基于主成分分析的護聽器優選方法研究

鞏泉泉，謝連科，竇丹丹，趙佳美，朱亦丹

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003；2.北京市勞動保護科學研究所，北京100054)

0 引 言

隨著改革開放的深入，國民經濟快速發展，抽水蓄能電站的建設也進入了快速發展期。由于抽水蓄能電站具有高水頭、大容量、機組高轉速、水流雙向運轉、工況變換頻繁等特點，其振動輻射的噪聲相當明顯，對在廠區內作業的人員造成極大的影響。長期工作在高噪聲的環境中，如果不采取有效的防護措施，極有可能導致永久性的聽力損失，甚至嚴重的職業性耳聾[1]。目前很多國家都已把職業性耳聾列為重要的職業病之一[2]。因此在抽水蓄能電站高噪聲區域工作的人員，需要進行聽力保護，以避免產生聽力損失。本文通過對市面上112種護聽器進行插入損失測試，利用主成分分析方法，結合某抽水蓄能電站10種工作場所現場噪聲情況，確定所測試的護聽器更適用的工作場所。

1 抽水蓄能電站作業場所的特點及分析

為了充分了解抽水蓄能電站的噪聲情況，從而為其選擇最佳的噪聲防護設備，分別對某抽水蓄能點站現場的噪聲環境進行了測量。主要測量作業場所內的噪聲照射值，測試時間為2018年3月21日～3月23日，測試期間在各機組運行時狀態下，通風等設施正常運行。經測試得到發電工況下各機組運行結果，如表1所示。

通過表1可知，等效聲級超過85 dB(A)的現場作業場所為發電機層1#發電機內、水輪機層1#水車室外、水輪機層1#水車室內、水輪機層2#水車室內、水輪機層3#水車室內、蝸殼層2#尾水錐管室外、蝸殼層2#尾水錐管室內、蝸殼層3#尾水錐管室外、蝸殼層3#尾水錐管室內和主變洞3#主變室10種檢測地點。對發電工況下這10種作業場所進行頻譜測量和分析，結果如圖1所示。

表1 發電工況下1#、2#、3#機組運行工作場所噪聲檢測結果Table 1 Noise detection results at the operation workplaces of 1#, 2#, 3# units in the power generation working condition

2 護聽器的選擇

2.1 護聽器的初步篩選

隨機選取市面上的112種護聽器，參考GB/T 7584.3-2011《聲學護聽器第3部分：使用專用聲學測試裝置測量耳罩式護聽器的插入損失》和GB/T 7584.2-1999《聲學護聽器第2部分：戴護聽器時有效A計權聲壓級估算》[3-4]，對這些護聽器進行插入損失測試。

使用B&K頭和軀干模擬器4128C進行測試。利用粉紅噪聲作為噪聲源，分別測試沒有護聽器封閉和有護聽器封閉兩種情況下的聲壓級，兩次測量結果的差值即是護聽器的插入損失：

其中：Ll,Aeq為佩戴護聽器后對應檢測場所的等效連續A聲級；Lp,i為實際測試各檢測場所各頻段聲級；Le,i為各類型護聽器的插入損失各頻段聲級，i為頻段數。

測試步驟：

(1) 采用PLUSE聲學軟件7 758測量人工頭沒有安放護聽器封閉時傳聲器處的聲壓級；

(2) 按照順序將護聽器安放在人工頭耳道內，保證護聽器位于傳聲器端面的中心處(如圖2所示)；

(3) 安放約30 s后，采用PLUSE聲學軟件再次測量人工頭護聽器封閉時的聲壓級；

(4) 同一護聽器重復三次進行步驟(1)～(3)，采用三次的平均值進行插入損失計算。

將各頻段的插入損失加權可得到其A計權聲壓級。根據GB/T 23466-2009《護聽器的選擇指南》[5]中推薦：作業人員受護聽器保護作用后，A計權聲壓級的有效值介于75～80 dB(A)時，表明該護聽器保護水平較好；而低于70 dB(A)表明護聽器過度保護，高于80 dB(A)則為保護不足。由式(1)計算獲得各檢測場所內各護聽器降噪后有效的A計權聲壓級介于75～80 dB(A)間的護聽器品牌共有24種，如表2所示。

圖1 10種作業場所噪聲的1/3倍頻程頻譜Fig.1 One-third octave spectrum of noises at 10 kinds of workplaces

圖2 護聽器插入前后測試的對比圖Fig.2 Comparison of tests before and after hearing protector insertion

2.2 主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)是利用降維的思想，在力保數據信息損失最小的原則下，把多個指標轉化為少數幾個綜合指標的一種對多變量數據進行最佳綜合簡化的多元統計方法[6]。本文為了分析這24種護聽器降噪的性能，通過主成分分析方法，將互不相關的各頻譜作為變量共同度(即提取的主成分對每個變量的解釋程度)，對于護聽器不同頻段的降噪效果進行分析，確定各類護聽器對各頻段噪聲的降噪效果。本研究通過SPSS軟件對篩選出里的24種類型護聽器的各中心頻段插入損失值進行主成分分析。得到各頻率下變量共同度及各成分的方差貢獻率分別如表3、表4所示。

根據表3可知：各頻段下提取的主成分系數均大于0.5，表明提取的主成分對每個變量的解釋程度都較高。根據表4可得：在本次計算分析中提取了兩個主成分，第一個主成分的特征根為6.990，方差貢獻率為69.899%，第二個主成分的特征根為1.349，方差貢獻率為13.492%，兩個主成分的累積方差貢獻率達到83.391%，進一步說明提取兩個主成分是比較合適的。各主成分因子載荷矩陣(其絕對值大小代表主成分與原始變量的相關程度)如表5所示。

表2 對應不同場所降噪效果較好的護聽器品牌Table 2 The 24 kinds of hearing protectors with good noise reduction effect

由表5可以看出，第一主成分與63～8 000 Hz的原始變量相關系數接近于1，說明所測試的護聽器中，降噪范圍處于63～8 000 Hz的護聽器較多。同理，第二主成分中頻段為31.5 Hz及16 000 Hz的護聽器較多。

表3 主成分分析中各個中心頻率的變量共同度Table 3 The variable commonality of each frequency in principal component analysis

表4 各成分的方差貢獻率Table 4 Variance contribution rate of each component

表5 主成分因子載荷矩陣Table 5 Principal component matrix

同時可以根據每個主成分的特征根做權數，對每個主成分進行加權加總，用公式表示為

其中：f1、f2分別為兩個主成分函數，μ1、μ2分別為兩個主成分的特征根，根據式(2)可以確定24種類型護聽器的主成分得分排序及綜合得分排序，如表6所示。

從表6中可以看出，在對本次研究的各品牌護聽器對比中，星工品牌的護聽器在63～8 000 Hz的頻帶范圍內比較具有代表性，pluggerz-sleep品牌的護聽器在31.5 Hz或16 000 Hz下比較具有代表性。

表6 24種護聽器的主成分得分排序及綜合得分排序Table 6 The ranking of principal components score and comprehensive score of 24 kinds of hearing protectors

結合以上主成分分析，可以得出在本次測試的112種護聽器中，大部分護聽器對于所研究的10種場所中，更適用的場所為：1#發電機隔聲罩內、1#水車室外、1#水車室內、2#尾水錐管室外、2#尾水錐管檢修門、3#尾水錐管室外和3#尾水錐管檢修門這7個場所。

3 結 論

根據本文測試分析可知，該抽水蓄能電站各現場作業的環境不同，噪聲強度也不同。所測試的34個場所內有10個場所噪聲過高，不利于工人作業，影響作業人員身心健康，有必要對此狀況進行有效防護。通過對112種護聽器插入損失測試，選出了24種類型降噪效果較優的護聽器，并對這24種護聽器進行了主成分分析，找出最具成分代表性的護聽器，以此判斷所測試的112種護聽器大部分適用的作業場所為： 1#發電機隔聲罩內、1#水車室外、1#水車室內、2#尾水錐管室外、2#尾水錐管檢修門、3#尾水錐管室外和3#尾水錐管檢修門這7個場所。另外3個場所可能由于現場噪聲特性不同等原因，需要有針對性選擇適合的護聽器。該方法也為其他作業場所護聽器類型的選擇提供借鑒。