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作者:楊哲彰(2005-05-23);推薦:徐業良(2005-06-01)
附註:本文翻譯自American National Standard, ANSI S3.19-1974 (R 1979), “Method for the Measurement of Real-Ear Protection of Hearing Protectors and Physical Attenuation of Earmuffs”.

測量防音防護具真實人耳保護以及耳罩實體衰減的方法

1.     概論

1.1 範圍

本標準標示量測可配戴、用於保護聽覺系統抵抗過大聲響護具之防護特性與聲衰減性能,所需之心理物理學上的程序、實體需求,以及結果報告方式。

1.2 真實人耳防護法

真實人耳防護法(主要)描述的程序,乃於真人主體上進行心理聲學測試,此法為量測真人配戴完整開發之防音護具時之聽覺下限,此方法將於第3節說明。

1.3 實體衰減法

實體衰減法(補充)所描述之程序是以假人頭(聲學試驗頭型)為受測對象,用以量測防音護具於較高音壓下的聲衰減值。實體衰減法用以增補真實人耳防護法,並於第4節中說明。

1.4 應用

此標準之主要法適用於通訊元件、特殊頭盔-包含安全帽、壓力裝備、以及其他具防音特性之系統,也適用於結合上述裝備之防音護具,如耳塞加耳罩等。增補法適用於耳罩形式的防音護具,並可提供防音耳罩設計、使用、以及防護性能控制之相關資料,但耳塞不適用此方法評估聲衰減性能。不論是主要法還是增補法,都不適用於非線性防音裝置、對聲音振幅敏感之裝置、以及特別為防護突發噪音聲響設計之防音護具。這些裝置僅在其性能項目符合本標準要求時適用本標準,對於這些裝置的真實人耳量測方法尚未被建立,因此這些裝置的特殊性能之效果無法適當地以均一方式描述。

2.     定義

2.1 防音護具

為佩戴用以抵抗對於聽覺系統具傷害性的噪音之裝置。

2.1.1 耳塞

配戴於外耳道內或外耳殼上,阻絕外耳道入口之防音護具。

2.1.2耳罩

通常由頭帶與附有軟性耳墊之耳杯所構成的防音護具,可緊貼並完全覆蓋耳廓,或覆蓋環繞耳廓面之防音護具。

2.1.3 通訊用耳機

一種主要設計於通訊用之耳塞式或耳罩式的裝備,此裝備亦可能提供防音特性。

2.1.4頭盔

一種通常會以大範圍包覆頭部,有時作為防音護具功能之裝備。

2.2 開放聽力閾值

在人員未配戴防音護具時,於某一個特定訊號下,能夠喚起聽覺感應的最小有效音壓值。

2.3 封閉聽力閾值

在人員配戴防音護具進行測試時,於某一個特定訊號下,能夠喚起聽覺感應的最小有效音壓值。

2.4 真實人耳防護法聽力閾值

對於所有受試者於相同的測試條件下,其封閉聽力閾值(配戴防音護具)減去開放聽力閾值(未配戴防音護具)之平均值(dB為單位)

2.5 假頭

物理特性及尺寸可概略近似於實體成人男性頭型之裝置,用以量測耳罩式防音護具聲衰減性能之裝置。

2.6 耳罩之聲衰減

假頭內麥克風於配戴與未配戴防音護具時,在各個測試訊號下的頻帶音壓之數值差值(dB)

2.7 隨機入射聲場

在聲場空間中之一點,其聲波之入射角為隨機變化,是為隨機入射聲場。

2.8 回響時間

一個穩態產生的聲音源,於聲音停止後,其均方值音壓衰減60dB所需之時間。

3.     真實人耳法(主要)

3.1 實體需求

3.1.1測試空間之聲學環境

3.1.1.1 環境噪音 於測試空間受試者位置上的環境噪音(測試設備啟動,但無測試噪音訊號輸出,且受試者未在現場),不得超過表1所列之值。

1. 最大允許環境噪音

頻率(Hz)

八度頻帶音壓

(dB, re 20 mN/m2)

極限

中心

下半

上半

90

180

125

24

180

355

250

18

355

710

500

16

710

1400

1000

116

1400

2800

2000

14

2800

5600

4000

9

5600

11200

8000

30

※表1所列值乃經由附錄A之計算求得,上述給定的八度頻帶是基於預設的中心頻率,依據American National Standard Preferred Frequencies and Band Numbers for Acoustical Measurement, S1.6-1967(1971),為了用於本標準之1/3八度頻帶相同。

空間中任何可聽聞的噪音都可能對於某個測試頻帶部份造成遮蔽現象,這會提高開放聽力閾值,造成測試間的微小錯誤。環境空間若不能合乎此限定的噪音要求,可於選擇一個最小噪音之期間實行之,萬一空間出現外來的可聽聞噪音,受試者可藉由工具或裝備,通知測試者停止測試。

生理自生的雜音對於耳罩可能引起足夠的音壓,對於低頻帶的其中部分聲音產生遮蔽效應,這會提高封閉聽力閾值,造成得到較高的真實人耳測定值結果。

3.1.1.2 測試聲音 對於量測防音護具之真實人耳閾值,以1/3八度頻帶噪音為測試音源,並至少具備以下之中心頻率:125/250/500/1000/2000/3150/4000/6130/8000Hz。測試訊號之斷續最大以每秒1次,50%負載週期之脈衝方式呈現。當防音護具於某個頻帶下呈現較為較小,甚至較為負面的防音效果時,在1/3八度頻帶下,須即刻以鄰近於此頻帶訊號繼續量測,並紀錄至結果報告中。

3.1.1.3 聲場特性 可接受的聲場須遵照如下之條件:

(1)       當人員未於現場時,於每個測試頻帶之聲音下,空間內聲響的回響時間需介於0.5秒至1.6秒之間。

(2)       音壓於六個位置點的量測值(受測者不在場時,相對於受試者頭部中心,前後方10cm、左右方15cm、與上下方15cm等六個位置),在各個頻帶聲音下須小於6dB的變動範圍內,且左右方兩點之音壓差值不得超過2dB

3.1.1.4 聲場量測 測量空間聲場需使用方向性麥克風(cosinecardioid型式),具備前方至側面,以及前方至後方至少10dB排斥性(衰減)。一個聲場空間,若麥克風於測試空間之中心處沿空間內三個互相垂直的平面旋轉360°,其音壓變化小於如下表2者,則可被視為隨機入射聲場。

2. 對應於麥克風自由聲場排斥的可允許的隨機入射聲場響應變化

麥克風自由聲場排斥(dB)

可允許的隨機入射聲場響應變化

>25

6

20

5

15

4

10

3

<10,麥克風不適合

*

※當麥克風在隨機入射聲場中旋轉時,麥克風響應的變化與麥克風本身的方向性以及聲場之隨機性等級有關。可允許的聲場響應變化必須以麥克風自由聲場的方向性響應表示。表2表示出方向性麥克風之自由聲場排斥值,以及於本標準相對應的可允許聲場變化,麥克風的自由場排斥效應可經由量測,或由製造商的資料提供。

3.1.2 測試設備

測試設備應包含以下單元:白噪音產生器、1/3八度頻帶音頻濾波器、控制電路(on/off切換開關與校準的衰減器)、具備功率擴大機之揚聲器與受試者頭部位置固定裝置。

3.1.2.1 白噪音產生器 訊號源必須能夠於50Hz10000Hz範圍內產生1Hz頻寬內±2dB之平坦電平。

3.1.2.2 1/3八度頻帶濾波器 1/3八度頻帶之相關特性需遵照Class III filters in American National Standard Specifications for Octave, Half-Octave and Third-Octave Band Filter Sets, S1.11-1966(R1971)。濾波器切換連續的測試訊號須以分離的級進方式,漸進式的切換方式是不被接受的。只能使用允許加總之前直接輸出音頻的濾波器。

3.1.2.3 控制電路

(1) 需使用具備每個測試頻帶至少90dB之範圍的衰減器,衰減的級進步階需為2.5dB或更小,且衰減器必須於使用中之系統於最小的級進步階電平下校準,量測到與線性偏離數據需加以修正。

(2) 以受試者手動操作,採用衰減網路之程序,必須具備校準工具以調整輸出至受試者衰減器的訊號。衰減網路的性能特性應至少相當於(1)之要求。

(3) 訊號之on/ff切換需確保不會對於正常聽力的受試者聽感產生暫態的、或外來的雜音。在操作切換之後,測試訊號音壓自-20dB上升至-1dB(相對於最終的穩態音壓)所需之時間需不少於0.02秒,不多於0.10秒;測試訊號音壓下降20dB所需之時間不得少於0.005秒,且不多於0.10秒。這些要求與American National Standard Specifications for Audiometers, S3.6-1969(R1973)相一致,且須合乎於饋送至揚聲器之電子系統。

3.1.2.4 揚聲器

(1) 3.1.2所述設備相連結之揚聲器,在任何測試頻帶下於受試者位置點,需能提供至少大於封閉聽力閾值20dB,與低於開放聽力閾值10dB之音壓變化範圍。對於多數的防音護具,這相當於高於聽力閾值70dB到低於聽力閾值10dB之音壓。

(2) 至少1個揚聲單元需被放置於空間中3個主要的牆面(天花板-地板,與兩個相對的牆面),每個揚聲器需以近似無限大障板的方式裝設,揚聲器單體軸線不得直接對準受試者(須具備最少5度之偏移)。

3.1.2.5 頭部定位裝置 採用一些適當的工具用於固定受試者頭部於參考位置點(非頭靠,而對正於受試者鼻子的鉛錘是可被接受的)。這些裝置不得傳導至受試者頭部任何影響測試結果之震動,或是呈現反射性,或吸收性的表面而造成改變受試者耳部位置音壓。

3.1.3 失真度

當儀器於模擬最大音壓情況下,於中心頻率250Hz6300Hz至範圍內,以分離的聲音輸入時,整個系統在受試者頭部的總諧波失真(THD)須小於5%。當測試空間中產生最大的音壓時,相鄰頻帶的音壓需與S1.11-1966(R1971)所述之1/3八度頻帶濾波器特性相一致。

3.1.4 耳罩夾緊力量測

耳罩施與人頭兩側之夾緊力需被加以量測,測量時以新的,未使用過的樣本為主,拉撐至兩側耳杯相距14.35cm之距離,且頭帶底部至兩耳杯中心點連線之垂直距離為13.08cm,這些資料都要在真實人耳測試中一併呈現。

3.2 受試者

3.2.1

受試者每一耳的聽力須於250Hz1000Hz範圍內,聽力閾值不高於10dB,在其他頻率範圍內以音壓計量測(American National Standard S3.16-1969)下聽力閾值不高於20dB

3.2.2

若受試者於250Hz4000Hz頻帶內,任何三個連續的開放聽力閾值變異,如3.3.2之描述,若大於6dB者,不得成為受試者。

3.2.3

滿足本標準其他要求之受試者,且能得到合適的防音護具(3.3.3.1),若防音效果小時在報告中不得被省去。呈報結果時,若受試者沒有合適防音護具則需被加以記錄,但不包含於評估結果中。

3.3 測試程序

3.3.1 對受試者的指示

3.3.1.1 受試者需被完整地通知關於測試程序與測試情況。

3.3.1.2 受試者需使用頭部參考點位置固定裝置,來確保重複的測試步驟中皆位於同一個固定量測點。

3.3.2 開放聽力閾值

3.3.2.1 程序

(1) 受試者在接受測試前,至少須經過5分鐘無訊號輸入的“靜置”過程,且在接受測試前一個小時內不可暴露於過大音量的環境。

(2) 受試者的耳朵首先不配戴防音護具,開始以控制衰減器變化,調整3.1.1.2所述之每個測試頻帶,直到受試者開始聽見該訊號的聲音,此訊號於該情況是為開放聽力閾值,對於所有測試頻帶的開放聽力閾值應在每個封閉聽力閾值之前或之後立即量測,次序可替換。

(3) 3.1.1.2之範圍內,任何適合個別訊號的閾值判定的心理物理學或音響量測技術皆可使用,同樣的技術也可用於量測開放或封閉聽力閾值。

(4) 必須有一些方法,使每次呈現給受測者之測試訊號能有些微變化。

3.3.2.2 資料紀錄 防音護具之最後量測結果將以平均封閉聽力閾值減去平均開放聽力閾值表示,即為衰減器設定的差值,因此僅需紀錄衰減器設定即可(表示聽力閾值之設定)。

3.3.3封閉聽力閾值之判定

3.3.3.1 防音護具之適合 防音護具的適合對於聲學適應與聲衰減保護具有關鍵性,因此於封閉聽力閾值判定,其配戴防音護具的方法須表示為“受測者自行調整(一般)”,或“測試者調整(最好)”。於耳罩式防音護具之測量中,受試者眼鏡需摘下。如特別研究配戴眼鏡時耳罩防音效用,需要被清楚指出。

(1) 受測者自行調整 測試人員提供受測者詳細的耳罩配戴與適應指示說明,並與製造商的指示相一致,並提供受試者適當尺寸的防音護具。耳塞或耳罩須由受試者自行配戴。(a)防音護具配戴之後,白噪音開始產生,並且於受試者位置提供60dB70dB之音壓(re 20mPa),受試者此時需被告知自行調整配戴方式,直到聽到的噪音為最小值。(b)在測試開始後,其他調整防音護具的動作皆被禁止。

(2) 測試者調整 若要得到最佳化的防音性能,在3.3.3.1(1)(a)步驟完成後,測試人員須親自檢查受試者配戴防音護具後的情況,確保有良好的防音護具的配帶適應性,以及聲學的密閉性。若有需要,測試者可重新插入耳塞或調整其他防音護具以得到最佳的適應效果,但僅止於測試進行之前,不得於測試進行中為之。以此種適應方式得到之結果須被呈報為“測試者調整”。

3.3.3.2 封閉聽力閾值 當防音護具依據3.3.3.1所示配戴之後,封閉聽力閾值之測定須與前述判定開放聽力閾值之方式相同(3.3.2)

3.3.3.3 防音護具之數量 測試過程中,每個防音護具型號至少須準備2個,並準備多個標準尺寸以供使用

3.4 資料處理與報告

3.4.1 最少的樣本數

在每個測試訊號下,每個受測者真實人耳法的聽力閾值,應基於不少於三次的開放聽力閾值,以及不少於三次的封閉聽力閾值。每一次的測試都包含防音護具的重新適應動作。於聽力閾值判定時,須經常提供受測者休息期間。受測者應不少於10人。

3.4.2 報告量測結果

量測結果應至少報告九個指定的測試訊號(1/3八度頻帶)之總和平均數(grand mean)與防護值標準差。標準差s須以下式計算:

其中d為總和平均數與各別觀察點之差值,N為觀察點數量(3010個受測者各別有3個觀察量測值)。真實人耳防護法聽力閥值和標準差的個數,與測試訊號數一樣多,因此資料應以摘要表示成能顯示真實人耳防護法聽力閥值及標準差,與1/3八度訊號頻率之函數表格或圖形

3.4.2.1 當防音性能以圖形化表示時,紀錄紙中以頻率為橫座標,聽力防護性能為縱座標,其中橫坐標之頻率間隔與1/3八度頻帶中心頻率點相當,縱座標之防音性能(聲衰減性能)以dB為單位,採線性方式呈現。圖型上代表1/3八度頻率的十倍長度須與25dB之長度一致。

3.4.2.2 使用於建立環境噪音,未遮蔽聽力閾值(3.1.1.1)之方法應加以描述。

3.4.2.3 應描述出受試者的年齡,性別以及挑選的方式。

3.4.2.4 得到聽力閾值(3.3.23.3.3)之心理實體程序應加以描述。

3.4.2.5 防音護具之配戴調整(受測者自行調整或測試者調整)需被描述,並紀錄於圖形或表格化的防音性能資料中。

3.4.2.6 耳罩夾緊力量測,並紀錄於圖形或表格化的防音性能資料中。

4.     實體法(補充方法)

4.1 實體需求

4.1.1測試空間

4.1.1.1 聲學測試場 為一個隨機入射聲波的聲場,且對於80Hz10000Hz之音頻內之每個1/3八度頻帶,需符合下列要求:

(1)       噪音產生源須能夠產生50Hz12500Hz之寬頻內,1 Hz頻帶±2dB的平坦頻譜頻率,而提供80Hz10000Hz中心頻率頻帶內,每個1/3八度頻帶濾波器集合,每個叢125Hz起始,而延伸至8000Hz的測試頻帶需被量測。

(2)       在麥克風(拾音器)處每個測試頻帶之頻率音壓不得小於85dB(ref. 20mPa),且每個測試頻帶必須高於測試環境噪音至少60dB

(3)       聲場的聲波隨機入射特性之判定依據3.1.1.4。於主要法(primary method)中所使用的聲場若滿足(2)之要求,則可用於此測試法。

4.1.2儀器設備

4.1.2.1 聲學試驗頭型 聲學試驗頭型表面尺寸之建構需嚴格地依據如圖1所示,圖中兩個非平行的表面代表人頭的兩頰,而上部的曲面代表頭頂的表面,需施以覆蓋人造肌肉。在其中一個或兩個表面,於其中央處裝設實驗室型的標準麥克風(American National Standard type LM型麥克風),或使用於American National Standard type II音壓計之麥克風。當麥克風的外徑小於0.936 in.±0.0002 in.時需使用轉接器,麥克風的振膜需與人造肌肉之表面共平面。

(1)       聲學試驗頭型之隔音於測試頻帶內不得低於60dB,隔音動作係指以一個杯型薄壁金屬,在聲學試驗頭型尚未覆蓋人造肌肉時,以油脂密封於頭型之表面,此數值之量測為隔音前與隔音後之差值。

(2)       人造肌肉需被製成厚度6mm±1mm(0.2 in.±0.04 in.),材料在Shore“00”硬度計量測下,須呈現20±5之數值。

1. 假頭

4.1.2.2 聲學試驗頭型 聲學試驗頭型表面尺寸之建構需嚴格地依據如圖2所示,圖中兩個非平行的表面代表人頭的兩頰,而上部的曲面代表頭頂的表面,需施以覆蓋人造肌肉。在其中一個或兩個表面,於其中央處裝設實驗室型的標準麥克風(American National Standard type LM型麥克風),或使用於American National Standard type II音壓計之麥克風。當麥克風的外徑小於0.936 in.±0.0002 in.時需使用轉接器,麥克風的振膜需與人造肌肉之表面共平面。

2. 隔音測試杯

4.1.2.3 夾緊力設備。夾緊力量測設備如圖3所描述。

3. 夾緊力量測系統

4.2 測試程序

4.2.1衰減量測

4.2.1.1 耳罩安置 耳罩需以下列方式安置定位:可調整的頭帶需拉張至最大尺寸,將防音護具(耳罩)撐開,以耳罩兩邊耳墊的中心點對準聲學試驗頭型之兩非平行面之中心點密合地安置,頭帶長度須縮短,使其完全地與聲學試驗頭型的頂端曲面完好接觸。

註:頸背彈簧式的防音護具,或是諸此類無固定頭帶彈簧之防音護具,須以製造商的使用說明安置於聲學試驗頭型,但如4.2.1.1之條件必須成立。

4.2.1.2 測量 試驗空間中,在聲學試驗頭型無配戴上耳罩時,麥克風處的各頻帶音壓需被測量,接著將耳罩依4.2.1.1之方式,放置於聲學試驗頭型上,再測量一次麥克風處之音壓,在連續掃瞄式的濾波器之使用下,讀數以各個中心頻率為主。

(1)   測量需針對耳罩的每個耳杯(earcup)進行,且耳罩已覆蓋麥克風。

(2)   若左右耳杯於各個音頻音壓量測之差值小5dB,須採此兩數值之算術平均數呈報;若差值為5dB或大於5dB者,每個耳杯的聲衰減值須個別呈報。

4.2.1.3 防音護具之聲衰減 防音護具配戴於聲學試驗頭型前後,各個頻帶音壓(dB)之代數差值,即為此裝置之聲衰減值。

4.3 資料呈報

4.3.1

防音護具聲衰減資料應以圖形化方式呈現,頻率為橫座標,以1/3八度頻帶各頻率點為等距區間,縱座標為線性分佈的衰減值,將資料點連成直線。1/3八度的十倍區間圖形長度應與25dB之長度相當,縱座標需標示成145dB的相等區間,從在橫座標上的60B,直至-10dB。座標值可在細分割。

4.3.2

圖形需清楚地標示出為實體量測法,日期、型號、頭帶夾緊力,執行測試人員與其他任何相關資料都應包含於圖中。

附錄A 最大允許噪音量之計算

此附錄並非ASA針對於量側防音護具之真實人耳遮聲性能,與耳罩實體聲衰減的標準方法(ASA STD 1-1975),僅包含於此資訊中。

於表1中的八度頻帶的最大允許噪音量之計算,採表A1之資料於下列算式:(當遮蔽值假設為零)

A1. 計算對大允許噪音值之資料

頻率(Hz)

噪音頻帶(Hz)

T (dB)

CN (dB)

CB (dB)

LN (dB)

125

90- 180

20.8

19.5

16.0

24

250

180-355

11.2

22.4

15.5

18

500

355-710

6.0

25.5

15.5

16

1000

710-1400

4.2

28.4

16.5

16

2000

1400-2800

1.0

31.5

18.5

14

4000

2800-5600

-3.9

34.5

21.0

9

8000

5600-11200

-15.3

37.5

23.0

30

A1ISO (International Organization for Standardization) Recommendation R226-1961, Normal Equal-Loudness Contours for Pure Tones and Normal Threshold of Hearing Free Field Listening Conditions.

A2N.R. French and J. C. Steinberg, “Factors Governing the Intelligibility of Speech Sounds,” J. Acoust. Soc. Am. 19, 90-119 (1974), Fig.7.