

[5]    Samuel, D. S. and Ruth, A.D., 1996; Signal Processing Algorithms In Matlab, Prentice Hall.

[6]    內山明治,村野靖合著;圖解op放大電路,鄭振東編譯,建宏出版社。