基于主成分分析的護(hù)聽器優(yōu)選方法研究

鞏泉泉，謝連科，竇丹丹，趙佳美，朱亦丹

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003；2.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京100054)

0 引 言

隨著改革開放的深入，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，抽水蓄能電站的建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展期。由于抽水蓄能電站具有高水頭、大容量、機(jī)組高轉(zhuǎn)速、水流雙向運(yùn)轉(zhuǎn)、工況變換頻繁等特點(diǎn)，其振動輻射的噪聲相當(dāng)明顯，對在廠區(qū)內(nèi)作業(yè)的人員造成極大的影響。長期工作在高噪聲的環(huán)境中，如果不采取有效的防護(hù)措施，極有可能導(dǎo)致永久性的聽力損失，甚至嚴(yán)重的職業(yè)性耳聾[1]。目前很多國家都已把職業(yè)性耳聾列為重要的職業(yè)病之一[2]。因此在抽水蓄能電站高噪聲區(qū)域工作的人員，需要進(jìn)行聽力保護(hù)，以避免產(chǎn)生聽力損失。本文通過對市面上112種護(hù)聽器進(jìn)行插入損失測試，利用主成分分析方法，結(jié)合某抽水蓄能電站10種工作場所現(xiàn)場噪聲情況，確定所測試的護(hù)聽器更適用的工作場所。

1 抽水蓄能電站作業(yè)場所的特點(diǎn)及分析

為了充分了解抽水蓄能電站的噪聲情況，從而為其選擇最佳的噪聲防護(hù)設(shè)備，分別對某抽水蓄能點(diǎn)站現(xiàn)場的噪聲環(huán)境進(jìn)行了測量。主要測量作業(yè)場所內(nèi)的噪聲照射值，測試時間為2018年3月21日～3月23日，測試期間在各機(jī)組運(yùn)行時狀態(tài)下，通風(fēng)等設(shè)施正常運(yùn)行。經(jīng)測試得到發(fā)電工況下各機(jī)組運(yùn)行結(jié)果，如表1所示。

通過表1可知，等效聲級超過85 dB(A)的現(xiàn)場作業(yè)場所為發(fā)電機(jī)層1#發(fā)電機(jī)內(nèi)、水輪機(jī)層1#水車室外、水輪機(jī)層1#水車室內(nèi)、水輪機(jī)層2#水車室內(nèi)、水輪機(jī)層3#水車室內(nèi)、蝸殼層2#尾水錐管室外、蝸殼層2#尾水錐管室內(nèi)、蝸殼層3#尾水錐管室外、蝸殼層3#尾水錐管室內(nèi)和主變洞3#主變室10種檢測地點(diǎn)。對發(fā)電工況下這10種作業(yè)場所進(jìn)行頻譜測量和分析，結(jié)果如圖1所示。

表1 發(fā)電工況下1#、2#、3#機(jī)組運(yùn)行工作場所噪聲檢測結(jié)果Table 1 Noise detection results at the operation workplaces of 1#, 2#, 3# units in the power generation working condition

2 護(hù)聽器的選擇

2.1 護(hù)聽器的初步篩選

隨機(jī)選取市面上的112種護(hù)聽器，參考GB/T 7584.3-2011《聲學(xué)護(hù)聽器第3部分：使用專用聲學(xué)測試裝置測量耳罩式護(hù)聽器的插入損失》和GB/T 7584.2-1999《聲學(xué)護(hù)聽器第2部分：戴護(hù)聽器時有效A計權(quán)聲壓級估算》[3-4]，對這些護(hù)聽器進(jìn)行插入損失測試。

使用B&K頭和軀干模擬器4128C進(jìn)行測試。利用粉紅噪聲作為噪聲源，分別測試沒有護(hù)聽器封閉和有護(hù)聽器封閉兩種情況下的聲壓級，兩次測量結(jié)果的差值即是護(hù)聽器的插入損失：

其中：Ll,Aeq為佩戴護(hù)聽器后對應(yīng)檢測場所的等效連續(xù)A聲級；Lp,i為實(shí)際測試各檢測場所各頻段聲級；Le,i為各類型護(hù)聽器的插入損失各頻段聲級，i為頻段數(shù)。

測試步驟：

(1) 采用PLUSE聲學(xué)軟件7 758測量人工頭沒有安放護(hù)聽器封閉時傳聲器處的聲壓級；

(2) 按照順序?qū)⒆o(hù)聽器安放在人工頭耳道內(nèi)，保證護(hù)聽器位于傳聲器端面的中心處(如圖2所示)；

(3) 安放約30 s后，采用PLUSE聲學(xué)軟件再次測量人工頭護(hù)聽器封閉時的聲壓級；

(4) 同一護(hù)聽器重復(fù)三次進(jìn)行步驟(1)～(3)，采用三次的平均值進(jìn)行插入損失計算。

將各頻段的插入損失加權(quán)可得到其A計權(quán)聲壓級。根據(jù)GB/T 23466-2009《護(hù)聽器的選擇指南》[5]中推薦：作業(yè)人員受護(hù)聽器保護(hù)作用后，A計權(quán)聲壓級的有效值介于75～80 dB(A)時，表明該護(hù)聽器保護(hù)水平較好；而低于70 dB(A)表明護(hù)聽器過度保護(hù)，高于80 dB(A)則為保護(hù)不足。由式(1)計算獲得各檢測場所內(nèi)各護(hù)聽器降噪后有效的A計權(quán)聲壓級介于75～80 dB(A)間的護(hù)聽器品牌共有24種，如表2所示。

圖1 10種作業(yè)場所噪聲的1/3倍頻程頻譜Fig.1 One-third octave spectrum of noises at 10 kinds of workplaces

圖2 護(hù)聽器插入前后測試的對比圖Fig.2 Comparison of tests before and after hearing protector insertion

2.2 主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)是利用降維的思想，在力保數(shù)據(jù)信息損失最小的原則下，把多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的一種對多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳綜合簡化的多元統(tǒng)計方法[6]。本文為了分析這24種護(hù)聽器降噪的性能，通過主成分分析方法，將互不相關(guān)的各頻譜作為變量共同度(即提取的主成分對每個變量的解釋程度)，對于護(hù)聽器不同頻段的降噪效果進(jìn)行分析，確定各類護(hù)聽器對各頻段噪聲的降噪效果。本研究通過SPSS軟件對篩選出里的24種類型護(hù)聽器的各中心頻段插入損失值進(jìn)行主成分分析。得到各頻率下變量共同度及各成分的方差貢獻(xiàn)率分別如表3、表4所示。

根據(jù)表3可知：各頻段下提取的主成分系數(shù)均大于0.5，表明提取的主成分對每個變量的解釋程度都較高。根據(jù)表4可得：在本次計算分析中提取了兩個主成分，第一個主成分的特征根為6.990，方差貢獻(xiàn)率為69.899%，第二個主成分的特征根為1.349，方差貢獻(xiàn)率為13.492%，兩個主成分的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到83.391%，進(jìn)一步說明提取兩個主成分是比較合適的。各主成分因子載荷矩陣(其絕對值大小代表主成分與原始變量的相關(guān)程度)如表5所示。

表2 對應(yīng)不同場所降噪效果較好的護(hù)聽器品牌Table 2 The 24 kinds of hearing protectors with good noise reduction effect

由表5可以看出，第一主成分與63～8 000 Hz的原始變量相關(guān)系數(shù)接近于1，說明所測試的護(hù)聽器中，降噪范圍處于63～8 000 Hz的護(hù)聽器較多。同理，第二主成分中頻段為31.5 Hz及16 000 Hz的護(hù)聽器較多。

表3 主成分分析中各個中心頻率的變量共同度Table 3 The variable commonality of each frequency in principal component analysis

表4 各成分的方差貢獻(xiàn)率Table 4 Variance contribution rate of each component

表5 主成分因子載荷矩陣Table 5 Principal component matrix

同時可以根據(jù)每個主成分的特征根做權(quán)數(shù)，對每個主成分進(jìn)行加權(quán)加總，用公式表示為

其中：f1、f2分別為兩個主成分函數(shù)，μ1、μ2分別為兩個主成分的特征根，根據(jù)式(2)可以確定24種類型護(hù)聽器的主成分得分排序及綜合得分排序，如表6所示。

從表6中可以看出，在對本次研究的各品牌護(hù)聽器對比中，星工品牌的護(hù)聽器在63～8 000 Hz的頻帶范圍內(nèi)比較具有代表性，pluggerz-sleep品牌的護(hù)聽器在31.5 Hz或16 000 Hz下比較具有代表性。

表6 24種護(hù)聽器的主成分得分排序及綜合得分排序Table 6 The ranking of principal components score and comprehensive score of 24 kinds of hearing protectors

結(jié)合以上主成分分析，可以得出在本次測試的112種護(hù)聽器中，大部分護(hù)聽器對于所研究的10種場所中，更適用的場所為：1#發(fā)電機(jī)隔聲罩內(nèi)、1#水車室外、1#水車室內(nèi)、2#尾水錐管室外、2#尾水錐管檢修門、3#尾水錐管室外和3#尾水錐管檢修門這7個場所。

3 結(jié) 論

根據(jù)本文測試分析可知，該抽水蓄能電站各現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境不同，噪聲強(qiáng)度也不同。所測試的34個場所內(nèi)有10個場所噪聲過高，不利于工人作業(yè)，影響作業(yè)人員身心健康，有必要對此狀況進(jìn)行有效防護(hù)。通過對112種護(hù)聽器插入損失測試，選出了24種類型降噪效果較優(yōu)的護(hù)聽器，并對這24種護(hù)聽器進(jìn)行了主成分分析，找出最具成分代表性的護(hù)聽器，以此判斷所測試的112種護(hù)聽器大部分適用的作業(yè)場所為： 1#發(fā)電機(jī)隔聲罩內(nèi)、1#水車室外、1#水車室內(nèi)、2#尾水錐管室外、2#尾水錐管檢修門、3#尾水錐管室外和3#尾水錐管檢修門這7個場所。另外3個場所可能由于現(xiàn)場噪聲特性不同等原因，需要有針對性選擇適合的護(hù)聽器。該方法也為其他作業(yè)場所護(hù)聽器類型的選擇提供借鑒。