一種新型勞動者噪聲暴露測量系統(tǒng)的實驗驗證

孫鄭依 馮 濤教授 王 晶副教授 吳 瑞副研究員 魏志勇研究員

(1.北京工商大學 人工智能學院,北京 100048;2.北京市科學技術研究院城市安全與環(huán)境科學研究所,北京 100054)

0 引言

噪聲累積暴露量能夠有效評估非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)噪聲引起的聽力損失風險,兩者呈現(xiàn)良好的劑量—效應關系。噪聲累計暴露量與勞動者接觸噪聲的持續(xù)時間及聲壓級水平密切相關[1-4]。

目前,對于職業(yè)性噪聲暴露的測量方法大致分為2種,一種是基于評價噪聲污染的測量方法GBZ/T 189.8—2007《工作場所物理因素測量 第8部分:噪聲》,其原理是通過測量單個測點或單獨崗位的噪聲強度來評價作業(yè)人員遭受噪聲的危害程度,這種方法并未考慮到工作環(huán)境的影響,當應用于中大型作業(yè)場所時,會出現(xiàn)測量過程復雜、質(zhì)量控制難、測量成本過高等問題[5];另一種是基于作業(yè)人員佩戴個人聲暴露計的測量方法GB/T 15952—2010《電聲學 個人聲暴露計規(guī)范》,這種方法在實際測試過程中會出現(xiàn)測量不確定度較大、數(shù)據(jù)可靠性低等問題,且數(shù)據(jù)形式單一,僅能得到最終的等效聲級,作業(yè)場所噪聲空間聲場分布以及在測試過程中的中間數(shù)據(jù)無從得知[6]。綜上,2種方法均無法為噪聲治理工作提供指導性依據(jù)。

伴隨著我國制造業(yè)水平的不斷提高,從事噪聲行業(yè)的勞動者除了固定崗位人員,還出現(xiàn)大量的流動崗位人員,這對職業(yè)性噪聲暴露的測試和評價提出更高的技術要求[7-8]。由于物聯(lián)網(wǎng)技術和新型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展,逐漸在職業(yè)安全健康領域得到廣泛應用,彌補了以往技術方法的缺陷和限制。其中,一種新型噪聲暴露測量系統(tǒng)基于聲場分布和作業(yè)人員實時定位技術,實現(xiàn)了噪聲數(shù)據(jù)實時回傳,為職業(yè)健康安全領域提供了新的技術手段。本文通過實驗和理論仿真的方式驗證該新型噪聲暴露測量系統(tǒng)的準確性,并應用于某校金工實習車間當中,驗證該系統(tǒng)具備一定的實際應用價值。該新型系統(tǒng)為職業(yè)噪聲現(xiàn)場聲暴露監(jiān)測與評估提供了新的思路和技術,在提升和完善職業(yè)噪聲監(jiān)測與管理水平方面具有積極意義。

1 新型噪聲暴露測量系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)職業(yè)性噪聲暴露測試設備是積分聲級計和個人噪聲劑量計,通過定點或由勞動者佩戴的方式測量噪聲的瞬態(tài)值或累積值[7,9],測試結(jié)果僅為單一噪聲值,測試過程孤立并存在質(zhì)量控制難、測量不確定度大等問題。新型噪聲暴露測量系統(tǒng),基于室內(nèi)定位技術——超寬帶技術(Ultra Wide Band,UWB),定位誤差可達亞米級[10-11],能夠滿足一般作業(yè)場所噪聲空間聲場數(shù)據(jù)監(jiān)測的誤差要求。該系統(tǒng)可快速獲知作業(yè)場所時空信息,為現(xiàn)場噪聲測試數(shù)據(jù)的時空聯(lián)動性創(chuàng)造條件,同時避免個人噪聲暴露測試過程中諸多人為因素影響和不可預知的誤差。

新型噪聲暴露測量系統(tǒng)主要由2大模塊組成:測試模塊和數(shù)據(jù)處理模塊,如圖1。

圖1 勞動者噪聲暴露測量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of the noise exposure measurement system for workers

測試模塊主要用于監(jiān)測作業(yè)場所聲場數(shù)據(jù)。每次測試前,需預先布置定位基站擺放位置,確定作業(yè)場所空間坐標系;測試人員佩戴測試前端裝置在作業(yè)場所進行遍歷式行走,得到時間、數(shù)據(jù)編號、坐標、聲壓級等信息,通過無線傳輸方式實時發(fā)送至上位機軟件中記錄,實現(xiàn)對噪聲聲場的測量。

由于上位機軟件將噪聲聲場數(shù)據(jù)存儲在文本文件中,文本文件不利于檢索且占用電腦資源不適合長期使用,數(shù)據(jù)處理模塊將聲場數(shù)據(jù)分類導入到SQlite數(shù)據(jù)庫中。SQlite數(shù)據(jù)庫是一款輕型數(shù)據(jù)庫,不僅提供多種存儲策略,還可以結(jié)構(gòu)化保存數(shù)據(jù)信息并保證每條數(shù)據(jù)的唯一確定性要求[12-13]。

MCL(Model Component Laboratory)軟件快速檢索數(shù)據(jù)庫中的聲場數(shù)據(jù),通過計算得到相應的聲場結(jié)果。測試過程中,MCL軟件以曲線的形式實時展示相應測試人員所遭受的噪聲聲壓級大小;測試結(jié)束后,MCL軟件能夠可視化聲場結(jié)果,并通過表格的方式展示作業(yè)人員噪聲暴露情況,為作業(yè)場所噪聲現(xiàn)狀評估和作業(yè)人員聽力健康風險管控提供有利幫助。

在實際測試時,需先根據(jù)作業(yè)場所實際尺寸劃分網(wǎng)格,如圖2。根據(jù)測點的聲壓級數(shù)據(jù),通過能量平均的方法獲取單個網(wǎng)格點的噪聲值,其中,某網(wǎng)格點p的聲壓級可按式(1)計算。

圖2 網(wǎng)格示意圖Fig.2 Grid diagram

(1)

式中:

N—p網(wǎng)格內(nèi)測點個數(shù);

Lp,i—p網(wǎng)格的第i個測點的聲壓級,dB(A);

Lp—p網(wǎng)格的聲壓級,dB(A)。

測試前端裝置通過式(1)計算作業(yè)人員當前位置的噪聲聲壓級。但在實際測試時,必然會出現(xiàn)作業(yè)人員無法遍歷的位置,對于這些位置所在網(wǎng)格的聲壓級數(shù)據(jù),由MCL軟件中的視覺化工具函數(shù)庫(The Visualization Toolkit,VTK)插值核函數(shù)進行插值處理。再由MCL軟件生成網(wǎng)格、運動軌跡、聲場分布云圖和聲壓級等值線、作業(yè)人員噪聲暴露量、暴露時間、等效聲級等結(jié)果。云圖與等值線相互結(jié)合的方式可讀性較高,可以更好地表達作業(yè)場所的聲場特性,后續(xù)可根據(jù)網(wǎng)格或等值線參數(shù)的不同組合調(diào)整輸出結(jié)果。

根據(jù)作業(yè)人員行走軌跡,結(jié)合當前時刻位置的聲壓級數(shù)據(jù)進行噪聲暴露量計算。作業(yè)人員行走軌跡的位置信息形成一系列坐標向量,網(wǎng)格點對應的噪聲值在一定程度上表達了在一定時間內(nèi)(本研究測試采用1s),作業(yè)人員位于此網(wǎng)格位置時,暴露在作業(yè)場所噪聲環(huán)境中的累積噪聲暴露量。

通過對任一條行走軌跡k中的各個數(shù)據(jù)點位置所對應的網(wǎng)格進行檢索,針對該行走軌跡搭建分時噪聲聲壓級數(shù)值序列,利用能量疊加的方法計算該行走軌跡處于當前噪聲環(huán)境中的累計噪聲暴露量,可按式(2)計算。

(2)

式中:

LAeq,k—第k條軌跡的A計權(quán)等效聲級,dB(A);

Lp,k,mx,nx—第k條軌跡位于p網(wǎng)格的第x個噪聲點聲壓級,由分時噪聲聲壓級數(shù)值序列得到,dB(A);

m、n—p網(wǎng)格行與列的計數(shù)。

當作業(yè)人員行走軌跡信息為1日數(shù)據(jù)時,即可用一條綜合性運動軌跡來表示當天的全部工作時間,此時可根據(jù)式(3)計算一天8h等效聲級。

(3)

式中:

LEX,8h—日暴露聲級,dB(A);

LAeq,Te—當日軌跡匯總后對應的A計權(quán)等效聲級,dB(A);

Te—當日工作總時間,h;

T0—參考工作時間,8h。

2 新型系統(tǒng)驗證

通過實驗對本研究提出的新型噪聲暴露測量系統(tǒng)進行驗證,側(cè)重點在于測量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊能否正確“表達”測試模塊所測得的作業(yè)場所聲場數(shù)據(jù)。本研究驗證地點為某學校半消聲實驗室。半消聲室為聲學測試提供了理想的聲學環(huán)境,通過在墻面安裝吸聲材料吸收入射到墻面的聲波,從而產(chǎn)生自由聲場環(huán)境[14-15]。

2.1 實驗驗證方法

通過半消聲室的實驗結(jié)果與理論仿真結(jié)果相對比的方式,驗證該新型噪聲暴露測量系統(tǒng)的準確性。

首先,基于Python程序制作假數(shù)據(jù)生成器,生成器根據(jù)上位機軟件記錄聲場數(shù)據(jù)的格式,基于脈動球源輻射球面波這一先驗理論基礎,模擬球形聲場并通過MCL軟件計算輸出相應結(jié)果。脈動球源是進行均勻漲縮振動的球面聲源,在理論情況下輻射球均勻的球面波組成球形聲場,它是聲學領域中最基本的聲源[16]。

隨后,在半消聲室內(nèi)實際模擬脈動球源輻射聲場。在半消聲室正中央擺放全指向性球型聲源,電腦通過功率放大器連接聲源,給聲源提供持續(xù)的信號輸入。半消聲室長5.9m寬5.2m,根據(jù)半消聲室空間大小設計定位基站擺放位置,將編號為0的定位基站與電腦連接并設為坐標系原點,測量編號為1、2的定位基站與原點的距離,建立半消聲室平面直角坐標系;將3個定位基站垂直高度保持一致放置,確定空間坐標系;將全部定位基站的坐標信息輸入到上位機軟件中,如圖3。

圖3 測試模塊示意圖Fig.3 Test module diagram

最后,比對兩者輸出結(jié)果,得出相應結(jié)論。

2.2 測試前端分配

目前共有2種測試前端裝置:普通個體通道與護聽器,其中,護聽器內(nèi)含耳罩。測試數(shù)據(jù)包括3種類別:數(shù)據(jù)類別A、數(shù)據(jù)類別I、數(shù)據(jù)類別O;3個測試通道:普通個體通道、護聽器內(nèi)部通道、護聽器外部通道,護聽器內(nèi)外部通道在相同暴露時間下的噪聲暴露量和8小時等效聲級存在一定差異,體現(xiàn)了護聽器耳罩的保護作用。每個測試通道具有確定的通道編號并且采用同樣的記錄方式保存聲場數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類別與通道號一一對應,增加數(shù)據(jù)唯一性的同時提升了數(shù)據(jù)庫的查詢速度。實際測試過程中,測試人員共有2名,分別佩戴2類不同的測試前端,測試時間大致為3h。

測試前端能夠持續(xù)監(jiān)測當前時刻作業(yè)人員所處的空間位置信息并實時計算作業(yè)人員噪聲聲壓級數(shù)據(jù)。普通個體通道主要用于評估聲學場所聲場環(huán)境;護聽器主要用于測試耳罩的防護效果。由于數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)庫來存儲半消聲室聲場測量數(shù)據(jù),故在測試前,需要預先設置人員信息與設備表,具體內(nèi)容,見表1。

表1 人員信息與設備配置Tab.1 Personnel information and equipment configuration

2.3 實驗結(jié)果

2.3.1 仿真結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)生成器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸出結(jié)果,如圖4。該結(jié)果符合脈動球輻射聲場的理論解,證明MCL軟件具備展示聲場情況的能力。

圖4 理論結(jié)果Fig.4 simulation result

下面討論MCL參數(shù)設置對測試結(jié)果的影響,本次討論將固定等值線參數(shù)。

(1)數(shù)據(jù)量不變,改變網(wǎng)格的疏密程度。數(shù)據(jù)處理軟件讀取數(shù)據(jù)庫中同一次測試數(shù)據(jù),如圖5。

圖5 不同網(wǎng)格參數(shù)的聲壓級等值線Fig.5 Different grid parameters for the same data

從圖5可以看出,當網(wǎng)格參數(shù)調(diào)小即單個網(wǎng)格尺寸增大時,落到單個網(wǎng)格內(nèi)的數(shù)據(jù)測點增多,通過能量平均的方法求得的網(wǎng)格聲壓級更具有代表性,靠近聲源位置處的聲壓級等值線區(qū)分性更強、更規(guī)整,渲染效果更加有層次感。

(2)網(wǎng)格寬度高度固定,數(shù)據(jù)量逐漸遞增。數(shù)據(jù)測點數(shù)量共有59883條,分別讀取前10000條數(shù)據(jù)、前30000條數(shù)據(jù)、前50000條數(shù)據(jù)用以展示。網(wǎng)格參數(shù)設置為20×20,數(shù)據(jù)量遞增可通過作業(yè)人員軌跡圖體現(xiàn),如圖6。

從圖6可以看出,當網(wǎng)格參數(shù)及等值線參數(shù)固定不變時隨著數(shù)據(jù)量的增多,聲壓級等值線跨度逐漸縮小,區(qū)分度逐漸降低,說明數(shù)據(jù)量對渲染效果并非線性關系,即存在某一區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)量使得在當前網(wǎng)格等值線參數(shù)下的渲染效果達到最佳。

2.3.2 實驗結(jié)果

MCL軟件檢索數(shù)據(jù)庫相應數(shù)據(jù),設置網(wǎng)格參數(shù)20×20、等值線參數(shù)分別為5和10并計算得到相應結(jié)果。聲壓級等值線大致呈現(xiàn)出一環(huán)一環(huán)的球面波形狀,近似符合脈動球源聲場特性,如圖7(a)、(b)。圖7(c)為測試人員行走軌跡。

圖7 半消聲室實驗結(jié)果Fig.7 Semi-anechoic chamber case results

從圖7可以看出,同一塊區(qū)域不同的參數(shù)組合得到的聲場結(jié)果不同,同一條等值線上對應的位置具有相同的聲壓級,根據(jù)不同的側(cè)重點對MCL軟件參數(shù)進行調(diào)整能夠得到等值線劃分更加客觀、細致的結(jié)果。如果利用該系統(tǒng)判斷作業(yè)場所聲源位置;或了解作業(yè)場所各個位置遭受噪聲的情況,可酌情調(diào)整MCL軟件參數(shù),使結(jié)果更具指向性。

數(shù)據(jù)處理模塊歸納整理聲場數(shù)據(jù)并通過公式(2)、(3)計算測試人員噪聲暴露量、等效聲級等信息,并以報表的方式進行展示,見表2。由于普通個體通道的佩戴方式位于胸前,護聽器的佩戴方式位于耳部,導致兩者水平高度不一致;當2名測試人員處于同一位置時,他們的x、y坐標相同,z坐標不同,在相同暴露時間下,普通個體通道與護聽器外部通道的噪聲暴露量與8h等效聲級會有微小差別。

表2 報表內(nèi)容Tab.2 Report content

2.4 結(jié)果分析

本研究通過實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相互對比的方式,證明了該新型噪聲暴露測量系統(tǒng)的準確性。對比2種方式的輸出結(jié)果,在仿真部分,系統(tǒng)能夠完美再現(xiàn)出脈動球源輻射球型聲場這一聲學特性,說明系統(tǒng)中的軟件部分具備計算聲場數(shù)據(jù)輸出聲場結(jié)果的能力;在實驗部分,系統(tǒng)輸出結(jié)果可以有效展示半消聲室內(nèi)的聲場情況,并且記錄作業(yè)人員與測試前端的配置信息,以報表的方式展示作業(yè)人員所遭受的噪聲暴露情況,可為聽力健康保護提供數(shù)據(jù)支撐。

兩者在效果上雖然具有一定的差異,但從實際應用的角度看,兩者均能展現(xiàn)出噪聲聲場的分布情況,能從輸出結(jié)果中判斷聲場不同位置聲壓級的強弱,為作業(yè)場所噪聲現(xiàn)狀評估提供幫助。

3 車間實際應用

為進一步說明該新型噪聲暴露測量系統(tǒng)具備一定的實際應用價值,在某校金工實習車間進行應用,測試結(jié)果,如圖8。

圖8 金工實習車間測試結(jié)果Fig.8 Metalworking practice workshop test results

圖8(a)為作業(yè)人員行走軌跡,在網(wǎng)格中導入了車間底圖,圖中標明了機床位置;圖8(b)為使用該系統(tǒng)的測試結(jié)果,結(jié)果顯示了金工實習車間的噪聲聲場分布情況,可從圖中大致分辨出聲源位置。可見,該系統(tǒng)具備一定的實際應用價值。

4 結(jié)論

本文研究目的是驗證新型噪聲暴露測量系統(tǒng)的準確性與可行性。目前工業(yè)企業(yè)實際存在許多較為復雜的噪聲問題,對作業(yè)場所噪聲監(jiān)測和個體聲暴露監(jiān)測均處于理論與實際脫節(jié)的狀態(tài)。而新型噪聲暴露測量系統(tǒng)提供了職業(yè)噪聲現(xiàn)場聲暴露監(jiān)測與評估的新思路和技術,在提升和完善職業(yè)噪聲監(jiān)測與管理水平方面具有積極意義。該系統(tǒng)不僅可作為檢測服務機構(gòu)進行職業(yè)性噪聲檢測的新型工具,也可用于企業(yè)自主開展職業(yè)性噪聲檢測,對提升企業(yè)職業(yè)性噪聲防治水平,更好保護勞動者聽力有重要意義。

(1)該新型噪聲暴露測量系統(tǒng)通過作業(yè)人員佩戴測試前端獲知作業(yè)人員位置信息并可計算噪聲暴露量。

(2)該新型噪聲暴露測量系統(tǒng)可實現(xiàn)對作業(yè)環(huán)境聲場分布快速計算并繪制,為作業(yè)環(huán)境噪聲治理提供強有力的依據(jù),為提升作業(yè)人員聽力健康保護效果提供強有力的支撐。

(3)該新型噪聲暴露測量系統(tǒng)測試結(jié)果能夠準確表達作業(yè)場所噪聲空間聲場分布特性,但測試結(jié)果的好壞與多種因素有關,如在數(shù)據(jù)采集過程中,作業(yè)人員遍歷作業(yè)場所區(qū)域的比例;作業(yè)人員遍歷過程中的行走速度;作業(yè)場所中是否有穩(wěn)定聲源;網(wǎng)格比例選擇;等值線參數(shù)設置;定位基站的位置選擇及定位基站的數(shù)量等。