對引進減壓機制來重新設計HPD的研究

郭　麗，張　健

(1.安徽電子信息職業技術學院 軟件學院，安徽 蚌埠　233000；　2.弗吉尼亞理工大學，美國 弗吉尼亞)

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對引進減壓機制來重新設計HPD的研究

郭麗1，張健2

(1.安徽電子信息職業技術學院 軟件學院，安徽 蚌埠233000；2.弗吉尼亞理工大學，美國 弗吉尼亞)

摘要：為了確保在噪音工作環境中工人的安全和健康，保護裝置必不可少。但是，目前的各種聽力保護裝置都存在一些問題。本研究的進行是為現有的聽力保護裝置提供更好的替代性設計。度量多種設計要素，這種方法是基于外耳道人體測量數據，包括耳洞長度等要素。采用solidworks三維設計軟件完成設計部分。本研究不僅能更好地對低頻消音，而且產品在嘈雜環境中長時間佩戴，舒適美觀。

關鍵詞：HPD；替代設計；solidworks；低頻消音

1介紹

持續暴露在重工業行業的噪音中，是增應力以及聽覺障礙的起因。職業性暴露在工業噪音中會導致聽覺損耗，這也是個全球性的問題。據勞工統計局統計，在制造業中，職業性暴露是記錄上最常見的職業病(59100個案例中，此種占17700例)，占美國已記錄疾病的1/9。超過72%的此種疾病都發生在制造業工人中。然而，制造業工人通常會抱怨聽力下降或者聽別人說的話很模糊。這可能會導致工人們在移動設備時受傷或與同事交流時理解錯誤的風險增加。[1]

引起聽力損耗的過程隱藏在工人人群中，工人們也沒有警覺到聽覺損耗正在發生，而不單單是可能耳朵有一點鈴鈴響。職業性聽覺損耗是由于處于高級別的噪音中而導致，不僅僅是暴露的時間，還有賴于噪音的頻率和強度。還取決于噪音類型，不論是持續的還是短促的沖擊聲。唯一奏效的方法就是預防，例如，通過降低暴露時間或降低在耳邊的噪音強度來限制暴露在噪音中。在暴露期間來降低通常是非常繁瑣的，以至于工人們不能在減少的時間內合理地完成要求的工作。因而，為了預防聽覺損耗，會向工人們提供聽覺保護裝置(HPDs)。HPDs的有效運行不僅僅取決于裝置的衰減程度，還有賴于工人佩戴該裝置的時間以及正確度。[2]市場上的SensGard ZEM是由一對用頭帶連接的重量很輕的消音管組成。消音管的聲學特性使得佩戴者能阻隔損害性噪音，而又能聽到有用的聲音，如警告信號等。但是，因為要長時間地佩戴，這種消音管在使用中會引起不適。

ZEM sensgard的最高衰減是650Hz。在更低頻率時，需要衰減。這是一個很笨重的裝置，重達 48.19 g，體積為 221.43 cm3，盡管它可以折疊并放在口袋，但可能會很不舒適。HPD的使用受限，主要是因為工人們不可能在戴了安全頭盔或電焊工面罩的情況下，同時佩戴這種由頭帶連接的裝置，因此，需要重新設計。該裝置沒有有吸引力的外觀，因此工人們可能會沒信心使用目前這種設計的HPD。HDP 耳麥中耳機部分的末端的直徑很大，以至于連接管耳麥末端密封不能很好地調整。[3]不靈活性是佩戴sensgard HPD期間不舒適的主要原因，因此需要能自由移動。在耳道/外耳里有一個固定的迎角，這個迎角是由消音管和連接管之間的硬性彎管接頭形成的。但是清潔消音管很困難，同時，耳麥末端是由泡沫做成的，這為細菌提供了溫床，可能會導致耳朵感染。總的來說，這就是一個在外耳的裝置，不是耳洞裝置，因此聲漏的機會更大。

2重新設計的實踐創新

要重新設計一個不那么笨重而且可隨便移動的HPD，以便能從外耳移除固定的迎角。重新設計的HPD由于在耳廓的重量，會施加壓力。整個連接管是用無毒，防過敏和不傷膚的材料制作而成，例如聚酰亞胺，可以設計成可自我調適結構，以便外耳門/耳道能更好地貼合。由于低密度和小體積，該裝置應該施加更少的壓力。防聲封條可由可變形的，柔軟的耳洞耳麥末端做成。耳麥末端由二氧化硅包覆的記憶泡沫做成，以防止硅條沿線的漏氣，確保無痛插入。從衛生角度來看，耳麥末端容易清潔，而且花很少的錢就可以替換掉。

為了給裝置配備小的聲阻抗，提高消音，HPD風量應該比耳道的平均相等容積 (1.7 cm3到2.5 cm3)提高10-15倍。比起ZEM sensgard HPDs聲稱的650Hz，HPD管應該還要小1/4的波紋衰減，以在更低頻率時有更高的噪音衰減。

3外耳人體測量

外耳人體測量數據(見表1)，95%的男性和5%的女性用于估算重新設計的HPD的尺寸，這個HPD可以佩戴在耳廓上。[4]

表1　95%雄穗和5%雌穗的人體測量數據

耳朵長度(是指耳長=67.1 mm)與targus半徑為15°(是指=35mm)的比率用于估算HPD的尺寸，使用下列比率。Targus與耳長的比率=(35/67.1) mm= 0.5216mm。耳Targus到耳輪 (15°斜角) 的平均長度適合95%的雌穗，也就是3.64 cm。為了耳朵有更好的緊固貼合，加算進去耳朵連接長度6厘米。管的長度選定為16厘米，以便管能舒適地放在耳廓后面。再算進額外的6厘米長的減壓節(RPS)，以幫助減小HPD16厘米長管的聲阻抗。RPS能幫助保護耳朵不受意外的暴露在高分貝噪音中。重新設計的HPD的同等容積是10.4552 cm3。耳道的平均同等容積是從1.7 cm3到2.5 cm3不等。個人最低到最高值的消音計算如下。耳道的最低同等容積是Pa/Pe=10.4552/1.7=6.15，消音=20log(Pa/Pe) =15.7775 dB。耳道的最高同等容積是Pa/Pe=10.4552/2.5=4.1821 ，消音=20log(Pa/Pe) =12.4279 dB。Pa= 環境空氣聲壓；Pe=耳道進口處的聲壓。即指消音為14.1027 dB.選擇聚酰亞胺作為制作HPD的材料。這種材料是對人體無毒的。聚酰亞胺的密度是1.48 g/cm3。聲阻抗是3.61 g/ cm2-sec X105。HPD的減壓段(RPS)涂上了醋酸纖維素，這是一種天然的生物降解高分子，并且聲阻抗是 3.19 g/cm2-sec X 105。因此，RPS的同等抗阻是約等于(3.61+3.19) ≈ 6 g/ cm2-sec X 105。使用了Bernoulli方法(如下文)在16厘米的管路內形成更高的壓降。P1, P2是指壓力，ρ是指密度，h1 &h2是指離參考地的高度， v1 & v2 是分別在 1 & 2處的速度。耳洞處耳麥末端選用0.8厘米直徑，用鍍硅的記憶泡沫(聚氨酯)和硅條覆蓋。鍍硅泡沫的一個好處就是，不吸水或汗，因此防止細菌滋生和感染。泡沫和硅條確保了耳麥末端舒適地插入耳道(當有空氣填充時，外徑約為1厘米)。使用的聚酰亞胺材料的容積是4.73cm3(密度=1.48 g/cm3)，聚酰亞胺材料的重量約等于7克。[5]兩者對比如表2所示。耳麥末端泡沫和硅的額外重量會把總質量增加到約14克。

表2　材料的聲抗阻：聚酰亞胺和醋酸纖維素

4替代性重新設計

4.1 減壓段(RPS)可用6厘米長的管子代替，以達到對低頻有更高的消音。

4.2 在管道內使用纖維填充來轉換絕熱膨脹過程成等溫過程。減壓室的示意圖如圖1所示。

圖1　減壓室的示意圖

5需要遵守的要求和約束

ZEM HPD的尺寸非常大，由于其重量(48.19克)會讓外耳不適，長時間使用會施加物理應力。現有的接頭管是圓的，并且在90°固定角是硬的，因此需要有靈活柔軟的耳麥末端，重新設計的裝置能自我調整到符合人體工程學意義上正確的角度，防止密封周圍漏氣。重新設計的HPD的大部分都隱藏在耳廓后面，因此比現有的ZEM HPD外觀更好看。當HPD的左邊和右邊聯鎖時，重新設計的HPDs能輕松地放入口袋。[6]重新設計的耳麥末端清洗也很方便，防止弄臟而引起感染。重新設計的產品側視圖和平面圖如圖2所示。

圖2　重新設計的產品的側視圖和平面圖

設計構造：建議的設計是使用聚酰胺和醋酸纖維素來制造。進行實用性實驗使用了總共10對HPD。

6限制

比起現有的HPD，總體消音效果略少。在使用本產品時，工人再佩戴眼鏡可能會感到不適。ZEM HPD內使用纖維填充抑制了壓力脈動向等溫過程轉換，因此使得空氣更柔軟。HPD的左側和右側必須在一起保存。[7]重新設計的產品的左視圖和右視圖如圖3所示。

圖3　重新設計產品的左視圖和右視圖

7討論

上述設計的主要目標是削弱低頻噪音，提高用戶對重新設計的HPD的使用體驗。通過減壓段(RPS)設計，我們對HPD可以實現14.1027dB 消音。就設計而言，評估標準，實用性評估，功能評估和設計及過程可定制性都很明顯。此外，設計優化或為既定的定制化替代方案，決定設計參數的優化設置，在這個設計中，遵守了產品設計的基本原則，使用了最合適的人體測量數據。我們進行了文獻調查，發現了外耳人體測量數據，是95%男性和5%女性，基于此，我們使用Bernoulli方法計算了消音。我們分析的結果顯示我們的設計能有效地削減HPD的低頻噪音。[8]

正在進行的實驗：本研究的結果從人力因素方面來說，為重新設計HPD提供了可靠的基礎。在本案例研究中，我們重新設計了現有的HPD，為了能更高效的削弱低頻噪音，讓工人們有更舒適的使用體驗，有必要檢驗這個新的HPD是否能在實際生活中使用，并且為聽覺損耗提供更高效的防護。將會根據弗吉尼亞理工大學的機構審查委員會(VT-IRB)做出書面同意進行人員招募。因此， 我們未來研究可以潛在地進行啟發式評估來從聽覺顯示設計的專家以及人因工程學在設計循環的后期階段得到新HPD的各方面信息。同時，我們將進行用戶研究來衡量有效性，效率和滿意度以及整體性能。

參考文獻

[1]Fletcher, J.L. and D.W. Chandler.Comparison of occupational hearing losses among military engineers and their civilian counterparts[R]. J Aud Res,1983.

[2]Ahmed, H.O., et al. Occupational noise exposure and hearing loss of workers in two plants in eastern saudi Arabia. Annals of Occupational Hygiene[C], 2001.

[3]Zwislocki, J.J. U.S. Patent[R], Editor 1997.

[4]Liu, B. Incorporating anthropometry into design of ear-related products[C]. Applied Ergonomics, 2008.

[5]Alexander, M. and L.L. Laubach, Anthropometry of the human ear. (A photogrammetric study of USAF flight personnel).AMRL-TR-67-203. AMRL TR[M], 1968.

[6]Zwislocki, Ear Muffler,.U.s. Patent[R], Editor 1998.

[7]Akin, T., et al.,.A micromachined silicon sieve electrode for nerve regeneration applications[C]. IEEE Trans Biomed Eng, 1994.

[8]Richardson, R.R., Jr., J.A. Miller, and W.M. Reichert,.Polyimides as biomaterials: preliminary biocompatibility testing[R]. Biomaterials, 1993.

Class No.:TH12Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

The Introduction to Redesign the HPD Mechanism

Guo Li1, Zhang Jian2

(1.Software School, Anhui Vocational College of Electronic Information, Bengbu, Anhui 233000, China;2.Virginia Tech University, Virginia, America)

Abstract：In order to ensure the safety and health of workers in a noisy environment, the protection device is essential. Although there are a variety of hearing protection devices, there are some problems. We conduct this study is to provide a better alternative designs for existing hearing protection devices. Having measured a variety of design elements, such as reducing the weight and volume using human factors approach, which is based on the external auditory canal anthropometric data, including pierced length, ear length and ear length connection, solidworks completed three-dimensional design software design. This study tries to reduce low-frequency noise to make working people comfortable and beautiful.

Key words：HPD; alternative design; solidworks; low frequency sound

中圖分類號：TH12

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6758(2016)05-0036-3

作者簡介：郭麗，碩士，講師，安徽電子信息職業技術學院。

張健，博士，美國弗吉尼亞理工大學。