氣囊耳塞的設(shè)計改進及基于人頭錄音設(shè)備的實驗模擬

李劍峰　韓一江　蒲思旭　李奕霖

摘? ?要：現(xiàn)代社會，越來越多的人因各種噪音問題而失眠，長此以往極易引發(fā)健康問題。市面上現(xiàn)有耳塞產(chǎn)品不能很好的滿足用戶的需求。筆者對市場現(xiàn)有產(chǎn)品進行改進分析，申請氣囊耳塞專利一項，后在模型樣機中進行了進一步改進。本文針對現(xiàn)有氣囊耳塞專利進行了設(shè)計改進，并使用人頭錄音設(shè)備對功能樣機的消噪能力進行了測試，以便與市場現(xiàn)有產(chǎn)品的消噪能力進行對比。

關(guān)鍵詞：氣囊耳塞? 人頭錄音設(shè)備? 消噪能力

中圖分類號：TN643? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0080-03

車水馬龍的現(xiàn)代社會，自電燈發(fā)明進入工業(yè)時代后，人們逐漸脫離了日出而作，日落而息的規(guī)律生物鐘，睡眠時間逐漸延后，同時，汽車汽笛聲，家用電器電機的工作噪音等也嚴重影響著睡眠障礙人士的睡眠狀況。相關(guān)研究表明，噪聲對人的情緒與精神狀態(tài)有著極大的影響，例如朱博[1]借助于 meta 分析噪聲工人，發(fā)現(xiàn)其緊張 - 焦慮、憤怒 - 敵對、抑郁 - 沮喪和疲憊 - 惰性的測試結(jié)果均顯著高于對照組，這幾種精神狀態(tài)不僅容易使患者處于亞健康，更會使人放大在安靜環(huán)境中對噪音的感知（服用部分精神類藥物產(chǎn)生的副作用類似于此）。相較于白天處于聲源豐富的喧鬧環(huán)境中的渙散狀態(tài)，進入夜晚后睡眠障礙人士更容易受到微小且振動規(guī)律的聲源的刺激，從而無法專心睡眠，進入失眠狀態(tài)。長此以往會造成不同程度的焦慮情況。

對于這種因噪音干擾所造成的失眠問題，睡眠障礙者一般使用耳塞輔助消噪以進入睡眠。市面上的耳塞主要分為物理消噪（入耳式）耳塞、物理消噪（非入耳式）耳罩和有源降噪耳塞（罩），其中物理消噪（入耳式）耳塞的種類最為多樣。筆者曾申請過一項名為《服務(wù)于睡眠障礙人士的自滑脫耳塞設(shè)計》的實用新型專利（專利號201821997328.5），設(shè)計初期在一些方面較為理想化，致使在制作功能樣機時未能達到預期功能。經(jīng)過團隊的后續(xù)調(diào)試，對原專利進行了如下改進。

1? 設(shè)計改進

1.1 電磁鐵復位問題

在設(shè)計初期，該專利將一電磁鐵置于環(huán)形滑軌槽中（如圖1），在功能樣機里我們使用XDA-P15/5型電磁鐵，該電磁鐵額定吸力為1kg，實際操作時因蓄電池電源的實際電壓低于12V，且電磁鐵在通電1min后發(fā)生了較嚴重的發(fā)熱現(xiàn)象，通電后與外徑30mm、內(nèi)徑10mm、厚5mm的不銹鋼環(huán)相距10mm以上時便難以自行吸附。

若按照原設(shè)計方案，在實際使用時，電磁鐵（14）在滑軌槽（11）中的位置并不固定，在未加裝限位器的情況下，電磁鐵在滑軌槽中會隨意滑動，每次使用前需手動倒置耳機以完成復位，頗為不便。不僅如此，如果使用者在睡眠時并沒有翻身，持續(xù)處于側(cè)臥狀態(tài)（這里以左側(cè)臥為例），那么右耳部分的電磁鐵就缺少外力使其與不銹鋼環(huán)（12）分離，氣囊不能保證完全泄氣。在參考了OPPO Find X手機的攝像頭升降式機械結(jié)構(gòu)后，在新的設(shè)計中，為了讓電磁鐵在對準不銹鋼環(huán)中的泄氣孔后可以定時自動復位，經(jīng)過測算，結(jié)合參考了實際使用時對準所需的理想時間，選用了行程為50mm，導程為6mm的T0606-50mm型28mm步進電機驅(qū)動的絲桿導軌滑臺。經(jīng)樣機測算，在向前推進時，從開始位置至與不銹鋼環(huán)吸合，過程耗時僅為2.4s，時間較短，且吸合牢固。在使用前我們分別對延時繼電器和滑臺的控制器設(shè)置了斷電時間與復位時間，在延時繼電器對電磁鐵斷電后，滑臺也正常復位，達到了預期功能。在作為功能樣機進行測試時，礙于材料有限的可采購尺寸，樣機體積過大，且滑臺所產(chǎn)生的機械噪聲明顯。在實際投產(chǎn)后，可根據(jù)生產(chǎn)需要精簡零件，對產(chǎn)品體積進行進一步調(diào)整，便于投放市場。

1.2 關(guān)于一鍵控制的實際情況改進

在設(shè)計初期的原設(shè)計在理想化模型中，預期效果期望達成只需一次定時即可完成整套定時斷電流程。在模型樣機的實際操作時，因市場在售設(shè)備型號所致的材料采購問題，購入的28mm步進電機驅(qū)動額定電壓為24V，XDA-P15/5型電磁鐵額定電壓為12V，無法同時通過一個繼電器控制，且滑臺在斷電后不能完成復位操作。遂功能樣機采用三段控制設(shè)計，首先通過定時繼電器為電磁鐵的電源定時，再為滑臺定時，并驅(qū)動滑臺與不銹鋼環(huán)吸合，最后按下氣泵電源鍵為氣囊供電。在使用行程結(jié)束后，電磁鐵斷電，滑臺復位，晨起后為滑臺斷電即可。

2? 實驗模擬

2.1 設(shè)備選擇與測量方法

對于傳統(tǒng)的物理降噪耳塞，聲壓衰減和佩戴舒適性是最為看重的兩個參考指標。對于降噪性能的試驗測試，主要有主觀測試法與模型測試法。其中王超和邱小軍[2]在使用主觀測試法時，由受試者本人佩戴降噪耳塞后，對帶寬在250～8000Hz的不同聲壓的環(huán)境音進行主觀判斷，噪聲的聲壓級按照較小的步進增加或減小，參加測試者被要求在噪聲增加到恰好能聽到時按下一個按鈕，在噪聲減小到恰好聽不到時放開按鈕。此方法適用于非入耳式有源消噪耳罩類耳機的降噪值測試，對于入耳式耳塞，尤其是物理降噪耳塞，區(qū)別于使用者的實際耳道口徑與深度，以及其他諸如聽力衰減程度的不同等影響因素，干擾因素較多，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

物理消噪耳塞的消噪流程如下：佩戴消噪耳塞后，噪聲在經(jīng)過耳塞，外耳道后傳入鼓膜，引起鼓膜振動，產(chǎn)生聽覺反應(yīng)。相較于有源消噪產(chǎn)品，物理消噪耳塞主要是由耳塞本身的結(jié)構(gòu)與材料組織隔聲。人耳的聽覺反應(yīng)是立體的，會根據(jù)聲音的時間差判斷方位，即所謂的哈斯效應(yīng)。而且，人耳對聲音的感知還依賴于皮膚對聲波的傳導，以及面部骨骼和耳廓對聲波的反射和衍射。進行類似的人耳仿真音頻采樣的方法有（1）將麥克風嵌于人工頭的人耳鼓膜位置附近錄音。（2）將特制麥克風置于受試者耳道內(nèi)進行錄音。（3）使用HRTF頭相關(guān)變換函數(shù)對音頻進行后期處理。實際情況中，方法（2）有一定的侵入性，實際操作中對人體有不可控的傷害，方法（3）非專業(yè)人士不易處理。所以在設(shè)備的選擇方面，應(yīng)選擇外耳廓仿真，且有一定耳道深度的人工頭或人工耳設(shè)備。市面上較易于采購的此類設(shè)備有美國生產(chǎn)的3Dio人頭錄音設(shè)備，本次模擬實驗采用性能優(yōu)于3Dio的，由上海趣聲科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的Binal One人頭錄音設(shè)備。

實驗在一本底噪聲處于30～40dB左右的房間內(nèi)進行，內(nèi)部尺寸約為6.0m×3.0m×3.0m。Binal One人頭錄音設(shè)備外接Zoom H5型錄音筆，通過xlr線與Binal One相連。錄音筆開啟Stereo File模式，因功能樣機只有單側(cè)，故INPUT只開啟L通道，左聲道增益為4，對左側(cè)仿真人耳進行錄音。錄制方法如下：待滑臺和電磁鐵通電后，將滑臺的復位定時設(shè)置為120s，電磁鐵斷電時間設(shè)置為115s，滑臺推動電磁鐵吸附不銹鋼鐵環(huán)，按下氣泵開關(guān)，氣囊在仿真人耳內(nèi)略固定后使用超輕粘土進行進一步固定。在仿真人耳的左耳耳廓附近播放10kHz的標準音源，分別將聲源的聲壓調(diào)試至50dB、60dB、70dB、80dB（使用分貝儀輔助調(diào)試），并進行10s的錄音采樣。每個聲壓級給予5次模擬測試，因樣機的電磁鐵無法長時間供電，實驗需多次反復進行。

對比音頻的錄制：因為單聲道與立體聲兼容起來需要用X-Y制式[3]，所以對比音頻的錄制采用Zoom H5錄音筆和與其適配的X-Y麥克風，在80dB標準音頻作為環(huán)境音的條件下調(diào)試麥克風增益與標準音源持平，左聲道增益為4，然后分別對50dB、60dB、70dB、80dB的標準音源進行10s錄音。最后將所以錄音文件導入Adobe Audition CC 2017中，調(diào)整波形較低音頻的振幅，直至與波形較高的音頻基本重疊，該調(diào)整值即為降噪值（如圖2）。

2.2 實驗結(jié)果與結(jié)論

從以上的測試結(jié)果可以看出，耳塞樣機在聲壓70～80dB的環(huán)境中測試效果優(yōu)于50～60dB，平均降噪值為16.6dB。作為對比，市面上常見的物理降噪入耳式耳塞的降噪值如表1。數(shù)據(jù)顯示該試驗樣機的平均降噪值低于市場現(xiàn)有產(chǎn)品的普遍降噪值。

作為一個開拓創(chuàng)新的功能樣機，本產(chǎn)品對市場現(xiàn)有產(chǎn)品進行了改進與創(chuàng)新，填補了相關(guān)市場的空白。但在設(shè)計方面仍有很多的不足之處，投入到實際生產(chǎn)中時可根據(jù)實際情況進行調(diào)整，使其降噪功能追平市面上的其他在售產(chǎn)品。在實驗方法上，人頭錄音設(shè)備可滿足多數(shù)無聲學實驗室及相關(guān)配套器材的學校單位的實驗需求，模擬精度良好，本實驗方法具有一定的借鑒意義與參考價值。

參考文獻

[1] 朱博，王新，孫明偉，等. 生產(chǎn)性噪聲與工人情感狀態(tài)關(guān)系的 Meta分析[J].中國衛(wèi)生工程學，2012，11（2）：121-122.

[2] 王超，邱小軍.有源消噪耳塞測試方法研究[J].電聲技術(shù)，2011，35（2）：78-82.

[3] 尹珺.立體聲錄音技術(shù)分析及輔助音樂教學探究[J].北方音樂，2018，38（15）：157.