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作者:徐業良,陳秋蓉,黃宗正,洪粕宸,游景鈺(2001-12-24);推薦︰徐業良(2001-12-25)
附註:本文投稿於「勞工安全衛生研究季刊」。

聽力防護具配戴舒適性能評估與改善

摘要

防音防護具為主要之個人防護具,主要作用為保護使用者的聽力,避免其遭受外界噪音之傷害,對於保護勞工於高噪音環境下工作之聽力健康而言極為重要。因噪音對勞工聽力健康影響甚大,政府已有法令明文規定出防音防護具之使用場合及必要性,但實際上可能因防音防護具帶給人體之不舒適感而降低勞工之配戴意願。本研究透過問卷調查確立防音防護具舒適性能指標,並建立舒適性能測試機台,同時經由主觀人體實測,建立舒適性數值範圍,並具體提出增進防音耳罩舒適性能之解決辦法,進行防音耳罩舒適化改良工作,期望能消除配戴防音防護具之不舒適感,進而增進勞工使用率。

關鍵字:防音防護具、防音耳罩、舒適性指標

Abstract

Hearing protectors are very important in providing proper protection for workers’ hearing ability in noisy working environments. However, the willingness of wearing hearing protectors depends heavily on whether it is comfortable wearing the hearing protector. This research investigates the workers’ experience and needs for hearing protectors through questionnaires to establish the “comfort indices” of hearing protectors. We then design equipments that to measure these indices and find out the range of these indices that the workers will feel comfortable. Finally, we propose guidelines of how to improve the design of current hearing protectors on these comfort indices, and hopefully increase the willingness of wearing hearing protectors.

Keywords: Hearing protector, ear muff. comfort indices.

1. 簡介

噪音為一種不規則且具刺激性的聲波,或可簡單的定義為令人不愉快的聲音。一般來說,噪音對人體的影響可分為精神與生理層面,突然而強烈的噪音能造成精神上驚嚇的反應,而處於噪音環境下一段時間將不只降低工作效率以及生理機能,還會造成聽力衰減。許多研究指出,長期處於噪音高於95分貝的環境下將導致明顯的聽力創傷[Jansen, 1969; Gulian, 1974; Burns, 1979],最壞的情形將使聽力喪失,而根據恢復時間的長短,可分為暫時性以及永久性的聽力喪失,前者將在離開噪音環境後一小段時間內恢復正常聽力,後者則因纖毛細胞遭受長期影響,導致聽力永久性的損壞[Sanders and McCormick, 1987]

噪音的抑制可以由噪音源端、噪音傳導路徑、或接收者端著手,其中直接降低噪音源的噪音為最有效的方法,其次為阻隔噪音的傳導路徑,最後是被動地以配戴防音耳罩達成自我保護。其中在工業噪音的防制上,又以配戴防音防護具為最經濟的解決方式[Sanders and McCormick, 1987]。研究文獻指出,減少接觸噪音與配戴耳罩、耳塞之類的防音防護具可避免噪音造成聽力喪失,配戴防音防護具將能降低約3040分貝的噪音音量,且耳罩有較耳塞高的保護效果[Phoon and Lee, 1993; Rabinowitz, 2000]。表1為各種防音防護具的總類以及適合使用之工作環境【勞工安全衛生研究所,民八十四年】。

1. 聽力防護具種類與適用環境說明表

聽力防護具種類

說明

適用環境

一般防音耳罩

適用於高噪音之工作場所

紡織業、金屬業

主動噪音控制耳罩

依外界噪音變化產生人為聲音相互抵消

飛機機艙、鍋爐機房

通訊用耳罩

除了保護的效果,並可接收通訊、娛樂與緊急信號

航空站、飛機內通話

搭配型耳罩

能與其它防護具一起搭配使用,例如安全帽、面罩、口罩

鋼鐵加工業、礦坑、焊接

模壓型耳塞

由軟矽膠、橡膠、或塑膠材料製成,直接插入外耳道使用

製造業、造船廠

可壓縮型耳塞

由海綿等軟質材料製成,以手壓縮後再置入外耳道

加工業、修理廠

市售之聽力防護具必須符合CNS中國國家標準,表2CNS標準對於聽力防護具的測試項目及要求的性能【CNS國家標準之防音防護具,T2012】。儘管聽力防護具對於高噪音作業環境下勞工聽力的保護十分重要,且相關法令對於配戴時機也有明確規範【行政院勞工委員會,民八十六年】,但勞工實際使用之情況往往未如預期理想,究其原因在於聽力防護具經長時間配戴後會使人體產生不舒適感,而降低勞工的使用意願。“舒適性”是個人的主觀感覺,不易找到可以量化的數字量測之指標,用以評估、規範聽力防護具配戴之舒適性,而從表2中可看出,CNS標準中對耳罩、耳塞雖有多項標準測試項目,但僅有少數項目如頭帶力量、調整能力、壓力等與配戴舒適性相關。

2. 防音耳罩與耳塞之CNS標準

測試項目

測試內容

耳塞

尺寸大小測試

將耳塞分為大、中、小三種尺寸

耐熱測試

不得有引燃或持續發熱之情形

聲衰減值測試

測量耳塞之遮音性能

耳罩

調整能力測試

耳罩頭帶調整至舒適尺寸之調整能力

耳護蓋之旋轉測試

彈性墊與架撐模型間之接觸應密合無間隙

頭帶力量測試

頭帶力量應不大於14N

彈性墊壓力測試

彈性墊壓力應不超過4500Pa

墜落測試

耳罩不得有破裂情形發生

耐低溫墜落測試

耳罩不得有破裂情形發生

頭帶彎曲測試

頭帶力量變化應不能超過14N之±20

耐滲漏測試

彈性墊有充填液者不得有滲漏之情形

插入損失測試

八音階頻帶其4個以上鄰接頻帶之標準差不得大於4db,且任一個八音階頻帶之標準差不得大於7db

耐熱測試

耳罩任何部份不應有著火或在拿掉加熱不繡鋼桿後有繼續發熱之現象

聲衰減值測試

測量耳罩之遮音性能

本研究的目的即是針對防音耳罩之舒適性,提出具體之評估方式,並提出舒適性改善之方式,期能提供廠商設計製造、勞工選用防音耳罩,乃至於政府部門制訂防音防護具相關法規之參考,提升勞工朋友配戴防音耳罩之意願。本研究首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,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,能夠量測防音耳罩各項舒適性指標,並透過主觀人體實測,訂定出各項舒適性指標的舒適性數值範圍。藉由以上研究結果,並建立有限元素電腦模擬力學分析模型,對於防音耳罩各項尺寸參數反覆驗證,我們得以針對各項舒適性能指標提出設計準則。最後本研究具體提出舒適化防音耳罩的設計,除重量、夾緊力等數據能合乎舒適性要求之外,並提出、證實可調整濾波式耳罩設計,希望解決配戴防音耳罩時不易與人對話的問題。

2. 調查問卷設計與執行

本研究首先藉問卷調查方式,希望了解勞工朋友們在實際使用聽力防護具時的個人感受與需求,作為建立聽力防護具舒適性能指標及其評估標準之參考依據。本問卷目的在找出勞工配戴聽力防護具時之個人經驗、感受、與對舒適性的實際需求,此外亦希望能夠找出勞工工作環境與對聽力防護具舒適性需求之間的關聯性,以及聽力防護具設計上哪些特性是勞工所特別重視的。針對這些目的,本調查問卷中包含以下三類問題:

(1)       受訪勞工個人配戴經驗調查:調查受訪者配戴聽力防護具之型式、配戴時間、配戴感覺、與個人配戴經驗中不舒適感。

(2)       受訪勞工工作環境調查:除受訪者個人基本資料如性別、年齡、身體狀況外,問卷中設計多項問題調查受訪者工作環境之噪音程度、必須配戴聽力防護具之時數、工作環境是否溼熱、髒污、或工作性質上必須經常往返於噪音程度不同之環境等。

(3)       聽力防護具舒適性能指標調查:針對耳塞、耳罩兩種不同類型之聽力防護具,分別列出多項可能影響其舒適性之特性,以五等級量表調查受訪勞工看法,希望找出勞工實際所重視的聽力防護具舒適性指標,並判斷出各項指標重要性上的差異。

問卷初步設計完成後先進行前測,以前測問卷之作答情況與分析結果作為修改問卷題目內容之參考,並再次與專家進行討論,以期問卷分析結果能確實反映出使用者感受。問卷設計完成之後,便對具有高噪音作業環境的9家受訪工廠勞工實施問卷調查。此次問卷調查共計發出358份問卷,實際有效統計問卷279份。受訪勞工中男性佔86.7%,女性佔13.3%,有94.6%年齡介於2544歲,其中又以3544歲的年齡層中所佔人數最多。受訪勞工中81.7%工作環境屬於高噪音(≧85dBA)工作場所,87.5%有配戴耳塞之經驗,45.2%有配戴耳罩之經驗。

對於受訪勞工環境的調查,受訪勞工中有很大比例在工作時必須長時間配戴聽力防護具,問卷調查中回答應配戴時間8小時及以上者所佔比例高達44.8﹪,應配戴6小時以上的勞工佔總樣本數之54.8%,此外並有41.6%受訪勞工工作過程中需要頻繁進出(每天10次以上)正常環境與高噪音工作環境之間。調查中也發現有53.8%受訪勞工需要於高溫溼熱的工作環境中使用防音防護具,35.1%受訪勞工需要在粉塵量大或易髒污的工作環境中使用防音防護具。

對於受訪勞工個人配戴聽力防護具經驗中,不舒適感覺之調查,問卷中提示了14項可能之不舒適感供受訪者複選,超過一半的受訪者勾選“不易與旁人對話”,其次則為有“壓迫感”、“發癢”、“髒污”、“有悶熱感”,僅有5.0%的受訪者勾選無任何不舒適感覺。統計結果還發現,有配戴耳塞經驗的受訪勞工,48.4%在配戴一小時內便感覺不舒適,配戴超過兩小時仍不會感覺不舒適者僅占25.0%。有配戴耳罩經驗的受訪勞工,67.0%在配戴一小時內便感覺不舒適,配戴超過兩小時仍不會感覺不舒適者僅占12.0%,配戴者對耳罩可忍受時間明顯較耳塞短。

問卷中針對耳塞、耳罩兩種聽力防護具,分別列出多項可能影響其舒適性之特性,以最重要、重要、普通、較不重要、不重要五等級量表調查受訪勞工看法。調查結果發現,對耳塞而言,影響舒適性最重要的項目為防音效果,其次為材質觸感與膨脹壓力;對耳罩而言,勞工認為耳罩影響舒適性最重要的項目亦為防音效果,其次為密合度,重量、散熱性、材質觸感、夾緊力等重要性分數相近。許多耳塞、耳罩專利中致力改進之調整機構、脫戴方便性等,對聽力防護具舒適性重要性之排序反而較後。另外吸汗性在耳塞、耳罩均不被認為對舒適性有重要影響。

對問卷結果作進一步變異數分析,我們發現不同配戴時間的受訪勞工對於耳塞舒適性項目之重要性評估,並無顯著差異。對於耳罩舒適性項目重要性評估,應配戴時間6小時以上的受訪勞工與應配戴時間較短的受訪勞工比較起來,對耳罩舒適性的需求上會較為重視耳罩的散熱性;進出次數10次以上的受訪勞工會較其他受訪勞工更為重視耳罩的夾緊力、吸汗性、與防音效果;配戴時間1小時內便開始感覺不舒適的受訪勞工較重視耳罩吸汗性。另外原本預期工作環境會影響勞工對聽力防護具之舒適性指標重要性的評估,但問卷結果發現需要於高溫溼熱、或粉塵量大、易髒污工作環境中使用防音防護具的受訪勞工,對於耳塞與耳罩舒適性能的需求並無明顯之差異。

3. 防音耳罩舒適性測試機台設計

在這些問卷調查之後,我們縮小研究範圍,針對舒適性設計改進空間較大的防音耳罩繼續進行深入研究。根據問卷調查結果,初步訂定了幾項防音耳罩舒適性相關的評估指標,包括重量、夾緊力、散熱性、與密合度等項目。接下來即針對耳罩設計一舒適性測試機台,以實際評估不同防音防護具的舒適性表現。

本機台可同時進行防音耳罩之夾緊力、散熱性、密合度等三項測試。夾緊力測試機台如圖1,是參考CNS中國國家標準與CEN歐洲標準進行設計製作,以S型荷重規作為感測元件,藉由金屬之壓電效應將所受壓力轉換為電壓輸出,經控制盒將訊號放大,再經由類比數位(A/D)轉換後,連接至電腦,以程式判讀耳罩夾緊力壓力值。

1. 夾緊力測試模組硬體

散熱測試方面本機台模擬人體配戴防音耳罩時之使用狀態,以夾緊力測試所使用之架撐模型作為平台,加入散熱性測試模組零件,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。其中人體溫度模擬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度恆溫,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。圖2為散熱模組於架撐模型上之配置情形。

2. 製作完成之散熱測試模組

CNSCEN中亦有規範彈性墊密合度測試,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。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,無法提供確切量化數據,因此本測試機台參考呼吸防護具密合度測試方式,如圖3所示,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,以此變化量間接判斷耳殼護蓋密合程度。圖4為將三項舒適性能測試整合後之測試機台成品。

3. 密合度評估模組硬體設計

4. 將三項舒適性能測試整合後之測試機台成品

4. 市售防音耳罩舒適性項目測試

測試機台設計製作完成後,本研究以此測試機台對市售28款防音耳罩進行測試。夾緊力以大、中、小三種頭型進行測試,結果如表3所示,不同耳罩夾緊力值差異相當大,並有6款耳罩在大型頭型時夾緊力超過CNS規定之14N。除了單一頭型之夾緊力數值之外,防音耳罩的頭帶調整範圍設計須注意,部份耳罩因調整範圍較小,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。

3. 受測防音耳罩夾緊力測試結果

 

小型頭型

中型頭型

大型頭型

最大值(N)

14.4

14.5

16.9

最小值(N)

3.3

3.9

4.5

平均值(N)

8.9

9.5

10.6

標準差(N)

2.8

2.9

3.3

在防音耳罩散熱散熱測試中,我們發現不同防音耳罩耳殼護蓋內溫度在3035度之間,變化範圍並不大。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。另一方面,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。

在防音耳罩密合度測試上,市售防音耳罩測試結果也有很大差異,28款受測耳罩中有10款幾乎沒有氣體洩漏,但也有5款氣體洩漏量超過25%,最多甚至達到50%。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。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。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。

除了上述三項舒適性指標外,本研究亦測量了28款市售防音耳罩的重量,其中最輕的114g,最重的323g,平均值為203.6g,標準差58.4g。進一步分析,耳殼護蓋重量佔整個防音耳罩的68% ~77%,是頭帶部位重量的23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。本研究測量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

5. 防音耳罩舒適性能主觀人體實測

獲得防音耳罩舒適性能之測試數據之後,本研究進一步進行防音耳罩舒適性能主觀人體實測,包括防音耳罩夾緊力、散熱性、重量等三個舒適性項目,希望了解這些舒適性指標之測試數據與人體主觀感受之間的關係。主觀人體實測是針對各項舒適性能指標,提供於單一舒適性能指標上舒適度表現程度不同的防音耳罩樣本,或設計製作可調整舒適性指標數值的實驗用防音耳罩,交由受測人員實際配戴,依照實驗規範針對受測者篩選、測試程序、與實施環境等條件加以限制,並於實際配戴後以問卷(主觀評量)方式記錄受測者感受。問卷資料經統計後分析各受測者對於各項舒適性能指標所選擇之舒適數值範圍,並比較不同受測者間感覺是否具顯著差異。受測者個人資訊統計如下:

l          受測人數共44人,其中男性38人,佔86.3%;女性6人,佔13.7%

l          回收問卷數44份,其中有效問卷44份,無效問卷0份。

l          11名受測者年齡介於1824歲、佔25%29名受測者年齡介於2534歲、佔66%2名受測者年齡介於3544歲,佔4.5%;其餘2人為4554歲,佔4.5%

l          受測者聽力均正常且無重大疾病。

l          44名受測者中有28人(約63.6%)其頭部大小計測值符合國人中型頭型尺寸,另有4人符合國人小型頭型尺寸,12人符合國人大型頭型尺寸。

主觀人體實測問卷調查結果統計如表4~6,表格內數字代表受測者配戴特定耳罩樣本時圈選某項答案的次數,每項答案選項分別給予0~-4分的權重後,可計算出該耳罩樣本主觀人體實測之總分,再除上該耳罩樣本被配戴的次數,即可得到該耳罩樣本在此舒適性指標上主觀人體實測的平均分數。

4. 防音耳罩夾緊力主觀人體實測結果統計表

選項

受測者感受

權重

耳罩樣本夾緊力

6N

8N

10N

12N

14N

1

無特殊感覺

0

37

19

13

3

1

2

有點緊

-1

5

22

21

19

8

3

很緊

-2

0

0

4

14

13

4

非常緊

-3

0

0

1

3

20

5

無法忍受

-4

0

0

0

0

6

總分

-5

-22

-32

-56

-118

平均分(總分/配戴次數)

-0.12

-0.54

-0.82

-1.44

-2.46

5. 防音耳罩散熱性主觀人體實測結果統計表

選項

受測者感受

權重

耳罩樣本散熱性

30

32

34

36

1

無特殊感覺

0

22

7

26

7

2

有點熱

-1

18

26

23

15

3

很熱

-2

7

9

1

7

4

非常熱

-3

1

1

2

0

5

無法忍受

-4

0

0

0

0

總分

-35

-47

-31

-29

平均分(總分/配戴次數)

-0.73

-1.09

-0.60

-1.00

6. 防音耳罩重量主觀人體實測結果統計表

選項

受測者感受

權重

耳罩樣本重量

130g

170g

210g

250g

290g

330g

1

無特殊感覺

0

29

36

27

10

4

3

2

有點重

-1

2

1

21

27

17

12

3

很重

-2

0

0

4

6

12

20

4

非常重

-3

0

0

0

1

7

7

5

無法忍受

-4

0

0

0

0

0

4

總分

-2

-1

-29

-42

-62

-89

平均分(總分/配戴次數)

-0.06

-0.03

-0.56

-0.95

-1.55

-1.93

藉由以上防音耳罩主觀人體實測統計數據,我們發現在夾緊力與重量兩個項目上均出現預期的結果,即夾緊力愈大、重量愈重的防音耳罩愈不舒適,反之則舒適度較高。散熱性測試則並無如夾緊力、重量實驗般明顯趨勢,原因可能是受測者在防音耳罩溫度變化範圍內(30~36)之舒適性感受並無明顯差異。在夾緊力與重量指標方面,我們藉由以上數據的統計繪出圖56,以幫助了解重量及夾緊力對應舒適度的變化。除此之外,經過統計分析結果可以得到,在夾緊力為10.5N時,有80%的配戴者主觀感受為“無特殊感覺”與“有點緊”而在耳罩重量方面,重量為245g時有80%的配戴者主觀感受為“無特殊感覺”與“有點重”,我們也將以此作為防音耳罩舒適性能設計之規範。

5. 防音耳罩夾緊力量測數值對應主觀舒適度的連續變化圖

6. 防音耳罩重量量測數值對應主觀舒適度的連續變化圖

6. 防音耳罩舒適化設計準則

藉由以上研究結果,並建立有限元素電腦模擬力學分析模型,對於防音耳罩各項尺寸參數反覆驗證,我們得以針對各項舒適性能指標提出設計準則,最後進一步提出舒適化防音耳罩的設計,並以電腦輔助設計軟體模擬、驗證其重量、夾緊力等數據。

首先在防音耳罩頭帶部份部份,我們可結論出以下設計準則:

(1)       頭帶頂部彎曲角度應貼合配戴者頭型。兩側彎角與與頭帶尺寸調整機構有密切關係,經由有限元素力學分析發現,頭帶尾端部份與垂直面間角度應盡量降低至接近30°,夾緊力值在大、中、小不同頭型時變化範圍最小。

(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。

依據上述準則建立出三維實體模型如圖12,以此模型進行有限元素分析得到的結果,此外頭帶在大、中、小不同頭型時夾緊力分別為4.25.6.33N,顯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。重量約32g

7. 舒適化設計的防音耳罩頭帶

針對防音耳罩的耳殼護蓋部份的舒適化設計準則歸納如下:

(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,可供參考。

(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

(4)       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。使用液體襯墊作為彈性墊配戴可以增加散熱效果。

依據上述尺寸建立的耳殼護蓋三維實體模型如圖8,重量約為42g,頭帶部位加上兩個耳殼護蓋後總重為116g

8. 舒適化設計的防音耳罩耳殼護蓋

7. 電子式濾波防音耳罩的設計

除了前述幾項舒適性指標外,在本研究中舒適性指標問卷調查中,配戴防音耳罩時不易與他人交談,亦是相當重要的“不舒適”項目。在市售產品中,我們發現少數幾款國外進口新式的電子式防音耳罩已經採用濾波的概念,其原理如圖9所示,是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。然而市售國外進口產品,重量皆高於300,遠高於本計劃舒適性設計準則之規範,且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,此外這類防音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,售價約在美金150元左右,約為一般防音耳罩價錢之20倍。

9. 電子式濾波防音耳罩的設計概念

本研究也希望發展此電子式濾波防音耳罩的概念,整合於前述舒適化設計之防音耳罩中,解決配戴防音耳罩時不易與他人對話的問題。考量現有電子式濾波防音耳罩的缺點,訂定出本研究中電子式濾波耳罩之設計目標如下:

(1)   減輕重量,符合本研究中舒適化設計之重量要求;

(2)   濾波頻率範圍可依不同工作場合需求作調整;

(3)   模組化之電子濾波式耳罩設計,電子濾波模組可容易裝置於各種防音耳罩上,增加其適用性並降低其成本。

10為本研究發展電子式濾波防音耳罩之濾波電路,外界聲音訊號由麥克風輸入後,經過一高通濾波器將低頻噪音濾除,再經過一低通濾波器將高頻噪音濾除,最後剩下人聲經放大電路放大後至喇叭輸出。高通濾波及低通濾波電路截斷頻率,及輸出喇叭之音量,均可經由電路中的可變電阻作調整。目前所應用之濾波電路為一般一階之帶通濾波,未來將更深入研究有關聲音訊號濾波之相關技術,應用二階甚至更高階之濾波電路,使濾波效果更加明顯,並改善聲音失真的情形。圖10為完成之實體原型電路,外觀尺寸不含電池約為3×6×3立方公分,重量約為35

9. 防音耳罩用濾波模組原型電路圖

10. 防音耳罩用濾波模組原型電路實體圖

本研究發展之電子式濾波耳罩各項元件之配置方式如圖11所示,麥克風接收部分固定於頭帶尾端,喇叭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。目前之濾波模組原型電路僅採單一麥克風收音以及單一喇叭放音,未來將由長期的實際配戴經驗,研究最適合之元件配置方式,並考慮是否必要達成雙喇叭及雙麥克風之立體音功能等,以及其他附加應用功能,例如除人聲外,使警告音,區域廣播等其他希望聽見的聲音也能被傳送出來。

小型麥克風

 

濾波電路

 

小型喇叭

 

夾扣裝置

 

11. 整體濾波模組示意圖

8. 結論

防音防護具是對在高噪音環境下工作的勞工朋友最直接而重要的個人防護具,然而本研究問卷調查結果發現,防音防護具配戴舒適性不佳,確實是影響勞工朋友配戴意願的重要因素。在問卷調查中我們也找出了重量、夾緊力、散熱性以及密合度等各項防音防護具舒適性的指標,並瞭解到除了舒適性的指標外,“不易與人交談”亦為勞工不願意配戴防音防護具的一項重要因素。接著本研究針對舒適性設計改善空間較大的防音耳罩進行深入研究,為能夠測量各項指標的量化數據,參考各項相關國際標準包括CNSEN等,設計防音耳罩各項舒適性指標三合一測試機台,能夠同時測量防音耳罩夾緊力、散熱性以及密合度等舒適性指標。藉此機台本研究中量測了28款市售防音耳罩之各項舒適性能的實際數值,進一步發現市售防音耳罩在賒適性各項指標上的表現有很大差異。接著本研究進行主觀人體實測問卷調查,輔以電腦有限元素力學分析以及統計分析,我們建立了防音耳罩舒適性設計準則,包括重量、夾緊力、密合度的舒適性數值範圍以及頭帶、耳殼護蓋、彈性墊等設計準則。另一方面,在解決“不易與人交談”的問題方面,本研究藉由市售電子式耳罩分析以及實際實驗,證實電子濾波可達成過濾噪音,保留人聲,並針對符合舒適性準則、模組化設計、可調整頻率範圍三項訴求進行設計,初步達成原型製作。本研究針對防音耳罩之舒適性,提出具體之評估方式,並提出舒適性改善之方式,期能提供廠商設計製造、勞工選用防音耳罩,乃至於政府部門制訂防音防護具相關法規之參考,提升勞工朋友配戴防音耳罩之意願

誌謝

本研究承蒙勞委會勞工安全衛生研究所提供經費與人力的支持(計畫編號IOSH89-M143),特此致謝。

參考文獻

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行政院勞工委員會勞工安全衛生研究所,八十三年度研究計劃,「聽力防護具性能測試規範」,勞工安全衛生研究報告IOSH83-H344