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作者:游景鈺(2003-07-13);更新:游景鈺;推薦:徐業良(2003-07-14)
附註:本文為勞工保險局補助「職業災害預防及職業災害勞工重建事項」計畫部分成果。

防音防護具聲衰減性能測試模組設計概念與製作

本研究將參考防音防護具聲衰減性能測試規範,設計製作一自動化之防音防護具聲衰減性能測試機台,其主要對象為一般工廠實際需配戴防音防護具的人員,使其有能力對防音防護具聲衰減做出初步的測試,並獲得客觀、可靠的數據,以自行評估、比較市售防音耳罩之防音性能。

1.     聲衰減性能相關測試規範

在各國國際標準中,對防音防護具的聲衰減性能測試有相當多的標準,主要可分為「主觀法」與「客觀法」兩種。主觀法是以真人當作測試媒體,測試出來的防音防護具聲音衰減性能稱為聲音衰減或人耳衰減,其相關的標準包括了ANSI S12.6,ISO 4869-1JIS T8161SAA AS1270ANSI S3.19等。客觀法則是以「聲學試驗頭型(acoustic test fixture, ATF)」當作測試媒體,測試之聲音衰減性能稱為「插入損失(insertion loss)」,其相關標準有CNS8454 T2012以及ISO/TR4869-3。以聲學試驗頭型所測試出來的結果不可作為聽力保護計畫中評估防音防護具對聲音阻隔的能力,但因客觀法測試速度較快,且測試成本較低,故主要用於產品品質檢驗,以ISO/TR4869-3為代表【勞工安全衛生研究所,民八十八年】。

本研究設計製作之防音防護具聲衰減性能測試模組,定位於提供非專業人員使用,希望能將測試流程自動化,並簡化操作流程,因此將參考客觀法之測試準則以制定測試設備規格。在上述國際標準中,詳細規定了對測試環境、測試訊號、設備以及測試流程,以下將分別敘述其內容。

(1)   測試原理及流程

在客觀法之CNS標準中,其測定的基本概念是在固定測試訊號、固定音場下,佩戴耳罩以及沒有佩戴耳罩所量測到的的音壓值變化,其中測試環境需為擴散音場(diffused sound field)、測試訊號需為粉紅噪音(pink noise)經八音度頻帶濾波(octave filter)後播放【CNS 8454,民八十七年】。其測試程序如圖1所示,測試開始時先測量聲學試驗頭型中心點之各頻帶音壓位準,此中心點之定義為圓軸中心線與兩耳中心連線交點,此時聲學試驗頭型並未佩帶耳罩。接著將耳罩定位於聲學試驗頭型,再度量測中心點之各頻帶音壓為準,將兩次所得之各頻帶音壓位準相減,可得實驗結果,此試驗程序需至少重複三次,直到連續兩次之實驗結果平均值之誤差小於1dB

1. 客觀法測試流程

(2)   測試環境

CNS標準中,測試環境需為擴散音場,須符合以下規範:

l          在聲學試驗頭型兩耳中心連線之中點15公分之上、下、左、右、前、後方的音壓值與中點處的音壓值差需小於±2.5db

l          在試驗信號中心頻率大於或等於500hz時,中點任兩方之入射音壓差值必須在5dB以內。

l          聲學試驗頭型中點位置的每個八度音頻帶的環境噪音需小於測試信號音壓值10dB以上。

(3)   測試訊號

CNS標準中,測試訊號需為粉紅噪音,須經八音度頻帶濾波(63Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz, 4000Hz, 8000Hz)濾波後播放。此外測試訊號在聲學試驗頭型中點的音壓值應符合表1的規定。

1. 測試訊號音壓位準

八度音階頻帶

音壓值(dB)

63Hz~250Hz

75dB

315Hz~4kHz

90dB

5kHz~8kHz

85dB

(4)   聲學試驗頭型

CNS標準中,聲學試驗頭型的由非磁性金屬建構、近似一般成年人頭部尺寸,並在頭型圓軸中心與兩耳連接中心線之交點處置一直徑25.4mm之電容式微音器量測音壓值,另有一簡易視圖描述各部位尺寸與各元件相關位置。圖2為將耳罩配戴上之簡圖,頭型為空心,兩側各有一開口模擬人之左右兩耳,內有一麥克風內建於兩開口中心連線之中點,除外部尺寸參照國人頭型之外,其他元件之設計則無詳細規範定義及原理描述。

2. CNS金屬頭型簡圖

2.     聲衰減性能測試模組設計概念

參考CNS國際標準的內容,本研究開發之防音防護具聲衰減性能測試模組設計概念如圖3,在一擴散音場中,以一聲學試驗頭型測量配戴耳罩前以及配戴耳罩後的測試訊號音壓值。測試訊號以一粉紅噪音產生器產生,並藉八度音頻帶濾波器將訊號依頻帶不同分別量測,以獲得耳罩對不同頻帶訊號所提供的插入損失。以下將分別敘述圖中各項元件之設計。

3. 測試機台概念圖

(1)擴散音場

擴散音場係指一空間中的聲音能量平均分部於各個位置,不同位置的聲音能量差異很小,主要是由聲波在音場內反射,僅有少量的聲音能量在音場中被吸收。其音場的效果可由以下兩種方式獲得,可由具聲反射性質的材料如水泥、玻璃以及大理石等材料建構的封閉空間獲得,或是在開放空間中由多個方向發出同樣聲音。

(2)粉紅噪音

粉紅噪音係指一包含可聽範圍內所有頻率的混合噪音,而其訊號強度則隨頻率上升而降低,約每間隔一八音度頻帶降低3dB,而使得其各頻帶上的訊號功率皆相等【CNS 8454,民八十七】。如圖3所示,粉紅噪音可以一「白色噪音(white noise)」產生器搭配一濾波電路達成,白色噪音與粉紅噪音相同,是一種包含可聽範圍內所有頻率的混合噪音,不同的是白色噪音的每個頻帶的訊號有相同強度,兩者之頻率響應曲線分別如圖45所示。將白色噪音通過一特定濾波電路,使其訊號強度隨頻率增加而衰減至特定範圍,即可獲得粉紅噪音。

4. 白色噪音頻率響應曲線

5. 粉紅噪音頻響應曲線

6為粉紅噪音產生器之參考電路,其電路的左半部為白色噪音產生器,其噪音由Q1電晶體產生,經過Q2電晶體放大,電路右半部則為一類比-3dB/octave濾波電路,放大後的白色噪音訊號經過此濾波器即為粉紅噪音,最後藉由Q3電晶體放大後輸出。圖7則僅為一粉紅噪音濾波器,並以放大器取代電晶體做放大功能,隔離號源與負載電路。

6. 粉紅噪音產生器[Electronics Today International, 1976]

7. 粉紅噪音濾波器[Silicon Chip, January 1997]

本研究實際上的製作則參考上述兩電路,以兩個電晶體產生並放大噪音訊號,通過粉紅噪音濾波電路,再將濾波後的訊號以放大器放大,並隔離輸入訊號與負載,確保輸出的穩定,實際完成之電路如圖8所示。將此電路之輸出經音效卡轉換至電腦程式分析,獲得之結果如圖9所示,使用之分析軟體為“Cool Edit 2000”,圖中藍色曲線為程式模擬所產生之粉紅造音之頻率響應圖,綠色曲線為實際製作之粉紅噪音產生器訊號頻率響應圖,由圖可知,兩曲線斜率相當一致,顯示此粉紅噪音產生器之性能良好。

8. 粉紅噪音產生器實際電路

9. 粉紅噪音產生器性能分析圖

(3) 量測設備與八音度頻帶濾波器

CNS標準中量測設備規範中以25.4mm之電容麥克風【CNS T2012 8454,民八十七】,量測並計算各頻帶的音壓值。一般的音壓量測設備如噪音計,音壓值的量測需以麥克風為能量轉換的媒介,其輸出之訊號與音壓位準成比例關係,且為一隨時間高低起伏的訊號,一般是以均方根值(Root Mean Square, RMS)表示其實效值,其關鍵參數為RMS轉換之反應時間,其中又以快動特性(反應時間=125ms)最接近人耳之聽覺感受【勞工安全衛生研究所,民八十八】。將RMS值代入音壓級計算式,並以專業的音壓計校正結果,即可獲得可信之音壓值數據。音壓級的計算公式如下式(1)CNS C7143 7129,民八十四】:

                                                                                       (1)

其中,為音壓之均方根值,,為基準音壓。由於麥克風產生的訊號與實際之音壓位準成比例,上式可改寫成:

                                                                                 (2)

其中為麥克風電壓訊號之均方根值、k值為比例常數,參照電容麥克風之靈敏度資料並以專業音壓計校正可求出k值,進而獲得實際音壓值。本研究之設計功能要求為量測配戴耳罩前與配戴耳罩後之插入損失,即上述兩種情形下所量測到的音壓差,其值可由下式計算:

                                                                                             (3)

將上式(2)代入式(3)

       

       

                                                                                              (4)

本研究將採用電容麥克風作為拾音器,並以RMS轉換IC直接將麥克風電壓訊號轉換為電壓均方根值,再由測試程式計算簡化後得到聲衰減值的計算公式(4),即可獲得耳罩之聲衰減值。RMS轉換IC採用MAXIM公司之“MX536 True RMS to DC converter”,主要功能為計算電壓波形之均方根值,圖10為其原廠電路圖,其中反應時間可藉由外部電容設定,參照原廠技術資料並與原廠技術部門確認後,其=1對應115ms,且其電容值與反應時間為一線性比例,因此計算可得=1.09時反應時間為125ms

10. MX536電路圖【Maxim Integrated Products, 1998

除此之外,本研究之設計功能需能依序播放八度音頻帶的音壓,仍需一八度音度頻帶濾波器。八度音頻帶的定義為將一連續分布的聲音,在人耳可聽範圍內劃分成八個頻帶,且每一頻帶之上限截止頻率與下限截止頻率之比值為2,即,又中心頻率,因此其通過頻帶寬如下式計算:

                                                                               (5)

CNS C4424 11160標準中,亦詳細規定了此濾波器的訊號衰減曲線,其規範如圖9所示,詳細衰減值參照表2CNS C4424 11160,民七十三】。本研究參考此標準,應用市售濾波IC達成CNS規格。

9(a). CNS標準I型八音度濾波器特性範圍【CNS C4424 11160,民七十三】

9(b). CNS標準II型八音度濾波器特性範圍【CNS C4424 11160,民七十三】

2 八音度濾波器衰減量【CNS C4424 11160,民七十三】

頻率範圍

I型衰減量

II型衰減量

通過頻帶

以上、以下

-0.5~1dB以內

以上、以下

-0.5~6dB以內

衰減頻帶

9dB

18dB

-

40dB

33dB

 

-

60dB

45dB

 

根據CNS描述之濾波特性曲線,並藉由類比濾波器設計軟體“FilterCAD”計算,需八階帶通濾波器才能符合CNS II型標準,共需四個二階濾波器,各二階濾波器的截斷頻率以及品質系數如表3所示。

3. 各濾波器單元設定值

 

1

2

3

4

截斷頻率(X*Fc)

0.729

0.851

1.078

1.259

品質係數(Q)

4.5592

1.8329

1.8329

4.5592

増益(Gain at passband)

3.175

0.845

2.05

1.657

在實際電路製作上,本研究選用市售濾波晶片LMF100達成,此濾波ICSwitched Capacitor萬用濾波器,單一IC中含有兩個二階濾波器單元,可由外部電路電阻搭配達成各種24階濾波器,值得注意的是其截斷頻率由外部輸入時脈控制,兩濾波器單元亦可獨立調整截斷頻率,例如當輸入時脈為100kHz時,其內部之兩2階濾波單元可分別調整為100kHz*N1100kHz*N2,其中N1N2可由外部電阻搭配調整,以藉由兩濾波單元達成各種濾波特性曲線;而調整輸入時脈則可以獨立調整濾波器之中心頻率,且不影響濾波器的其他濾波特性,藉由這項特性,可分別將中心頻率設定為八音度濾波器之各中心頻率,以單一八階濾波電路即可獲得八音階濾波器的濾波效果,有利於發展自動化測試設備,達成分別播放不同八音階頻帶之測試訊號之功能,輸入時脈之設計將於本章下段詳細說明。

11為此濾波器的實際電路圖,其中元件包含了兩組LMF100濾波IC以及一個LM358放大器,由兩個LMF100濾波IC串接達到8階帶通濾波,而LM358則作為緩衝器,隔離負載電路以及訊號源,穩定訊號。

11. 八音度濾波器實際電路圖

4為此濾波電路之實際性能測試數據,其中,響應曲線性能測試方式參考CNS 11161 C3195八音度頻帶分析器檢驗法,以正弦波為測試訊號,量測特定頻率時,輸入與輸出訊號之電壓比,即為頻率響應【CNS C3195 11161,民七十三】。

實際量測時以濾波器最大輸入振幅範圍之正弦波為測試訊號,其電壓實效值為2.8V,並以1000Hz為中心頻率(Fc)往上、下調整輸入訊號之頻率,量測頻率為0.125Fc0.25Fc0.5Fc0.707Fc0.84Fc1Fc1.189Fc1.414Fc2Fc4Fc以及8Fc,並以式(4)計算輸入及輸出訊號之電壓時效值計算響應差。

4. 八音度濾波器實際測試資料

 

測試結果一

測試結果二

測試結果三

輸入訊號頻率

輸出()

響應(dB)

輸出 ()

響應(Db)

輸出 ()

響應(Db)

125

2.64

-60.1306

2.48

-60.6737

2.56

-60.3979

250

18.8

-43.0795

18.8

-43.0795

23

-41.3281

500

336

-18.0359

336

-18.0359

334

-18.0878

707

1480

-5.15746

1440

-5.39545

1540

-4.81228

840

2420

-0.88639

2400

-0.95847

2440

-0.8149

1000

2700

0.064579

2680

0

2720

0.128682

1189

2400

-0.95847

2380

-1.03116

2420

-0.88639

1414

1460

-5.27564

1400

-5.64014

1440

-5.39545

2000

334

-18.0878

336

-18.0359

336

-18.0359

4000

18.8

-43.0795

17

-43.9537

21.4

-41.9544

8000

0.46

-75.3075

0.32

-78.4597

0.32

-78.4597

12為上述資料繪製之實際響應曲線,其中本研究設計之八音度濾波器響應曲線(紅、紫、黃色線段)完全落在CNS II型八度音濾波器特性曲線範圍(藍色線段區塊),其性能符合CNS II型標準。

12. 八音度濾波器響應頻率測試圖

在中心頻率控制方面,本測試機台之測試訊號需依八音度頻帶分別播放,因此還需要一截斷頻率控制器,以控制濾波器以不同的截斷頻率濾波,產生適當頻帶的測試訊號。本研究將採用LMC555 Timer IC產生時脈,其時脈頻率F可由下式計算

                                                                                                        (5)

其中C各為其外部搭配之電阻與電容,如圖13(a)所示。其截斷頻率可由外部電阻控制,因此如圖13(b)所示,可以測試程式輸出二進位碼控制類比多工器,進而切換控制不同的外部電阻,達成自動化測試的功能。

13(a). LMC555電路圖                                   13(b). 多工器控制概念

[National Semiconductor, 2002]

本研究實際應用之類比多工器為MC14051,圖14為其功能示意圖,此多工器為八通道多工器,可由3組二進位指令控制八個通道中之一通道與輸出腳位導通,例如於ABC三個數入腳位各輸入010,則X2腳位將與輸出腳位X3導通,其控制碼之真值表如表5所示。藉由此八通道多工器,將可以3組訊號輸出使LMC555分別產生八種時脈,進而控制此本研究設計之濾波電路分別產生不同的濾波效果,達成分別波放八音度頻帶測試訊號之功能。

14. MC14051功能示意圖[Semiconductor Components Industries, LLC, 2000]

5. MC14051真值表[Semiconductor Components Industries, LLC, 2000]

Control Input

ON Switch

Inhibit

Select

C

B

A

X0

0

0

0

0

X1

0

0

0

1

X2

0

0

1

0

X3

0

0

1

1

X4

0

1

0

0

X5

0

1

0

1

X6

0

1

1

0

X7

0

1

1

1

X8

1

X

X

X

none

(4)聲學試驗頭型

在聲學試驗頭型設計上,除了須符合CNS標準外,也需考慮能與防音耳罩舒適性測試機台之架撐模型整合。先前研究中所設計之防音耳罩舒適性測試機台共有三項測試功能,可試驗防護耳罩之夾緊力、散熱性以及密合度密合度,其主要架構如圖15【黃宗正,民九十】所示。以下將簡單描述各項測試:

15. 防音耳罩舒適性測試機台架構圖【黃宗正,民九十】

l          夾緊力測試

本功能用於測試防護耳罩頭帶對使用者頭部產生之夾緊力,主要以架撐模型模擬人體頭型,其左右兩圓形平板功能為支撐防音耳罩,而架撐模型中心至一荷重元,直接量測耳罩施加於左右兩平板之夾緊力,其架撐模型尺寸以及測試程序符合CNS T2012 8454

l          散熱性測試

由於人的體溫產生熱能,配戴防音耳罩則會使熱能累積,造成悶熱感,本功能即為測試防音防護具的散熱能力,其測試原理利用加熱板及溫度控制器將接觸耳罩之圓形平板的溫度維持於攝氏37度,模擬一般人之體溫,再以一溫度感測器量測耳罩耳殼護蓋內部的溫度。

l          密合度測試

耳罩之密合度定義為配戴防音耳罩時,彈性墊與耳廓附近皮膚的密合程度,其測試原理參考歐洲、美加、日本,與澳洲之呼吸防護具測試國家標準,如圖16所示,在圓型平板上置一進氣口與一出氣口,將空氣以穩定之流量由進氣口導入耳殼護蓋與圓型平板內的空間,比較進、出氣口之氣流量以計算其洩漏率。

16. 密合度測試原理【黃宗正,民九十】

由圖15可知主要架構為其架撐模型,各項測試模組皆需藉由此元件與耳罩接觸、試驗,因此防音性能測試模組整合之關鍵亦在於此架撐模型,其中防音性能測試模組之感測器僅有一電容式麥克風。架撐模型的中心部位為一荷重元,並與兩側之平板直接連接,以由平板量測耳罩的夾緊力,然而CNS金屬頭型之設計為單一麥克風置於空心內部,此二設計概念無法完全整合。依照相同之拾音原理,並考慮與防音耳罩舒適性測試機台整合,因此本研究將於兩側圓形架撐平板各設置一麥克風,並將兩麥克風的訊號相加,再輸出以計算音壓值。整合後之試驗頭型如圖17所示。

17. 聲學試驗頭型與防音耳罩舒適性測試機台架撐模型整合

參考文獻

Electronics Today International, January 1976, Audio Noise Generator, project 441.

Maxim Integrated Products, March 1996, True RMS-to-DC Converters, 19-0824 Rev.2.

National Semiconductor, March 2002, LMC555 CMOS Timer, DS008669.

Semiconductor Components Industries, LLC, August 2000, MC14051B/D Rev.4.

Silicon Chip, January 1997, Pink Noise Source.

CNS T2012 8454,民國八十七年,「防音防護具」。

CNS C3195 11161,民國七十三年,「聲音及振動用八音度及1/3八音度頻帶分析器檢驗法」。

CNS C4424 11160,民國七十三年,「聲音及振動用八音度及1/3八音度頻帶分析器」。

CNS C7143 7129,民國八十四年,「聲度表」。

黃宗正,民國九十年,防音防護具舒適性能評估研究,元智大學機械工程研究所碩士論文。

勞工安全衛生研究所,民國八十八年,勞工聽力保護計劃指引(第二版),勞工安全衛生叢書,IOSH88-T-020