Предварительные результаты испытаний стенда для оценки эффективности средств индивидуальной защиты от шума
научный журнал «Актуальные исследования» #8 (11), апрель '20

Предварительные результаты испытаний стенда для оценки эффективности средств индивидуальной защиты от шума

Рассматривается построение лабораторного стенда для исследования шумозащитных наушников и вкладышей. Стенд включает манекен головы с встроенным микрофоном и заполнением внутренней полости шумопоглощающим материалом, звукоусилительную систему и компьютерную программу анализа разнесённых акустических сигналов на основе программы LabView. Проведены первые измерения, показывающие принципиальную возможность использования стенда в учебном процессе по направлению подготовки «Техносферная безопасность».

Аннотация статьи
акустический сигнал
затухание акустического сигнала
третьоктавный диапазон
микрофонный капсюль
шумозащитные наушники
Ключевые слова

Среди проблем техногенного происхождения не последнее место занимает акустошумовое загрязнение среды обитания. Например, по разным оценкам среднее ежегодное повышение уровня шума на открытых пространствах достигает 0,5 дБ. Существенна доля акустических шумов среди разнообразных воздействующих факторов в производственной среде. И защита от шума является одной из важных задач безопасности человека в техносфере.

Средства защиты от шума разнообразны и могут быть как общими, так и индивидуальными. К последним в первую очередь относятся шумозащитные наушники и вкладыши (т.н. беруши) [1].

Основные требования к средствам индивидуальной защиты устанавливает ГОСТ 12.4.212-99 [2]. Считается, что целом эффективность применяемых в настоящее время средств индивидуальной защиты примерно соответствует разработанным требованиям [1].

Для оценки уровня шумового воздействия на человеческое ухо применяют разные методики, в том числе измерения с помощью миниатюрного микрофона, размещаемого в ушном канале. Метод не всегда безопасен и требует определённой квалификации, включая медицинскую, персонала, производящего измерения. Другой метод [3] подразумевает применение манекена головы человека, оборудованного имитаторами органов слуха и микрофонами.

Проблема оценки уровней шумового воздействия и эффективности защиты от шума важна ещё и с точки зрения подготовки специалистов в области техносферной безопасности. Изучение особенностей источников шума и индивидуальных средств защиты является обязательным в процессе подготовки специалистов по охране труда. Проблеме оценки эффективности таких средств и посвящена данная статья.

Стенды для оценки эффективности шумозащитных наушников известны. Например, в [4] описано устройство GRAS 45CA, предназначенное для проверки работоспособности устройств защиты слуха, таких как беруши и наушники. Устройство имеет высокие показатели точности, может использоваться при прицизионных измерениях, однако стоимость такого оборудования достаточно высока (более 1 млн рублей), что не позволяет широко использовать такое устройство в учебном процессе.

Достаточно простым является измерительный стенд для испытания наушников, имеющий устройство, выполненное в виде имитатора средней части головы взрослого человека, персональный компьютер с программным обеспечением для фиксации результатов испытаний и их записи, источник тестового сигнала, и источник звука всенаправленного действия [5]. Для контроля сигнала используются микрофоны конденсаторного типа с плоской частотной характеристикой в диапазоне частот 30 ‒ 10 000 Гц. Испытательный сигнал представляет собой розовый шум, измерения проводятся в третьоктавных полосах частот в диапазоне 63-8000 Гц. Устройство имеет высокие метрологические характеристики, однако и в этом случае стоимость (150 т. рублей) ограничивает широкое использование этого стенда в учебном процессе большинства вузов.

Рис. 1. Манекен головы

В Муромском институте был разработан стенд для оценки средств индивидуальной защиты (шумозащитные наушники и вкладыши-беруши). В качестве макета головы использован стандартный манекен, в который встроен измерительный микрофон. Внутренний объём заполнен шумопоглощающим материалом. Вид манекена представлен на рис.1.

Основу стенда составляет манекен головы 1, внутри которого на внутренней поверхности установлен держатель 2 микрофона 3. Микрофон 3 установлен таким образом, чтобы осевая линия микрофона совпадала с осевой линией слухового прохода 4 уха 5, а их рабочая поверхность (зона расположения чувствительного элемента – мембраны) полностью перекрывала сечение отверстие в держателе 2, исключая проникновение звуковой волны в зону за микрофоном. Внутренний объём 6 манекена 1 заполняется звукопоглощающим материалом.

Соединение микрофона 3 с измерителем уровня звукового давления осуществляется с помощью кабеля 7, выходящего во внешнюю среду через отверстие 8 в основании манекена.

Второй микрофон, обеспечивающий одновременный контроль уровня звукового давления в пространстве расположения манекена, размещается в специальном держателе около манекена. Оба микрофона присоединяются с помощью выносных АЦП к персональному компьютеру. Обработка осуществляется посредством программы анализа разнесённых акустических шумов [6], также разработанной в Муромском институте.

Программа одновременного анализа спектров 2-х звуковых сигналов использует графический язык программирования G среды LabView. Измеренная реализация звукового сигнала в виде 40000 16-ти разрядных двоичных чисел обрабатывается с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). В результате получается дискретный спектр звукового сигнала в диапазоне от 0 до 20 КГц с шагом 1 Гц. По завершению каждого потока (цикла) измерений вычисляется соответствующий усреднённый за заданное время анализа спектр звукового сигнала. Отдельно вычисляется средний разностный спектр.

Сформированные массивы сохраняются в файлах в виде электронных таблиц с расширением xls. Значения сохраняются в режиме октавных или третьоктавных диапазонов с фиксацией относительно среднегеометрической частоты.

В качестве микрофонов используются капсюли общего применения типов MDN-318, wm61 и т.п., широко применяемые в компьютерной аудиотехнике. Разумеется, качество таких микрофонов не может соответствовать уровню прецизионной техники. Даже простой подбор пары капсюлей с одинаковыми характеристиками – вопрос сложный. Для отбора соответствующих по характеристикам капсюлей было проанализировано более 30 экземпляров, в результате была выбрана пара, различия в АЧХ которых при анализе в октавных диапазонах на уровне +3 ÷ -0,5 дБ. Однако в третьоктавных диапазона это различие доходит до +6,5 ÷ -6 дБ [7].

Следует признать, что такой разброс является явным недостатком системы.

Макет стенда показан на рис.2. При проведении измерений использовался усилитель мощности «Ода-102» с акустическими системами 15АС-213 (диапазон воспроизводимых частот - 63...20000 Гц), источник сигнала – «белый шум», моделируемый специальной программой в LabView. Для общего контроля АЧХ исходного шума использовался шумомер АССИСТЕНТ. Контрольный микрофон и микрофон шумомера закреплялись в держателе микрофонной стойки.

Рис. 2. Макет измерительного стенда

Результаты измерений представлены на графике (рис. 3). Показана разность уровней звукового давления, контролируемых внутри манекена, при отсутствии и наличии наушников (в данном cлучае - 3M Peltor Optime, декларируемый уровень ослабления сигнала – 31 дБ, высокая эффективность ослабления даже самых низкочастотных шумов).

Рис. 3. Оценка уровня ослабления шума наушниками 3M Peltor Optime

Выводы

  • Проведённое исследование показывает практическую возможность применения разработанного стенда для оценки качества индивидуальных средств защиты от шума в учебном процессе;
  • Полученный результат показывает, что в целом использованный тип наушников действительно обеспечивает достаточно высокий уровень ослабления шума. На частоте 3150 Гц ослабление составляет 29,5 дБ. Некоторый «провал» в зоне максимальной чувствительности человеческого уха -до 8 дБ - наблюдается на частоте 1000 Гц. На низких частотах (25-40 и 60-80 Гц) также имеет место ослабление сигнала. Однако на частотах 50 Гц и 100-315 Гц имеет место усиление сигнала (на частотах 50 и 160 Гц – до 11,8 дБ).
  • Для выяснения причин таких колебаний необходима дальнейшая работа по совершенствованию стенда. Возможно, речь может идти о резонансных явлениях в корпусе самого манекена.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-38-00909-мол-а.

Текст статьи
  1. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом. – М.: Логос, 2010. -424 с.
  2. ГОСТ Р 12.4.212-99 ССБТ. Средства индивидуальной защиты органа слуха. Противошумы. Оценка результирующего значения А-корректированных уровней звукового давления при использовании средств индивидуальной защиты от шума. –М.: Госстандарт России, 2000. -11 с.
  3. ГОСТ Р ИСО 11904-2-2017. Акустика. Определение излучения близко расположенных к уху источников звука. Часть 2. Метод с использованием манекена. –М.: Стандартинформ, 2019. – 17 с.
  4. Instruction Manual. GRAS 45CA Headphone/Hearing-protector Test Fixture. –Режим доступа: https://www.gras.dk/files/734-man_45CA-1%20to%2045CA-12.pdf. (Дата обращения 29.04.2020).
  5. Тюрин А.П., Шаклеин А.А. Разработка измерительного стенда по исследованию средств индивидуальной защиты слуха // Защита от повышенного шума и вибрации: Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 18-20 марта 2015 г., СПб / Под ред. Н.И. Иванова. –СПб.: 2015. –С.442-448.
  6. TersinV.V., Bulkin V,V., Khromulina T.D. System for receiving and processing diversity acoustic noise control data / ITM Web of Conferences / 29th International Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2019), Sevastopol, Russia, September 8-14, 2019 / 04005 (2019) Published online: 27 November 2019 DOI: https://doi.org/10.1051/itmconf/20193004005.
  7. Селемон Д.С., Соколова О.М., Хромулина Т.Д., Булкин В.В. Оценка возможности построения анализатора спектров разнесённых акустических сигналов с использованием типовых электретных микрофонных капсюлей / Методы и устройства передачи и обработки информации. 2019, №21. –С.43-49.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 16 сентября по 30 сентября
Осталось 6 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
БЕСПЛАТНО
Размещение электронной версии
05 октября
Загрузка в elibrary
05 октября
Рассылка печатных экземпляров
09 октября