一種骨傳導(dǎo)送受話器的噪聲防護(hù)性能試驗(yàn)研究

張 軍，鄭玉新，劉 石

（白城兵器試驗(yàn)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(qiáng)和特殊的物理性質(zhì)，對(duì)周圍人員、設(shè)備和環(huán)境都造成很大的危害和干擾，槍炮噪聲造成靶場(chǎng)人員聽(tīng)器損傷已為人們熟知，這種強(qiáng)脈沖噪聲可達(dá)170 dB以上甚至更高，這對(duì)周圍人員的安全和聲環(huán)境十分有害[1]。國(guó)軍標(biāo)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(shù)人員提供了安全防護(hù)的依據(jù)[2-3]。但在實(shí)際工作中，為了通信方便，在小口徑武器射擊試驗(yàn)中一般不采取任何防護(hù)措施；大口徑武器試驗(yàn)時(shí)，部分人員使用棉球作為簡(jiǎn)單的防護(hù)。根據(jù)實(shí)際噪聲測(cè)試，即使是小口徑武器，其射擊過(guò)程產(chǎn)生的噪聲峰值至少也在100 dB 以上，因此，從事射擊試驗(yàn)任務(wù)的工作人員長(zhǎng)期在這樣的噪聲環(huán)境下工作，將嚴(yán)重影響其身心健康。

強(qiáng)抗噪骨傳導(dǎo)送受話器是一種利用骨傳導(dǎo)技術(shù)[4-6]在提高送受話器噪聲防護(hù)性能的同時(shí)兼顧通信質(zhì)量的新產(chǎn)品?？梢詽M足靶場(chǎng)射擊試驗(yàn)等特殊場(chǎng)合對(duì)強(qiáng)噪聲進(jìn)行防護(hù)的需求。為評(píng)定該送受話器的噪聲防護(hù)性能，進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究。在模擬射手耳部位置放置噪聲測(cè)試傳感器，通過(guò)幾種狀態(tài)下的實(shí)彈射擊測(cè)試，對(duì)該強(qiáng)抗噪骨傳導(dǎo)送受話器的噪聲防護(hù)性能進(jìn)行測(cè)試、分析與評(píng)估。一方面為長(zhǎng)期從事強(qiáng)噪聲環(huán)境下作業(yè)的工程技術(shù)人員開(kāi)展正常科研試驗(yàn)工作和保護(hù)身心健康提供一種新的更有效的防護(hù)裝置，另一方面為這種新型噪聲防護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供一定的數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方法

強(qiáng)抗噪骨傳導(dǎo)送受話器是一種利用骨傳導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)噪聲防護(hù)和通信質(zhì)量有機(jī)統(tǒng)一的新產(chǎn)品，除具有一般送受話器的功能外，還提供了一個(gè)ANR(Active Noise Reduction)開(kāi)關(guān)。按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，在ANR開(kāi)關(guān)關(guān)閉的狀態(tài)下，可以作為普通的噪聲防護(hù)器具以及一般的送受話器使用；在ANR開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的狀態(tài)下，其應(yīng)較一般的送受話器具有更強(qiáng)的噪聲防護(hù)性能以及更好的通信質(zhì)量。

（1）試驗(yàn)材料與場(chǎng)地。強(qiáng)抗噪骨傳導(dǎo)送受話器四具；某大口徑機(jī)槍一挺；某小口徑步槍一支；機(jī)槍彈360發(fā)；步槍彈360發(fā)；測(cè)試傳感器選用B＆K 4938型噪聲傳感器；場(chǎng)地要求其周圍50 m 無(wú)突出障礙物。

（2）試驗(yàn)方法。測(cè)試要求氣象條件為地面風(fēng)速≤5 m/s，無(wú)雨、無(wú)雪、無(wú)霧天氣。為了降低環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，選擇無(wú)風(fēng)天氣（風(fēng)速小于1 m/s），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，此時(shí)的環(huán)境噪聲最大為90 dB且環(huán)境噪聲波動(dòng)較為平穩(wěn)，而待測(cè)的2 種口徑槍械的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)噪聲峰值聲壓級(jí)至少為120 dB 以上。根據(jù)GB 12348-2008_工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)[7]和GB 12523-2011_建筑施工場(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)[8]中的規(guī)定，噪聲測(cè)量值與背景噪聲值相差大于10 dB 時(shí)，噪聲測(cè)量值不做修正。這也就是說(shuō)，當(dāng)環(huán)境噪聲低于測(cè)量噪聲10 dB 以上時(shí)，認(rèn)為測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境噪聲的影響。

在模擬射手頭部耳道內(nèi)布置噪聲測(cè)試儀器，測(cè)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(nèi)放置噪聲測(cè)試傳感器，在ANR開(kāi)關(guān)關(guān)閉的情況下測(cè)試耳包內(nèi)模擬射手耳道脈沖噪聲峰值（方法二）；在受話器耳包內(nèi)放置噪聲測(cè)試傳感器，在ANR 開(kāi)關(guān)打開(kāi)的情況下測(cè)試耳包內(nèi)模擬射手耳道脈沖噪聲峰值（方法三）；按照上述3 種情況機(jī)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(zhǎng)度由射手自行控制），其中步槍射擊時(shí)采取射手立姿射擊，機(jī)槍射擊采用依托架體近地面射擊（如圖1所示）。圖1為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及模擬射手耳部傳感器布設(shè)情況。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及傳感器布設(shè)

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方法分別進(jìn)行射擊試驗(yàn)，獲得了一系列測(cè)試結(jié)果。典型的時(shí)域曲線數(shù)據(jù)如圖2所示。其中，圖2(a)為按照試驗(yàn)方法一，不加防護(hù)裝置，直接在模擬射手頭部耳道內(nèi)布置噪聲測(cè)試傳感器的測(cè)試結(jié)果；圖2(b)為按照試驗(yàn)方法二，在送受話器內(nèi)放置噪聲測(cè)試傳感器并使其ANR 開(kāi)關(guān)關(guān)閉情況下的測(cè)試結(jié)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(jiǎn)單的時(shí)域圖并不能獲得用于評(píng)定送受話器性能的更多相關(guān)信息，因此需要進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理。通過(guò)倍頻程計(jì)算獲得不同狀態(tài)下聲壓級(jí)與中心頻率之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，同時(shí)也提取了各狀態(tài)下時(shí)域曲線的峰值聲壓級(jí)數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的分析與評(píng)定。

2.1 機(jī)槍射擊試驗(yàn)結(jié)果

如表1所示為使用某大口徑機(jī)槍射擊得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

單發(fā)射擊時(shí)，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(shí)，脈沖噪聲峰壓值為132.2 dB、135.4 dB、136.0 dB。送受話器防護(hù)性能測(cè)試結(jié)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(yàn)方法進(jìn)行測(cè)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(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試的頻域分析圖。

2.2 步槍射擊試驗(yàn)結(jié)果

如表2所示為使用某小口徑步槍射擊得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

單發(fā)射擊時(shí)，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(shí)，脈沖噪聲峰壓值為129.0 dB、115.7 dB、110.5 dB。送受話器防護(hù)性能測(cè)試結(jié)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(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試的頻域特性分析圖。

圖3 送受話器防護(hù)性能頻域特性（大口徑機(jī)槍）

圖4 送受話器防護(hù)性能頻域特性（小口徑步槍）

表1 送受話器防護(hù)性能數(shù)據(jù)結(jié)果(大口徑機(jī)槍)/dB

表2 送受話器防護(hù)性能數(shù)據(jù)結(jié)果(小口徑步槍)/dB

3 討論

3.1 噪聲防護(hù)性能

3.1.1 幅值分析

聲學(xué)界和醫(yī)學(xué)界普遍認(rèn)為峰值聲壓級(jí)是造成人體和聽(tīng)覺(jué)損傷的主要因素，因此，世界各國(guó)的槍炮噪聲標(biāo)準(zhǔn)都以峰值聲壓級(jí)作為主要評(píng)價(jià)依據(jù)[1]。這里，我們對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的幅值分析也以峰值聲壓級(jí)為主進(jìn)行分析比較。

從試驗(yàn)結(jié)果總體來(lái)看（如表2），小口徑步槍采用3種方法進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果比較符合我們對(duì)于噪聲特性的一般理解，當(dāng)單發(fā)或連發(fā)射擊時(shí)，無(wú)防護(hù)狀態(tài)下的峰值聲壓級(jí)是最高的，其次是有防護(hù)狀態(tài)（ANR開(kāi)關(guān)關(guān)閉），防護(hù)效果最好的是有防護(hù)狀態(tài)（ANR開(kāi)關(guān)開(kāi)啟）。單發(fā)射擊時(shí)，有防護(hù)狀態(tài)（ANR 開(kāi)關(guān)關(guān)閉）和有防護(hù)狀態(tài)（ANR開(kāi)關(guān)開(kāi)啟）兩種狀態(tài)較無(wú)防護(hù)狀態(tài)下的峰值聲壓級(jí)分別降低了12.3 dB 和19.6 dB；連發(fā)射擊時(shí)，有防護(hù)狀態(tài)（ANR 開(kāi)關(guān)關(guān)閉）和有防護(hù)狀態(tài)（ANR 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟）兩種狀態(tài)較無(wú)防護(hù)狀態(tài)下的峰值聲壓級(jí)分別降低了13.3 dB 和18.5 dB。當(dāng)送受話器的ANR 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)可以達(dá)到最大的噪聲衰減作用，在單發(fā)和連發(fā)射擊時(shí)的峰值聲壓級(jí)分別降低了19.6 dB和18.5 dB。

從大口徑機(jī)槍的峰值聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果看，在單發(fā)射擊時(shí)，送受話器起到了一定的防護(hù)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(shí)，送受話器的存在反而增加了接收到的峰值聲壓級(jí)[9]，原因可能是一方面大口徑機(jī)槍射擊產(chǎn)生的噪聲頻譜分布與小口徑步槍射擊時(shí)產(chǎn)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(duì)一定頻率的噪聲衰減作用較好而對(duì)一些頻率的噪聲在一定程度上反而有小幅增強(qiáng)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(nèi)的噪聲衰減特性，如圖5、6所示。

由圖3大口徑機(jī)槍射擊時(shí)送受話器的頻域特性上可以看出在正常射擊（無(wú)防護(hù)）時(shí)，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(nèi)）聲壓級(jí)無(wú)明顯變化，表現(xiàn)為在某些頻段稍有增強(qiáng)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(jí)較單發(fā)射擊時(shí)有明顯衰減，且衰減量隨著頻率的增加呈增大趨勢(shì)。

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(duì)高頻區(qū)的噪聲衰減效果比較好，而對(duì)低頻區(qū)噪聲的衰減作用不明顯且對(duì)部分區(qū)域有小幅增強(qiáng)作用，同時(shí)可以看出ANR開(kāi)關(guān)在頻域的衰減上沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的降噪防護(hù)作用，反而由于ANR開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟使得通過(guò)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(jí)較單發(fā)射擊時(shí)已經(jīng)有明顯減弱（如圖3所示），因此，防護(hù)裝置對(duì)高頻區(qū)的噪聲衰減效果沒(méi)有單發(fā)射擊時(shí)明顯，但送受話器的防護(hù)作用仍然體現(xiàn)在對(duì)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(qiáng)量基本持平，而ANR開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟在大部分頻率范圍內(nèi)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(jī)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(shí)送受話器的頻域特性上可以看出在正常射擊（無(wú)防護(hù)）時(shí)，連發(fā)射擊與單發(fā)射擊相比的噪聲特性無(wú)明顯差別，在全頻域內(nèi)連發(fā)射擊的聲壓級(jí)較單發(fā)射擊時(shí)要高，總體趨勢(shì)是隨頻率的增加聲壓級(jí)增量在減小。

由圖6步槍射擊時(shí)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(duì)高頻區(qū)的噪聲衰減效果很明顯，而當(dāng)ANR 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟后，送受話器對(duì)高頻噪聲和低頻噪聲無(wú)明顯影響，而對(duì)中低頻噪聲衰減效果較好，因此在一定程度上達(dá)到了噪聲防護(hù)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(duì)通信效果的影響

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

根據(jù)上述的分析討論可知，送受話器對(duì)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(nèi)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(yǔ)音可懂度高的頻段內(nèi)有效地降低了噪聲。實(shí)際試驗(yàn)中對(duì)多名操作手的調(diào)查結(jié)果也證實(shí)了該結(jié)論的正確性。

3.3 小結(jié)

由上述分析可知，這種骨傳導(dǎo)送受話器對(duì)于小口徑步槍射擊噪聲的防護(hù)作用要好于大口徑機(jī)槍，而該送受話器上的ANR 開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)也只針對(duì)小口徑步槍射擊噪聲的防護(hù)作用明顯。從送受話器的總體噪聲防護(hù)作用來(lái)看，ANR 開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)存在一定問(wèn)題，可以滿足小口徑步槍射擊時(shí)的噪聲防護(hù)要求以及通信需要但是不能滿足大口徑機(jī)槍射擊的噪聲防護(hù)要求。從峰值聲壓級(jí)和頻域特性上看，要使所設(shè)計(jì)的ANR 開(kāi)關(guān)起到主動(dòng)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(yīng)的降噪量要相對(duì)明顯，如圖5(b)。雖然ANR 開(kāi)關(guān)在較大頻域范圍內(nèi)起到了一定作用，但其降噪量相對(duì)較小，因此，從整體效果看ANR 開(kāi)關(guān)的主動(dòng)降噪作用發(fā)揮仍不明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

為評(píng)定一種強(qiáng)抗噪骨傳導(dǎo)送受話器的噪聲防護(hù)性能，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。在無(wú)防護(hù)、有防護(hù)（ANR開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)）和有防護(hù)（ANR開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)）3種狀態(tài)下，分別用小口徑步槍和大口徑機(jī)槍進(jìn)行射擊試驗(yàn)，獲得了該產(chǎn)品的噪聲環(huán)境下的性能數(shù)據(jù)，并結(jié)合測(cè)試結(jié)果的幅值特性和頻域分析進(jìn)行了詳細(xì)的討論。通過(guò)討論分析認(rèn)為，該送受話器在小口徑步槍射擊時(shí)的噪聲防護(hù)作用優(yōu)于大口徑機(jī)槍，能夠達(dá)到噪聲防護(hù)的一般要求。但從總體噪聲防護(hù)性能來(lái)看，該送受話器中的ANR 開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)存在一定問(wèn)題，沒(méi)有完全達(dá)到主動(dòng)降噪的作用，需要進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。