对引进减压机制来重新设计HPD的研究

郭　丽，张　健

(1.安徽电子信息职业技术学院 软件学院，安徽 蚌埠　233000；　2.弗吉尼亚理工大学，美国 弗吉尼亚)



对引进减压机制来重新设计HPD的研究

郭丽1，张健2

(1.安徽电子信息职业技术学院 软件学院，安徽 蚌埠233000；2.弗吉尼亚理工大学，美国 弗吉尼亚)

摘要：为了确保在噪音工作环境中工人的安全和健康，保护装置必不可少。但是，目前的各种听力保护装置都存在一些问题。本研究的进行是为现有的听力保护装置提供更好的替代性设计。度量多种设计要素，这种方法是基于外耳道人体测量数据，包括耳洞长度等要素。采用solidworks三维设计软件完成设计部分。本研究不仅能更好地对低频消音，而且产品在嘈杂环境中长时间佩戴，舒适美观。

关键词：HPD；替代设计；solidworks；低频消音

1介绍

持续暴露在重工业行业的噪音中，是增应力以及听觉障碍的起因。职业性暴露在工业噪音中会导致听觉损耗，这也是个全球性的问题。据劳工统计局统计，在制造业中，职业性暴露是记录上最常见的职业病(59100个案例中，此种占17700例)，占美国已记录疾病的1/9。超过72%的此种疾病都发生在制造业工人中。然而，制造业工人通常会抱怨听力下降或者听别人说的话很模糊。这可能会导致工人们在移动设备时受伤或与同事交流时理解错误的风险增加。[1]

引起听力损耗的过程隐藏在工人人群中，工人们也没有警觉到听觉损耗正在发生，而不单单是可能耳朵有一点铃铃响。职业性听觉损耗是由于处于高级别的噪音中而导致，不仅仅是暴露的时间，还有赖于噪音的频率和强度。还取决于噪音类型，不论是持续的还是短促的冲击声。唯一奏效的方法就是预防，例如，通过降低暴露时间或降低在耳边的噪音强度来限制暴露在噪音中。在暴露期间来降低通常是非常繁琐的，以至于工人们不能在减少的时间内合理地完成要求的工作。因而，为了预防听觉损耗，会向工人们提供听觉保护装置(HPDs)。HPDs的有效运行不仅仅取决于装置的衰减程度，还有赖于工人佩戴该装置的时间以及正确度。[2]市场上的SensGard ZEM是由一对用头带连接的重量很轻的消音管组成。消音管的声学特性使得佩戴者能阻隔损害性噪音，而又能听到有用的声音，如警告信号等。但是，因为要长时间地佩戴，这种消音管在使用中会引起不适。

ZEM sensgard的最高衰减是650Hz。在更低频率时，需要衰减。这是一个很笨重的装置，重达 48.19 g，体积为 221.43 cm3，尽管它可以折叠并放在口袋，但可能会很不舒适。HPD的使用受限，主要是因为工人们不可能在戴了安全头盔或电焊工面罩的情况下，同时佩戴这种由头带连接的装置，因此，需要重新设计。该装置没有有吸引力的外观，因此工人们可能会没信心使用目前这种设计的HPD。HDP 耳麦中耳机部分的末端的直径很大，以至于连接管耳麦末端密封不能很好地调整。[3]不灵活性是佩戴sensgard HPD期间不舒适的主要原因，因此需要能自由移动。在耳道/外耳里有一个固定的迎角，这个迎角是由消音管和连接管之间的硬性弯管接头形成的。但是清洁消音管很困难，同时，耳麦末端是由泡沫做成的，这为细菌提供了温床，可能会导致耳朵感染。总的来说，这就是一个在外耳的装置，不是耳洞装置，因此声漏的机会更大。

2重新设计的实践创新

要重新设计一个不那么笨重而且可随便移动的HPD，以便能从外耳移除固定的迎角。重新设计的HPD由于在耳廓的重量，会施加压力。整个连接管是用无毒，防过敏和不伤肤的材料制作而成，例如聚酰亚胺，可以设计成可自我调适结构，以便外耳门/耳道能更好地贴合。由于低密度和小体积，该装置应该施加更少的压力。防声封条可由可变形的，柔软的耳洞耳麦末端做成。耳麦末端由二氧化硅包覆的记忆泡沫做成，以防止硅条沿线的漏气，确保无痛插入。从卫生角度来看，耳麦末端容易清洁，而且花很少的钱就可以替换掉。

为了给装置配备小的声阻抗，提高消音，HPD风量应该比耳道的平均相等容积 (1.7 cm3到2.5 cm3)提高10-15倍。比起ZEM sensgard HPDs声称的650Hz，HPD管应该还要小1/4的波纹衰减，以在更低频率时有更高的噪音衰减。

3外耳人体测量

外耳人体测量数据(见表1)，95%的男性和5%的女性用于估算重新设计的HPD的尺寸，这个HPD可以佩戴在耳廓上。[4]

表1　95%雄穗和5%雌穗的人体测量数据

耳朵长度(是指耳长=67.1 mm)与targus半径为15°(是指=35mm)的比率用于估算HPD的尺寸，使用下列比率。Targus与耳长的比率=(35/67.1) mm= 0.5216mm。耳Targus到耳轮 (15°斜角) 的平均长度适合95%的雌穗，也就是3.64 cm。为了耳朵有更好的紧固贴合，加算进去耳朵连接长度6厘米。管的长度选定为16厘米，以便管能舒适地放在耳廓后面。再算进额外的6厘米长的减压节(RPS)，以帮助减小HPD16厘米长管的声阻抗。RPS能帮助保护耳朵不受意外的暴露在高分贝噪音中。重新设计的HPD的同等容积是10.4552 cm3。耳道的平均同等容积是从1.7 cm3到2.5 cm3不等。个人最低到最高值的消音计算如下。耳道的最低同等容积是Pa/Pe=10.4552/1.7=6.15，消音=20log(Pa/Pe) =15.7775 dB。耳道的最高同等容积是Pa/Pe=10.4552/2.5=4.1821 ，消音=20log(Pa/Pe) =12.4279 dB。Pa= 环境空气声压；Pe=耳道进口处的声压。即指消音为14.1027 dB.选择聚酰亚胺作为制作HPD的材料。这种材料是对人体无毒的。聚酰亚胺的密度是1.48 g/cm3。声阻抗是3.61 g/ cm2-sec X105。HPD的减压段(RPS)涂上了醋酸纤维素，这是一种天然的生物降解高分子，并且声阻抗是 3.19 g/cm2-sec X 105。因此，RPS的同等抗阻是约等于(3.61+3.19) ≈ 6 g/ cm2-sec X 105。使用了Bernoulli方法(如下文)在16厘米的管路内形成更高的压降。P1, P2是指压力，ρ是指密度，h1 &h2是指离参考地的高度， v1 & v2 是分别在 1 & 2处的速度。耳洞处耳麦末端选用0.8厘米直径，用镀硅的记忆泡沫(聚氨酯)和硅条覆盖。镀硅泡沫的一个好处就是，不吸水或汗，因此防止细菌滋生和感染。泡沫和硅条确保了耳麦末端舒适地插入耳道(当有空气填充时，外径约为1厘米)。使用的聚酰亚胺材料的容积是4.73cm3(密度=1.48 g/cm3)，聚酰亚胺材料的重量约等于7克。[5]两者对比如表2所示。耳麦末端泡沫和硅的额外重量会把总质量增加到约14克。

表2　材料的声抗阻：聚酰亚胺和醋酸纤维素

4替代性重新设计

4.1 减压段(RPS)可用6厘米长的管子代替，以达到对低频有更高的消音。

4.2 在管道内使用纤维填充来转换绝热膨胀过程成等温过程。减压室的示意图如图1所示。

图1　减压室的示意图

5需要遵守的要求和约束

ZEM HPD的尺寸非常大，由于其重量(48.19克)会让外耳不适，长时间使用会施加物理应力。现有的接头管是圆的，并且在90°固定角是硬的，因此需要有灵活柔软的耳麦末端，重新设计的装置能自我调整到符合人体工程学意义上正确的角度，防止密封周围漏气。重新设计的HPD的大部分都隐藏在耳廓后面，因此比现有的ZEM HPD外观更好看。当HPD的左边和右边联锁时，重新设计的HPDs能轻松地放入口袋。[6]重新设计的耳麦末端清洗也很方便，防止弄脏而引起感染。重新设计的产品侧视图和平面图如图2所示。

图2　重新设计的产品的侧视图和平面图

设计构造：建议的设计是使用聚酰胺和醋酸纤维素来制造。进行实用性实验使用了总共10对HPD。

6限制

比起现有的HPD，总体消音效果略少。在使用本产品时，工人再佩戴眼镜可能会感到不适。ZEM HPD内使用纤维填充抑制了压力脉动向等温过程转换，因此使得空气更柔软。HPD的左侧和右侧必须在一起保存。[7]重新设计的产品的左视图和右视图如图3所示。

图3　重新设计产品的左视图和右视图

7讨论

上述设计的主要目标是削弱低频噪音，提高用户对重新设计的HPD的使用体验。通过减压段(RPS)设计，我们对HPD可以实现14.1027dB 消音。就设计而言，评估标准，实用性评估，功能评估和设计及过程可定制性都很明显。此外，设计优化或为既定的定制化替代方案，决定设计参数的优化设置，在这个设计中，遵守了产品设计的基本原则，使用了最合适的人体测量数据。我们进行了文献调查，发现了外耳人体测量数据，是95%男性和5%女性，基于此，我们使用Bernoulli方法计算了消音。我们分析的结果显示我们的设计能有效地削减HPD的低频噪音。[8]

正在进行的实验：本研究的结果从人力因素方面来说，为重新设计HPD提供了可靠的基础。在本案例研究中，我们重新设计了现有的HPD，为了能更高效的削弱低频噪音，让工人们有更舒适的使用体验，有必要检验这个新的HPD是否能在实际生活中使用，并且为听觉损耗提供更高效的防护。将会根据弗吉尼亚理工大学的机构审查委员会(VT-IRB)做出书面同意进行人员招募。因此， 我们未来研究可以潜在地进行启发式评估来从听觉显示设计的专家以及人因工程学在设计循环的后期阶段得到新HPD的各方面信息。同时，我们将进行用户研究来衡量有效性，效率和满意度以及整体性能。

参考文献

[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

(责任编辑：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

中图分类号：TH12

文献标识码：A

文章编号：1672-6758(2016)05-0036-3

作者简介：郭丽，硕士，讲师，安徽电子信息职业技术学院。

张健，博士，美国弗吉尼亚理工大学。