工程聲學/聽力保護

簡介

人耳不斷地暴露在噪音中。在某些情況下，這種噪音的強度可能是令人惱火的，例如在地鐵、火車或飛機上。人們可能想要戴上耳機，並將音樂音量調高以克服令人抓狂的渦輪噴氣發動機噪音或城市的喧囂。在飛機的客艙中，巡航狀態下的噪音強度約為 85 分貝，而在起飛和降落時達到 100 分貝以上。使用降噪耳機是減少暴露在高噪音水平下的一個解決方案。

噪聲控制機制

降噪耳機有兩種型別。一種使用被動元件，另一種使用主動元件。

被動噪聲控制

被動噪聲控制元件不需要任何能量來源。降噪來自聽力裝置的材料和形狀。僅使用被動元件來阻擋聲音的耳機示例包括建築工地上工人佩戴的耳罩和耳塞。這種型別的耳機可以將噪音降低約 15 到 25 分貝。

聽力保護裝置充當聲障。聲障對高頻噪音更有效。大波長噪音或低頻聲音更容易繞過裝置彎曲，而高頻聲音將被衍射。耳機阻擋外部噪音的程度，一個重要因素是所形成的密封程度。對於同一對耳機或耳塞，衰減可能非常好或很差，具體取決於它們在使用者身上的佩戴方式。

該裝置的相速由體積速度描述，

$c^{2}={\frac {({\mathcal {B}}+{\frac {4}{3}}{\mathcal {S}})}{\rho _{0}}}$

其中 ${\mathcal {B}}$ 和 ${\mathcal {S}}$ 是固體的體積模量和剪下模量。 $\rho _{0}$ 是它的密度。固體中的反射係數可以描述為 $\mathbf {R} ={\frac {{\frac {r_{n}-r_{1}}{\cos {\theta _{i}}}}+jx_{n}}{{\frac {r_{n}+r_{1}}{\cos {\theta _{i}}}}+jx_{n}}}$

其中 $r$ 和 $n$ 分別表示聲阻抗和聲抗。聲阻抗為

$r=\rho c$

下標 $n$ 和 $1$ 分別表示法線方向和第一介質的屬性。透過反射係數，可以找到衰減程度和透射程度。功率透射係數為

$T_{\pi }(\theta )={\frac {1}{1+[(\omega \rho _{s}/2r_{1})\cos {\theta }]^{2}}}$

主動降噪

讓降噪耳機如此引人入勝的是使用主動元件來消除不需要的噪聲。需要注意的是，典型的主動降噪耳機也會有一個被動元件，作為抵禦不需要的高頻聲波的第一道屏障。在噪聲屏障之後，麥克風、電路和揚聲器的組合被放置到位，以消除一些透過被動元件的噪聲。消除不需要的噪聲的步驟相當簡單。首先，麥克風檢測來自外部的噪聲。然後電路讀取來自麥克風的訊號，併產生一個與外部噪聲具有相同頻率和振幅的噪聲訊號，但相位與外部聲源相差 180°。該訊號被髮送到揚聲器，揚聲器會發出所需的聲音。然後發生的事情是，外部聲波被揚聲器產生的聲波抵消或破壞。困難的部分在於系統的實現。噪聲消除裝置效率的限制因素是系統的反應時間。 "與所需的 180 度相移相差 25 度，可以將噪聲降低 20 分貝。反應較慢的耳機提供的抵消效果較差。" 馬克·菲舍蒂聲稱。主動降噪在低頻下有效。對於更高頻率的噪聲，系統所需的響應時間太小，以至於裝置無法破壞傳入的聲波。這種系統是可行的，但需要複雜的電子裝置，難以在相對較小的裝置中實現。

在他們對不同品牌降噪耳機的研究中，L. Y. L Lang 等人表明，主動降噪在 "靜止噪聲環境中比在高度瞬態的環境中更可靠。" 在高度瞬態聲音的環境中，例如在機場或飛機起飛時在機艙內，主動降噪系統有時會變得無效，甚至會增加聲壓級。他們發現，某款耳機在約 600 Hz 的頻率下將聲壓級提高了 20.4 dB。在瞬態噪聲環境中，耳機在聲壓衰減程度方面可能會出現波動，尤其是在 100 Hz 到 1000 Hz 的範圍內。降噪耳機的效率可以透過找到插入損耗來計算。插入損耗透過找到佩戴耳機和啟用並佩戴主動降噪裝置時耳朵內的聲壓級差來衡量。

${\textstyle IL_{T}=L_{0}-L_{C-ON}}$

在這個等式中，$IL_{T}$ 是總插入損耗，$L_{0}$ 是沒有耳機時的聲壓級，而 $L_{C-ON}$ 代表耳朵被覆蓋且主動元件開啟時的聲壓級。主動降噪耳機在低於 230 Hz 的頻率下具有最高的插入損耗。這是通勤時使用耳機的完美解決方案。在飛機機艙或公交車機艙中，聲壓級在約 110 Hz 處達到最大值。透過在這些頻率下實現最大衰減，可以保護耳朵免受不同交通方式中可能存在的危險噪聲級。

除了消除低頻噪聲外，降噪耳機還可以提高語音清晰度。透過衰減低頻聲波，可以隔離位於 500 Hz 到 1500 Hz 之間的頻率，從而使語音更加清晰。在他們 2001 年的報告中，Mongeau、Bernhard 和 Feist 得出結論，降噪耳機可以成為在嘈雜的收費站提高通訊的解決方案，因為汽車和卡車的噪音會導致對話困難。報告指出，良好的通訊系統可以將語音清晰度指數 (SII) 提高到 0.75。在收費站的正常情況下，使用常規或提高的音量時，SII 可能低至 0，而使用大聲說話時，SII 為 0.06。在完美的情況下，SII 等於 1。儘管降噪裝置提高了語音清晰度，但主要問題是人們對這一想法的接受程度。在為客戶提供服務時戴著耳罩耳機不會給人留下好印象，因為人們往往認為服務員在關注其他事情。

由於它是一個主動系統，必須向系統新增能量，因此耳機需要能量源，例如典型的電池。

耳機型別

耳機有三種不同的設計。首先，提供最少降噪效果的是耳罩式耳機。這種型別的耳機只是放在耳朵上。雖然它在阻擋噪音方面效率不高，但它提供了更自然的聲音。它更開放到外部環境的事實使耳機聽起來更像揚聲器。

下一種是耳罩式耳機。這種型別的耳機完全包裹住使用者的耳朵，將他們完全隔離。它們提供了良好的聲音衰減，因為它們可以阻擋來自各個方向的聲音。另一方面，它們通常更重，並且不那麼舒適。由於耳罩式耳機的尺寸，可以新增一個主動元件來進一步降低外部噪音。這將在下一節中討論。

最後，最後一種是入耳式耳機。它們直接戴在耳朵裡。入耳式耳機有兩種款式。耳塞戴在耳朵的開口處，而耳道式耳機戴在耳道里。這種型別提供了最佳的被動降噪，因為它們可以有效地創造密封並阻擋外部噪音。它們還提供高質量的聲音。

結論

降噪耳機就是一個很好的例子，說明了如何將理論科學應用於解決日常生活中的問題。由於揚聲器產生的聲波與外部聲波具有相同的振幅和頻率，但相位差為，因此這兩個聲波相互抵消，結果是更安靜的通勤，對耳朵和心靈更安全。