比翱观察丨ÉTS 栾煜：揭开双重护听器效果的神秘面纱！

双重护听器（DHPs：Double Hearing Protectors）-耳塞与耳罩相结合-可用于在极其嘈杂的环境中保护工人。然而，它们的隔音性能很难评估，并且DHP产生的声音衰减通常小于每个保护器单独使用的衰减总和。相关的声音传输机制仍未完全了解。这使得很难选择合适的DHP设备来在工作场所提供适当的听力保护。为了更好地预测DHP性能，本文结合对人类参与者和专用人工头的测量和模拟来分析声能如何通过DHP传播。 
介绍听力保护器（耳塞和耳罩）有时是保护工人免受职业性听力损失的唯一实用屏障。特别是对于暴露在极端噪音中的工作人员，例如航空公司机组人员和军事人员，必须进一步提高保护水平，并建议使用双重听力保护器（DHP）—— 耳塞与耳罩相结合。然而，研究发现DHP整体声音衰减并不相等，而是低于单独佩戴每个设备所实现的衰减总和。这种效应，称为DHP效应，机理目前还不是很清楚。因此，很难选择合适的设备在DHP中使用，并确保工人得到正确保护。过去的研究将DHP效应归因于头部肌肉和骨骼向内耳传导的声音。最近的一项研究表明，这种效应的特点是佩戴耳罩时耳塞衰减降低，这表明涉及外耳道。在声学测试装置（ATF：Acoustic Test Fixture）上也观察到了DHP效应，这是一种模拟人类外耳声学和振动特征的人工头。ATF在极端噪声条件下的测量中特别有用，在这种情况下，出于道德原因对人类参与者进行测试是不可行的。观察到的DHP效应被怀疑是由通过ATF所涉及的结构传输的声音引起的。不幸的是，这种效应背后的物理机制仍未完全了解。在本文中，我们继续进行研究，并结合对人类参与者和专用ATF的测量和模拟，试图找出声能如何通过DHP传播。
图1. (a) 通过DHP/头部系统的可能的声音传输路径；(b) 测试DHP对人类参与者的影响（由ÉTS研究伦理委员会批准的项目H20201103）。 声音传输路径通过DHP/头部系统的可能声音传输路径如图1（a）所示。当通过空气传播的声音更重要时，路径被称为空气传播（AB：Air-Borne），当声音主要通过机械振动形式的结构传导时，路径被称为结构传播（SB：Structure-Borne）。预计以下路径会影响耳道中的声压：(i)“直接”AB路径穿过耳罩、耳罩下方的气腔和耳塞；(ii)由耳罩头带（SB1）的振动引起的通过头部的SB路径；(iii) SB路径源自外部源激励磁头（SB2）；(iv) 地板振动引起的SB路径（SB3）；(v)由耳罩振动引起并通过耳罩舒适垫（SB4）传递到头部的SB路径。通过在耳道内外添加带有微型麦克风的耳罩后测量耳塞衰减的减少，在人类参与者身上验证了DHP效果。在最重要的通信频率范围内可以很好地观察到这种效果（参见图2中500 Hz以上的蓝色实线和虚线之间的差异）。
图2. DHP效应的特征是人类参与者（蓝色菱形）和ATF（红色）的耳塞衰减降低。 人工头的实验与数值分析首先，将DHP放置在商用ATF上（见图3（a）-（c））。DHP效应显然与之前在类似条件下对人类参与者测量的数量级相似（见图2中的红色曲线）。因此，ATF用于更彻底的研究相关机制。然后通过修改设置条件进行测量以验证结构传播路径SB1-SB3的影响（见图3（d）-（f））。结果表明，相应的测试结果与原始配置几乎相同，这表明DHP效应更可能与结构传播路径SB4相关。其次，通过合理地忽略耳罩头带、ATF三脚架和撞击ATF外部边界（即SB1-SB3）的声能，进行了数值模拟，以更直接的方式说明声能在系统中的传播。为了便于数值分析，使用了具有简化几何结构的内部ATF（见图3（g））。模拟结果（为简洁起见未在此处显示）证实了SB4的重要性— — 在大多数频率下，声能从耳罩传输，通过耳罩垫/ATF组件并通过耳塞或耳道进入耳道侧壁（见图3（h））。在这种情况下，耳罩不再是听力保护装置，而可以看作是噪音的发生器，这是造成DHP隔音性能下降的主要原因。图3. 研究的听力保护器：(a) 硅胶耳塞，(b) EAR-MODEL-1000耳罩；(c) 测试DHP对商用ATF的影响；用于测试结构传播路径影响的配置 (d) SB1、(e)SB2和(f) SB3；(g) 内部ATF上DHP的数值模型；(h) 发现结构传播路径SB4是造成DHP效应的原因。 本文中的结果可以为听力保护器制造商提供实现更好听力保护的线索，即通过耳罩舒适垫控制振动传输。最终，这项工作还将有助于改进ATF的设计，以便更好地预测DHP声衰减，从而正确保护工作场所暴露于危险噪音水平的工人。 如需更多信息，请参阅以下出版物：

Luan, Y., Doutres, O., Nélisse, H., Sgard,F. (2021).Experimental study of earplug noise reduction of a double hearing protector on an acoustic test fixture.Applied Acoustics, 176: 107856. 

Luan, Y. (2021). Experimental and numerical study on the contribution of acoustic test fixtures to hearing protector sound attenuation: Sound transmission paths in the case of a double hearing protector and influence of eardrum acoustic impedance. (Ph.D. thesis under evaluation,ÉTS).

Luan, Y., Sgard, F., Nélisse, H., Doutres,O. (2021). A finite element model to predict the double hearing protector effect on an in-house acoustic test fixture. Article soumis pour publication auJournal of the Acoustical Society of America (2ème révision en cours).

原文来源

左1：徐慧洋博士；左2：栾煜博士；

ÉTS I-CAR实验室，2019年8月，蒙特利尔。

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