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作者:游景鈺(2003-07-22);推薦:徐業良(2003-07-22)
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。

電子濾波式防音耳罩性能驗證

本研究延續先前「防音防護具舒適性能評估研究」之研究,並達成下列兩項成果,一為研發可調整濾波式防音耳罩,提升防音防護具之遮音效果,提供一般使用者良好的聽力防護設備;第二則為設計及研發防音耳罩舒適性能與防音性能整合型測試機台,提供噪音環境之廠商檢測防音耳罩性能之工具。本研究完成電子濾波式防音耳罩以及防音耳罩之舒適性與防音性能整合型測試機台原型之設計與製作,如圖12所示。在先前之章節中已對防音性能整合型測試機台做出設計驗證,本章將以此測試機台對本研究所研發之可調整濾波式防音耳罩原型作性能評估,包括重量、夾緊力、散熱性、密合度共四項舒適性測試,以及插入損失測試、實際濾波效果測試等兩項性能測試。以下將詳細敘述測試結果。

1. 可調整式濾波防音耳罩

2. 防音防護具整合性測試機台

1.     可調整濾波式防音耳罩舒適性能測試

防音耳罩舒適性測試以先前研究「防音防護具舒適性能評估研究」【黃宗正,2001】所提出之4項舒適性能指標為測試項目,包括重量測試、夾緊力測試、散熱性測試、與密合度測試。除重量測試以精密電子秤量測外,其餘測試項目皆使用本研究研發之整合型測試機台測試。

本研究所研發之可調整濾波式防音耳罩原型,是將自行研發之電子濾波模組以及麥克風、喇叭、電池等組件,掛載於耳BILSOM公司之2450耳罩。舒適性能測試結果除重量增加145公克,其餘項目與改裝前原防音耳罩性能表現相近。表1為改裝前與改裝後之舒適性能測試結果。良好的耳罩舒適性指標數值應為重量低於245g、夾緊力低於10.5N、密合度測試之洩漏率低於10%【黃宗正,2001】。本研究所研發之可調整濾波式防音耳罩原型加掛元件中以電池所佔的比例最重,約55%,輕量化設計之主要目標將為電力提供元件之更換,應可達成245以內之目標。

1. 可調整濾波式防音耳罩原型舒適性能測試結果

 

重量

夾緊力

散熱性

密合度洩漏率

改裝前

133g

4.1N

30

10%

改裝後

278g

4.1N

32

13%

2.     可調整濾波式防音耳罩性能測試

2.1 插入損失測試

防音耳罩之防音性能測試機台的各項設計與測試方法皆參考CNS國家標準設計,測試流程先量測環境噪音、擴散音場之性能,再將測試機台置於音場內測試,測試時依序播放各八音階頻帶之測試訊號,先量測未配戴耳罩時之訊號音壓,再量測佩帶耳罩後之訊號音壓,兩者相減即為防音耳罩之插入損失。測試結果如表23所示。

2. 測試環境數據

背景噪音測試

56dB

擴散音場性能測試

(1kHz-90dB)

中心

91.3

91.7

89.6

91.0

90.2

92.1

90.2

3. 濾波式防音耳罩插入損失

頻帶(Hz)

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

插入損失(dB)

11

12

15

18

20

24

28

25

標準差(dB)

4.3

3.6

2.4

2.1

2.3

3.2

4.1

3.2

本研究設計製作之電子濾波式防音耳罩為一可調整濾波截斷頻率之防音耳罩,主要功能在可調整史特定頻帶之聲音由外界傳入耳殼護蓋,達到突顯人聲、降低噪音之功能,以下將針對濾波功能開啟,測試兩種不同截斷頻率下之插入損失,其結果如表45所示。

4. 濾波式防音耳罩插入損失(濾波功能開啟,Fc=1000

頻帶(Hz)

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

插入損失(dB)

9

10

12

12

14

24

28

24

標準差(dB)

3.9

3.3

2.4

2.2

2.0

2.4

2.8

3.2

5. 濾波式防音耳罩插入損失(濾波功能開啟,Fc=2000

頻帶(Hz)

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

插入損失(dB)

9

11

11

12

12

17

27

26

標準差(dB)

3.7

3.1

2.4

1.8

2.3

3.2

3.3

3.2

在防音性能測試結果中,表3之插入損失結果即為本研究研發之性能模組裝置於BILSOM 2450耳罩後之基本防音性能,而耳罩之濾波功能開啟後,其防音性能曲線改變,如圖3所示,濾波功能開啟後,對應通帶內頻率之插入損失減小,意即此通帶內的聲音與通帶外的聲音相比有較大之音量,亦即通帶內的聲音將被突顯,而對應通帶外頻率的插入損失則保持與濾波功能未開啟時相同。

3. 八音度頻帶插入損失曲線比較圖

2.2 實際濾波效果測試

實際濾波效果測試是取得同時存在噪音與人聲環境下耳殼護蓋內收到的聲音,再藉電腦程式分析以驗證本研究所研發之可調整濾波式防音耳罩濾除噪音、保留人聲的效果。測試方法為將測試機台的麥克風訊號與電腦設備之音效卡連接,使用電腦程式錄音,並做頻域轉換。本研究共測試了2kHz4kHz8kHz以及無施加噪音情形下,可調整濾波式防音耳罩之性能表現,圖4~6為各噪音情形下頻率響應-時間圖以及整體響應-頻率圖之測試結果。其中頻率響應-時間圖的x軸為時間、y軸為頻率、z軸為響應,顏色越偏紅色代表能量越高,可作為連續時間內之頻譜分析,圖中包含三個部分,分別代表施加不同噪音情形時,未帶上耳罩、戴上耳罩、戴上耳罩並開啟濾波功能的測試結果,並以0.2秒黑色無聲之區段分隔。整體響應-頻率圖則將頻率響應-時間圖中的三個部個別分析,求取各部分連續時間內之平均頻率響應曲線,並以不同顏色繪製以利比較,其中紫、藍、黃三色分別代表未帶上耳罩、戴上耳罩、戴上耳罩並開啟濾波功能。

4(a). 僅人說話聲之頻率響應-時間圖

4(b). 僅人說話聲之平均頻率響應圖

4(a)4(b)為不特別施加噪音,除少量之背景噪音之外,僅有人說話聲音為測試訊號,因此圖4(a)的第一個部分可作為本試驗人聲頻譜之參考。圖4(a)中可以很明顯的看出,戴上耳罩後高頻部分的聲音有明顯程度的衰減、低頻的部分衰減的情形較小,人說話的聲音僅剩下低頻(約1000Hz以下)部分。圖4(a)的第三部分為開啟濾波功能(Fc=1kHz)後之情形,其聲音能量明顯地較為接近未佩戴耳罩後的聲音,參考圖4(b)1kHz以上之聲音能量明顯較為佩戴耳罩增加,其曲線亦較接近未佩戴耳罩之頻率響應。

5(a). 施加2kHz噪音與人說話聲之頻率響應-時間圖

5(b). 施加2kHz噪音與人說話聲之平均頻率響應圖

5(a)5(b)除人聲外,另施加一特定噪音進行測試,施加的噪音為粉紅噪音經中心頻率2kHz之八音階濾波器濾波,其主要能量集中於2kHz。如圖5(a)所示,其第一部分中可看出有一中心頻率為2kHz的穩定高能量聲音持續存在於連續時間內,其能量涵蓋之範圍約為1kHz~3.5kHz,此聲音能量即為所施加的噪音能量,人說話聲之聲音能量在1kHz以下仍可看出,超過此頻率之聲音則被噪音能量覆蓋,無法由圖中分辨。戴上耳罩後,高頻部分的噪音、人說話聲能量都被耳罩遮蔽而衰減,開啟濾波功能後(Fc=1kHz),人聲頻帶的能量略有增加,參考圖5(b),其平均之頻率響應曲線(黃線)在500Hz1kHz之間與未開啟濾波功能(藍線)相比,有較高的能量,1kH以上則無明顯差異,仍然被噪音能量所覆蓋,另白色線段為曲線重疊部分。

6(a). 施加4kHz噪音與人說話聲之頻率響應-時間圖

6(b). 施加4kHz噪音與人說話聲之平均頻率響應圖

4kHz噪音與人說話聲音環境,其測試結果如圖6(a)6(b)所示,其中圖6(a)中的第一部分可明顯的看出噪音能量約涵蓋1.5kHz~7kHz,人說話的聲音能量在2kHz內尚可分辨,戴上耳罩後(第二部分)高頻部分的聲音包括噪音與人說話聲皆有相當程度的衰減,開啟濾波功能(Fc=1kHz)1kHz以下人說話聲音能量有增加的效果產生,參考圖6(b),比較開啟(黃線)與未開啟濾波功能(藍線)頻率響應曲線,可發現開啟濾波功能後,500Hz~2.5kHz的聲音能量有明顯的增加,與未開啟濾波功能的曲線比較亦更為接近圖4(b)中僅人聲之平均響應曲線,增加人聲頻帶聲音之效果亦較施加2kHz噪音更為顯著。

由上述兩實驗可歸納以下結論:

(1)   濾波式防音耳罩確實可改變耳罩之插入損失曲線,使特定頻帶有較低的插入損失,此頻帶的聲音將有較高的音量;

(2)   在能量集中於非人聲頻帶內的噪音環境下,可調整濾波式防音技術可增加人聲頻帶之聲音能量,藉以達到增加減低噪音、突顯人聲的效果。

本研究設計之可調整濾波式防音耳罩之主要目的在於解決使用者配戴耳罩時不容易交談的問題,上述兩實驗的結果證明了本研究設計製作之可調整式濾波耳罩得以調整耳罩之頻帶-聲衰減曲線,並在特定的噪音環境下可達成減低噪音、突顯人聲的效果,使配戴耳罩時較容易交談。

3.     結論與討論

本研究已完成「防音耳罩舒適性與防音性能整合型測試機台」以及「可調整濾波式防音耳罩」,並以實際測試完成上述兩項研究成果之性能測試。以下將本研究所得之結論做一完整說明。

(1)   經過本研究之實驗,可調整濾波式防音技術具有改變防音耳罩之頻帶-聲衰減值曲線,在特定高頻率噪音環境下可達到減低噪音、突顯人聲的效果。

(2)   可調整式濾波技術可依照不同的噪音環境以及個人習慣調整濾波頻帶,較一般固定頻率式之濾波防音技術具有更高之彈性,可符合更廣泛之使用環境。

(3)   可調整式防音技術對於人聲頻帶內之噪音仍無法消除,當濾波功能開啟時,頻帶內的聲音將透過麥克風傳遞至耳殼護蓋內部,在此頻帶內之環境噪音亦然,若噪音能量集中於此頻帶內部,則濾波式防音技術將無法在此噪音環境中提供突顯人聲功能。

(4)   本研究歸納之結論為以客觀之實驗方式所獲致之結果,為客觀之參考依據,然而人的聽覺為一主觀之感受,無法單就客觀實驗完全詮釋,本研究對可調整濾波式防音技術之實驗結果雖不能代表實際且主觀之聽覺感受,但所提供之結論仍可作為相當可靠可信之客觀參考。

(5)   進行防音耳罩之插入損失試驗時,環境噪音對實驗有相當之影響,CNS規範之測試訊號為固定音壓值,背景噪音規範僅需小於測試訊號10dB以上。然而較高之環境噪音將造成實驗數據有所誤差,實驗時應儘可能將低環境噪音,已獲得最準確之實驗結果。

4.     未來展望

本研究設計製做之測試設備與防音技術模組仍為設計之原型,仍有改進之空間,已下將列出本研究未來可改進以及可應用之方向。

(1)   濾波式防音技術目前仍無法應用於所有的噪音環境,藉由更深入的噪音分析以及進階之濾波器設計,應可獲得良好之突顯人聲性能。

(2)   可調整濾波式防音模組仍為設計原型,其電路元件如類比IC、電阻、電容等皆受限於製造技術而採用體積較大之元件,實際商品化生產時則可採用體積更小之元件達成,對於體積以及重量將有更大之改善空間。此外本研究所設計製作之原型所使用之電源為3AAA電池,若更換為更小之電池,將可減輕整體設計之重量,以符合舒適性設計準則。

(3)   實驗機台原型目前仍需人工手動操作各項測試,然而機台之設計皆以自動化測試設備之型態進行製作,藉由電腦程式介面將可達成其自動控制功能,提升實驗之精確度並縮短測試時間。