工程声学/听力保护

简介

人耳不断地暴露在噪音中。在某些情况下，这种噪音的强度可能是令人恼火的，例如在地铁、火车或飞机上。人们可能想要戴上耳机，并将音乐音量调高以克服令人抓狂的涡轮喷气发动机噪音或城市的喧嚣。在飞机的客舱中，巡航状态下的噪音强度约为 85 分贝，而在起飞和降落时达到 100 分贝以上。使用降噪耳机是减少暴露在高噪音水平下的一个解决方案。

噪声控制机制

降噪耳机有两种类型。一种使用被动元件，另一种使用主动元件。

被动噪声控制

被动噪声控制元件不需要任何能量来源。降噪来自听力装置的材料和形状。仅使用被动元件来阻挡声音的耳机示例包括建筑工地上工人佩戴的耳罩和耳塞。这种类型的耳机可以将噪音降低约 15 到 25 分贝。

听力保护装置充当声障。声障对高频噪音更有效。大波长噪音或低频声音更容易绕过装置弯曲，而高频声音将被衍射。耳机阻挡外部噪音的程度，一个重要因素是所形成的密封程度。对于同一对耳机或耳塞，衰减可能非常好或很差，具体取决于它们在使用者身上的佩戴方式。

该装置的相速由体积速度描述，

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

其中 ${\mathcal {B}}$ 和 ${\mathcal {S}}$ 是固体的体积模量和剪切模量。 $\rho _{0}$ 是它的密度。固体中的反射系数可以描述为 $\mathbf {R} ={\frac {{\frac {r_{n}-r_{1}}{\cos {\theta _{i}}}}+jx_{n}}{{\frac {r_{n}+r_{1}}{\cos {\theta _{i}}}}+jx_{n}}}$

其中 $r$ 和 $n$ 分别表示声阻抗和声抗。声阻抗为

$r=\rho c$

下标 $n$ 和 $1$ 分别表示法线方向和第一介质的属性。通过反射系数，可以找到衰减程度和透射程度。功率透射系数为

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

主动降噪

让降噪耳机如此引人入胜的是使用主动元件来消除不需要的噪声。需要注意的是，典型的主动降噪耳机也会有一个被动元件，作为抵御不需要的高频声波的第一道屏障。在噪声屏障之后，麦克风、电路和扬声器的组合被放置到位，以消除一些通过被动元件的噪声。消除不需要的噪声的步骤相当简单。首先，麦克风检测来自外部的噪声。然后电路读取来自麦克风的信号，并产生一个与外部噪声具有相同频率和振幅的噪声信号，但相位与外部声源相差 180°。该信号被发送到扬声器，扬声器会发出所需的声音。然后发生的事情是，外部声波被扬声器产生的声波抵消或破坏。困难的部分在于系统的实现。噪声消除设备效率的限制因素是系统的反应时间。 "与所需的 180 度相移相差 25 度，可以将噪声降低 20 分贝。反应较慢的耳机提供的抵消效果较差。" 马克·菲舍蒂声称。主动降噪在低频下有效。对于更高频率的噪声，系统所需的响应时间太小，以至于设备无法破坏传入的声波。这种系统是可行的，但需要复杂的电子设备，难以在相对较小的设备中实现。

在他们对不同品牌降噪耳机的研究中，L. Y. L Lang 等人表明，主动降噪在 "静止噪声环境中比在高度瞬态的环境中更可靠。" 在高度瞬态声音的环境中，例如在机场或飞机起飞时在机舱内，主动降噪系统有时会变得无效，甚至会增加声压级。他们发现，某款耳机在约 600 Hz 的频率下将声压级提高了 20.4 dB。在瞬态噪声环境中，耳机在声压衰减程度方面可能会出现波动，尤其是在 100 Hz 到 1000 Hz 的范围内。降噪耳机的效率可以通过找到插入损耗来计算。插入损耗通过找到佩戴耳机和激活并佩戴主动降噪设备时耳朵内的声压级差来衡量。

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

在这个等式中，$IL_{T}$ 是总插入损耗，$L_{0}$ 是没有耳机时的声压级，而 $L_{C-ON}$ 代表耳朵被覆盖且主动元件打开时的声压级。主动降噪耳机在低于 230 Hz 的频率下具有最高的插入损耗。这是通勤时使用耳机的完美解决方案。在飞机机舱或公交车机舱中，声压级在约 110 Hz 处达到最大值。通过在这些频率下实现最大衰减，可以保护耳朵免受不同交通方式中可能存在的危险噪声级。

除了消除低频噪声外，降噪耳机还可以提高语音清晰度。通过衰减低频声波，可以隔离位于 500 Hz 到 1500 Hz 之间的频率，从而使语音更加清晰。在他们 2001 年的报告中，Mongeau、Bernhard 和 Feist 得出结论，降噪耳机可以成为在嘈杂的收费站提高通信的解决方案，因为汽车和卡车的噪音会导致对话困难。报告指出，良好的通信系统可以将语音清晰度指数 (SII) 提高到 0.75。在收费站的正常情况下，使用常规或提高的音量时，SII 可能低至 0，而使用大声说话时，SII 为 0.06。在完美的情况下，SII 等于 1。尽管降噪设备提高了语音清晰度，但主要问题是人们对这一想法的接受程度。在为客户提供服务时戴着耳罩耳机不会给人留下好印象，因为人们往往认为服务员在关注其他事情。

由于它是一个主动系统，必须向系统添加能量，因此耳机需要能量源，例如典型的电池。

耳机类型

耳机有三种不同的设计。首先，提供最少降噪效果的是耳罩式耳机。这种类型的耳机只是放在耳朵上。虽然它在阻挡噪音方面效率不高，但它提供了更自然的声音。它更开放到外部环境的事实使耳机听起来更像扬声器。

下一种是耳罩式耳机。这种类型的耳机完全包裹住用户的耳朵，将他们完全隔离。它们提供了良好的声音衰减，因为它们可以阻挡来自各个方向的声音。另一方面，它们通常更重，并且不那么舒适。由于耳罩式耳机的尺寸，可以添加一个主动元件来进一步降低外部噪音。这将在下一节中讨论。

最后，最后一种是入耳式耳机。它们直接戴在耳朵里。入耳式耳机有两种款式。耳塞戴在耳朵的开口处，而耳道式耳机戴在耳道里。这种类型提供了最佳的被动降噪，因为它们可以有效地创造密封并阻挡外部噪音。它们还提供高质量的声音。

结论

降噪耳机就是一个很好的例子，说明了如何将理论科学应用于解决日常生活中的问题。由于扬声器产生的声波与外部声波具有相同的振幅和频率，但相位差为，因此这两个声波相互抵消，结果是更安静的通勤，对耳朵和心灵更安全。