一種骨傳導送受話器的噪聲防護性能試驗研究

張 軍，鄭玉新，劉 石

（白城兵器試驗中心，吉林 白城137001）

槍炮噪聲和爆炸聲由于其突發(fā)的高聲強和特殊的物理性質，對周圍人員、設備和環(huán)境都造成很大的危害和干擾，槍炮噪聲造成靶場人員聽器損傷已為人們熟知，這種強脈沖噪聲可達170 dB以上甚至更高，這對周圍人員的安全和聲環(huán)境十分有害[1]。國軍標GJB 2A-96、GJB 1158-1991 的制定為暴露在槍炮噪聲環(huán)境下的工程技術人員提供了安全防護的依據[2-3]。但在實際工作中，為了通信方便，在小口徑武器射擊試驗中一般不采取任何防護措施；大口徑武器試驗時，部分人員使用棉球作為簡單的防護。根據實際噪聲測試，即使是小口徑武器，其射擊過程產生的噪聲峰值至少也在100 dB 以上，因此，從事射擊試驗任務的工作人員長期在這樣的噪聲環(huán)境下工作，將嚴重影響其身心健康。

強抗噪骨傳導送受話器是一種利用骨傳導技術[4-6]在提高送受話器噪聲防護性能的同時兼顧通信質量的新產品。可以滿足靶場射擊試驗等特殊場合對強噪聲進行防護的需求。為評定該送受話器的噪聲防護性能，進行了一定的試驗研究。在模擬射手耳部位置放置噪聲測試傳感器，通過幾種狀態(tài)下的實彈射擊測試，對該強抗噪骨傳導送受話器的噪聲防護性能進行測試、分析與評估。一方面為長期從事強噪聲環(huán)境下作業(yè)的工程技術人員開展正常科研試驗工作和保護身心健康提供一種新的更有效的防護裝置，另一方面為這種新型噪聲防護設備的設計改進提供一定的數據支持。

1 試驗方法

強抗噪骨傳導送受話器是一種利用骨傳導技術實現(xiàn)噪聲防護和通信質量有機統(tǒng)一的新產品，除具有一般送受話器的功能外，還提供了一個ANR(Active Noise Reduction)開關。按照設計目標，在ANR開關關閉的狀態(tài)下，可以作為普通的噪聲防護器具以及一般的送受話器使用；在ANR開關開啟的狀態(tài)下，其應較一般的送受話器具有更強的噪聲防護性能以及更好的通信質量。

（1）試驗材料與場地。強抗噪骨傳導送受話器四具；某大口徑機槍一挺；某小口徑步槍一支；機槍彈360發(fā)；步槍彈360發(fā)；測試傳感器選用B＆K 4938型噪聲傳感器；場地要求其周圍50 m 無突出障礙物。

（2）試驗方法。測試要求氣象條件為地面風速≤5 m/s，無雨、無雪、無霧天氣。為了降低環(huán)境噪聲對測試結果的影響，選擇無風天氣（風速小于1 m/s），經現(xiàn)場測試，此時的環(huán)境噪聲最大為90 dB且環(huán)境噪聲波動較為平穩(wěn)，而待測的2 種口徑槍械的現(xiàn)場實測噪聲峰值聲壓級至少為120 dB 以上。根據GB 12348-2008_工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準[7]和GB 12523-2011_建筑施工場界環(huán)境噪聲排放標準[8]中的規(guī)定，噪聲測量值與背景噪聲值相差大于10 dB 時，噪聲測量值不做修正。這也就是說，當環(huán)境噪聲低于測量噪聲10 dB 以上時，認為測量結果不受環(huán)境噪聲的影響。

在模擬射手頭部耳道內布置噪聲測試儀器，測試模擬射手耳部位置脈沖噪聲峰值（方法一）；在受話器耳包內放置噪聲測試傳感器，在ANR開關關閉的情況下測試耳包內模擬射手耳道脈沖噪聲峰值（方法二）；在受話器耳包內放置噪聲測試傳感器，在ANR 開關打開的情況下測試耳包內模擬射手耳道脈沖噪聲峰值（方法三）；按照上述3 種情況機槍和步槍各射擊3組，每組射擊方式為單發(fā)射擊10發(fā)，連發(fā)射擊5～10 發(fā)（射擊長度由射手自行控制），其中步槍射擊時采取射手立姿射擊，機槍射擊采用依托架體近地面射擊（如圖1所示）。圖1為試驗現(xiàn)場及模擬射手耳部傳感器布設情況。

圖1 試驗現(xiàn)場及傳感器布設

2 試驗結果

根據上述試驗方法分別進行射擊試驗，獲得了一系列測試結果。典型的時域曲線數據如圖2所示。其中，圖2(a)為按照試驗方法一，不加防護裝置，直接在模擬射手頭部耳道內布置噪聲測試傳感器的測試結果；圖2(b)為按照試驗方法二，在送受話器內放置噪聲測試傳感器并使其ANR 開關關閉情況下的測試結果。

圖2 典型噪聲曲線圖

由圖中可以看出，安裝送受話器前后，單從簡單的時域圖并不能獲得用于評定送受話器性能的更多相關信息，因此需要進行一定的數據處理。通過倍頻程計算獲得不同狀態(tài)下聲壓級與中心頻率之間的關系數據，同時也提取了各狀態(tài)下時域曲線的峰值聲壓級數據用于進一步的分析與評定。

2.1 機槍射擊試驗結果

如表1所示為使用某大口徑機槍射擊得到的數據處理結果。

單發(fā)射擊時，分別使用上述3 種方法得到的脈沖噪聲峰壓值分別為134.7dB、134.4 dB、134.3 dB；連發(fā)射擊時，脈沖噪聲峰壓值為132.2 dB、135.4 dB、136.0 dB。送受話器防護性能測試結果的頻域特性分析圖如圖3所示。圖3(a)為在單發(fā)射擊情況下，分別采用3種試驗方法進行測試的頻域分析圖，圖3(b)為連發(fā)射擊情況下，分別采用3 種試驗方法進行測試的頻域分析圖。

2.2 步槍射擊試驗結果

如表2所示為使用某小口徑步槍射擊得到的數據處理結果。

單發(fā)射擊時，分別使用上述3 種方法得到的脈沖噪聲峰壓值分別為125.3 dB、113.0 dB、105.7 dB；連發(fā)射擊時，脈沖噪聲峰壓值為129.0 dB、115.7 dB、110.5 dB。送受話器防護性能測試結果的頻域特性分析圖如圖4所示。圖4(a)和圖4(b)分別為單發(fā)和連發(fā)射擊情況下，分別采用3 種試驗方法進行測試的頻域特性分析圖。

圖3 送受話器防護性能頻域特性（大口徑機槍）

圖4 送受話器防護性能頻域特性（小口徑步槍）

表1 送受話器防護性能數據結果(大口徑機槍)/dB

表2 送受話器防護性能數據結果(小口徑步槍)/dB

3 討論

3.1 噪聲防護性能

3.1.1 幅值分析

聲學界和醫(yī)學界普遍認為峰值聲壓級是造成人體和聽覺損傷的主要因素，因此，世界各國的槍炮噪聲標準都以峰值聲壓級作為主要評價依據[1]。這里，我們對于試驗結果的幅值分析也以峰值聲壓級為主進行分析比較。

從試驗結果總體來看（如表2），小口徑步槍采用3種方法進行測試的結果比較符合我們對于噪聲特性的一般理解，當單發(fā)或連發(fā)射擊時，無防護狀態(tài)下的峰值聲壓級是最高的，其次是有防護狀態(tài)（ANR開關關閉），防護效果最好的是有防護狀態(tài)（ANR開關開啟）。單發(fā)射擊時，有防護狀態(tài)（ANR 開關關閉）和有防護狀態(tài)（ANR開關開啟）兩種狀態(tài)較無防護狀態(tài)下的峰值聲壓級分別降低了12.3 dB 和19.6 dB；連發(fā)射擊時，有防護狀態(tài)（ANR 開關關閉）和有防護狀態(tài)（ANR 開關開啟）兩種狀態(tài)較無防護狀態(tài)下的峰值聲壓級分別降低了13.3 dB 和18.5 dB。當送受話器的ANR 開關開啟時可以達到最大的噪聲衰減作用，在單發(fā)和連發(fā)射擊時的峰值聲壓級分別降低了19.6 dB和18.5 dB。

從大口徑機槍的峰值聲壓級測試結果看，在單發(fā)射擊時，送受話器起到了一定的防護作用，但是作用很小，最大噪聲衰減量為0.4 dB；連發(fā)射擊時，送受話器的存在反而增加了接收到的峰值聲壓級[9]，原因可能是一方面大口徑機槍射擊產生的噪聲頻譜分布與小口徑步槍射擊時產生的噪聲頻譜分布有一定差別，另一方面是由于送受話器僅對一定頻率的噪聲衰減作用較好而對一些頻率的噪聲在一定程度上反而有小幅增強作用引起的。

3.1.2 頻域分析

由圖3、4可以得出送受話器在頻域內的噪聲衰減特性，如圖5、6所示。

由圖3大口徑機槍射擊時送受話器的頻域特性上可以看出在正常射擊（無防護）時，連發(fā)射擊與單發(fā)射擊相比的噪聲特性是：在低頻區(qū)（1 kHz以內）聲壓級無明顯變化，表現(xiàn)為在某些頻段稍有增強而在某些頻段有些許減弱；在高頻區(qū)（2 kHz 以上），連發(fā)射擊的聲壓級較單發(fā)射擊時有明顯衰減，且衰減量隨著頻率的增加呈增大趨勢。

由圖5送受話器頻域衰減特性分析中可以看出，在單發(fā)射擊情況下，送受話器對高頻區(qū)的噪聲衰減效果比較好，而對低頻區(qū)噪聲的衰減作用不明顯且對部分區(qū)域有小幅增強作用，同時可以看出ANR開關在頻域的衰減上沒有發(fā)揮其應有的降噪防護作用，反而由于ANR開關的開啟使得通過送受話器的噪聲量有較大的增加；在連發(fā)射擊情況下，由其本身特性決定高頻區(qū)聲壓級較單發(fā)射擊時已經有明顯減弱（如圖3所示），因此，防護裝置對高頻區(qū)的噪聲衰減效果沒有單發(fā)射擊時明顯，但送受話器的防護作用仍然體現(xiàn)在對于高頻噪聲的衰減上，且在高頻區(qū)的衰減量與低頻區(qū)的增強量基本持平，而ANR開關的開啟在大部分頻率范圍內起到了一定的衰減作用。

圖5 送受話器頻域衰減特性（大口徑機槍）

圖6 送受話器頻域衰減特性（小口徑步槍）

由圖4小口徑步槍射擊時送受話器的頻域特性上可以看出在正常射擊（無防護）時，連發(fā)射擊與單發(fā)射擊相比的噪聲特性無明顯差別，在全頻域內連發(fā)射擊的聲壓級較單發(fā)射擊時要高，總體趨勢是隨頻率的增加聲壓級增量在減小。

由圖6步槍射擊時送受話器頻域衰減特性分析中可以看出，在單發(fā)射擊情況下，送受話器對高頻區(qū)的噪聲衰減效果很明顯，而當ANR 開關開啟后，送受話器對高頻噪聲和低頻噪聲無明顯影響，而對中低頻噪聲衰減效果較好，因此在一定程度上達到了噪聲防護的效果。其連發(fā)射擊狀態(tài)下的性能與單發(fā)類似，可以從圖6(a)、圖6(b)的比較中得出，這里不贅述。

3.2 噪聲對通信效果的影響

由聲學原理可知，人能感知的聲音頻率范圍為20 Hz～20 kHz。人的語音頻率范圍為80 Hz～8 kHz。但300 Hz～3 400 Hz 的頻譜范圍內話音的清晰度為90%，可懂度高達100%[6]。

根據上述的分析討論可知，送受話器對中高頻噪聲的總體衰減效果較好，而人在300 Hz～3 400 Hz的頻譜范圍內話音的清晰度好、可懂度高，因此，該送受話器可以滿足通信的需要，在語音可懂度高的頻段內有效地降低了噪聲。實際試驗中對多名操作手的調查結果也證實了該結論的正確性。

3.3 小結

由上述分析可知，這種骨傳導送受話器對于小口徑步槍射擊噪聲的防護作用要好于大口徑機槍，而該送受話器上的ANR 開關設計也只針對小口徑步槍射擊噪聲的防護作用明顯。從送受話器的總體噪聲防護作用來看，ANR 開關的設計存在一定問題，可以滿足小口徑步槍射擊時的噪聲防護要求以及通信需要但是不能滿足大口徑機槍射擊的噪聲防護要求。從峰值聲壓級和頻域特性上看，要使所設計的ANR 開關起到主動降噪的作用一方面其降噪作用要覆蓋盡量寬的頻域范圍，另一方面其相應的降噪量要相對明顯，如圖5(b)。雖然ANR 開關在較大頻域范圍內起到了一定作用，但其降噪量相對較小，因此，從整體效果看ANR 開關的主動降噪作用發(fā)揮仍不明顯。

4 結語

為評定一種強抗噪骨傳導送受話器的噪聲防護性能，進行了一系列的試驗研究。在無防護、有防護（ANR開關關閉時）和有防護（ANR開關開啟時）3種狀態(tài)下，分別用小口徑步槍和大口徑機槍進行射擊試驗，獲得了該產品的噪聲環(huán)境下的性能數據，并結合測試結果的幅值特性和頻域分析進行了詳細的討論。通過討論分析認為，該送受話器在小口徑步槍射擊時的噪聲防護作用優(yōu)于大口徑機槍，能夠達到噪聲防護的一般要求。但從總體噪聲防護性能來看，該送受話器中的ANR 開關設計存在一定問題，沒有完全達到主動降噪的作用，需要進行進一步的設計和改進。