真耳內(nèi)置傳聲器測試設(shè)備研究

鞏泉泉，竇丹丹，謝連科，王 坤，張國英

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

火電廠、抽水蓄能電站等都有大量產(chǎn)生高噪聲的生產(chǎn)設(shè)備［1-5］；產(chǎn)生的噪聲可達100 dB 以上，對現(xiàn)場作業(yè)人員聽力造成嚴重損傷［6-8］。為了保護處于噪聲環(huán)境中的作業(yè)人員的聽力，必須采取適當?shù)穆犃ΡＷo措施［9-10］。佩戴護聽器是火電廠、抽水蓄能電站等最常見的聽力保護措施［11-12］。護聽器通過阻隔噪聲進入外耳道，使到達人耳的噪聲水平低于職業(yè)接觸限值，幫助降低噪聲危害［13-14］。當作業(yè)環(huán)境噪聲對聽力有害但并不強烈時，佩戴合適的護聽器既能達到保護聽力的目的，也能大大降低生產(chǎn)設(shè)備改造成本［15-16］。護聽器目前在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在人耳減少噪聲影響方面發(fā)揮著重要作用［17-18］。

目前，用于驗證護聽器適用性的方法主要為主觀方法和客觀方法。聲學(xué)測試ISO 系列標準是基于護聽器聲學(xué)性能評價的三種方法制定的，分別為真耳聽閾衰減（Real Ear Attenuation at Threshold，REAT）、真耳內(nèi)置傳聲器（Microphone In Real Ear，MIRE）和專用聲學(xué)測試裝置（Acoustic Test Fixture，ATF）［19-20］。其中，真耳聽閾衰減是主觀方法，真耳內(nèi)置傳聲器和專用聲學(xué)測試裝置是客觀方法。本研究中，根據(jù)真耳內(nèi)置傳聲器法開發(fā)了一套可以客觀測試護聽器插入損失的設(shè)備，并探討其影響因素及可行性。

1 真耳內(nèi)置傳聲器法

真耳內(nèi)置傳聲器法是在真人耳道內(nèi)放置麥克風(fēng)收集聲音信號來取代鼓膜的響應(yīng)，該方法已在實驗室中使用了很多年。并在美國國家標準學(xué)會（AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE，ANSI）制定的ANSI 標準中進行了描述。目前已在該領(lǐng)域中用作MIRE，大多數(shù)情況下用于帶電路的護聽器在電路開啟狀態(tài)下的性能評價。

MIRE 是與REAT 方法類似的客觀評價方法，只是在測試過程中，用麥克風(fēng)收集耳道內(nèi)的聲量而不是依靠人的感覺。使用MIRE 方法進行測試時，可以使用一個帶柔軟纖細的探測管的麥克風(fēng)，或微型內(nèi)置麥克風(fēng)，小心地放入耳道內(nèi)，注意不要影響入耳式護聽器的佩戴效果。用這種測試方法可以連續(xù)檢測一段時間內(nèi)防護值的變化情況，獲取很有參考意義的數(shù)據(jù)。

MIRE 方法的一個優(yōu)點是可以用于測試在一個寬范圍聲壓水平情況下某些非線性護聽器的聲衰減能力。麥克風(fēng)的放置對操作者要求非常高，既要求不影響護聽器的佩戴位置，又不能產(chǎn)生明顯的泄漏，因為這些因素會直接影響測試的結(jié)果。另外，麥克風(fēng)的探測管或連接線會產(chǎn)生共振和泄漏。還有一個需要考慮的因素是，當專業(yè)的操作人員進行這些操作時，受試者會感到緊張，并且可能會刻意將護聽器佩戴得盡可能好，這樣有可能得不到有參考意義的數(shù)據(jù)。

2 測試裝置設(shè)計

針對MIRE的優(yōu)缺點，設(shè)計的真耳內(nèi)置傳聲器測試裝置由兩個測試傳聲器、聲導(dǎo)管、支架、雙通道頻譜分析儀組成。耳塞打孔，穿上聲導(dǎo)管，聲導(dǎo)管安裝在測試傳聲器上，支架將兩個測試傳聲器固定在一起。兩個測試傳聲器接到雙通道頻譜分析儀上，同時測試耳道內(nèi)與耳道處的聲壓級及噪聲頻譜，兩個通道的測試結(jié)果相減再加上相應(yīng)的修正值就可以得到佩戴護聽器實際個人接收到的噪聲值。如圖1所示。

圖1 真耳內(nèi)置傳聲器測試裝置

兩只測試傳聲器戴在頭上，固定位置有少許差異，可能會造成參考傳聲器與測試傳聲器測到的聲壓級不相同。將測試支架固定在人工頭（假人）上，在混響室及消聲室內(nèi)測試兩個傳聲器測到的聲壓級差，為了消除傳聲器及測試系統(tǒng)的誤差，應(yīng)交叉兩個傳聲器的位置重復(fù)做一次。計算兩次測量到的聲壓級差的平均值，可以得到因為固定位置引起的誤差。

聲導(dǎo)管是一個細管，安裝在測試傳聲器上時會對測試傳聲器的靈敏度造成影響，在不同的頻率下也不相同，需要測試出來不同頻率下的衰減值。將測試傳聲器固定在消聲室內(nèi)，距離聲源1 m 以上，讓聲源按1/3 OCT 發(fā)出50～10 000 Hz 的純音，用頻譜分析儀記錄下每個中心頻率點的聲壓級。再將聲導(dǎo)管帶上，重復(fù)測試50～10 000 Hz 純音下的聲壓級，兩個聲壓級相減就可以得到聲導(dǎo)管的衰減特性。聲導(dǎo)管為一個細硅膠管，隔聲能力有限，當它的隔聲量小于耳塞時，測試結(jié)果就會造成較大誤差。

3 設(shè)備可靠性分析

3.1 固定位置的影響

為分析兩只測試傳聲器在頭上固定位置的影響，設(shè)計以下實驗過程：在混響室里，將測試支架及測試傳聲器固在人頭上，測量10 s，交換位置后再測10 s，對結(jié)果平均，得到兩個傳聲器位置的聲壓級差見表1和圖2。

表1 傳聲器位置、聲導(dǎo)管衰減值及隔聲量的影響

圖2 不同頻率下兩個位置傳聲器之間的聲壓級差結(jié)果

測試結(jié)果在2500 Hz 以下重復(fù)性較好且聲壓級差較小。安裝方式可以改為上下結(jié)構(gòu)，且兩只傳聲器的位置盡可能接近。

3.2 聲導(dǎo)管的頻率特性

由于聲導(dǎo)管的加入，傳聲器的靈敏度產(chǎn)生衰減，數(shù)據(jù)如表1 和圖3 所示。由于管子比較細且短，主要衰減發(fā)生在高頻，總的衰減較低。如果對測試結(jié)果要求較高，可以對耳塞隔聲測試結(jié)果按表1進行補償。

圖3 不同頻率下聲導(dǎo)管衰減值

3.3 聲導(dǎo)管的隔聲量

聲導(dǎo)管自身的隔聲量也會對測試結(jié)果造成影響。為測試導(dǎo)管的隔聲量，在混響室內(nèi)，將聲導(dǎo)管的入聲口堵住，對聲導(dǎo)管的隔聲量進行測試，測試結(jié)果如表1 和圖4 所示。聲導(dǎo)管隔聲量較大，高頻區(qū)域可達40 dB以上，在真耳測試時需要進行校準。

圖4 不同頻率下聲導(dǎo)管隔聲量

4 測試設(shè)備與仿真耳、真耳測試比對

插入式耳塞目前還沒有標準規(guī)定專用聲學(xué)測試裝置，采用IEC711 防真耳進行測試，測試裝置如圖5所示。耳塞插入仿真耳前后的聲壓級差作為耳塞的插入損失。

圖5 用仿真耳測試耳塞插入損失

分別選擇泡棉圓柱型耳塞、泡棉火箭型耳塞、泡棉子彈頭耳塞、硅膠圣誕樹耳塞等不同類型的耳塞作為測試對象。經(jīng)測試，不同耳塞的插入損失結(jié)果如表2所示。

整理表2 各頻段數(shù)據(jù)如圖6 所示。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，不同耳塞的插入損失基本類似，只有泡棉子彈頭耳塞在高頻部分，插入損失明顯下降。

圖6 仿真耳測試不同耳塞各個頻段的插入損失

再利用本測試裝置對耳塞插入損失進行測試，如圖7 所示。將測試裝置上帶有聲導(dǎo)管的耳塞插入IEC711 仿真耳，測試裝置上參考傳聲器與檢測傳聲器之間的聲壓級差為耳塞插入損失。

圖7 測試耳塞插入損失

同樣選擇泡棉圓柱型耳塞、泡棉火箭型耳塞、泡棉子彈頭耳塞和硅膠圣誕樹耳塞作為測試對象。經(jīng)測試，不同耳塞的插入損失結(jié)果如表3所示。

表3 測試裝置測試不同耳塞各個頻段的插入損失結(jié)果

將表3 各頻段數(shù)據(jù)整理如圖8 所示。圖8 對比圖6，發(fā)現(xiàn)相比采用仿真耳的測試，本設(shè)備的高頻插入損失差較小，這主要是聲導(dǎo)管隔聲量不夠造成的。

圖8 測試裝置不同耳塞各個頻段的插入損失

最后，進行真耳測試，將測試裝置佩戴在被測人員頭上，在消聲室內(nèi)對耳塞的隔聲量進行測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 真耳測試不同耳塞各個頻段的插入損失結(jié)果

同樣將表4各頻段數(shù)據(jù)整理如圖9所示。與使用仿真耳進行測試結(jié)果相比，真耳測試的插入損失值要偏小。

圖9 真耳測試不同耳塞各個頻段的插入損失

5 結(jié)語

經(jīng)過對設(shè)備各項對比，研發(fā)的檢測設(shè)備以真耳內(nèi)置傳聲器法為理論依據(jù)，可以用于耳塞實際佩戴效果的測試；本設(shè)備的測試樣品在測試過程中會經(jīng)過穿孔過程，經(jīng)破壞后的護聽器在聲衰減值500 Hz以上的差值不超過3 dB，對入耳式護聽器的防護效果影響不大；在500 Hz以下，由于測試過程中人耳的輕微動作，會引起低頻段插入損失的抖動變化；由于耳塞打孔，聲導(dǎo)管隔聲量不高的因素，此裝置在測試高插入損失的耳塞時，實際會出現(xiàn)測試結(jié)果偏低的現(xiàn)象，但是對影響測試插入損失影響不大；總體而言，本設(shè)備可以方便地檢查出耳塞佩戴不規(guī)范引起的耳塞隔聲量大幅下降的現(xiàn)象。

但本設(shè)備對于提高聲導(dǎo)管隔聲量、減小體積等方面需要進一步進行研究，以便用于火電廠、抽水蓄能電站等現(xiàn)場作業(yè)的人員佩戴耳塞后真耳測量。