气囊耳塞的设计改进及基于人头录音设备的实验模拟

李剑峰　韩一江　蒲思旭　李奕霖

摘   要：现代社会，越来越多的人因各种噪音问题而失眠，长此以往极易引发健康问题。市面上现有耳塞产品不能很好的满足用户的需求。笔者对市场现有产品进行改进分析，申请气囊耳塞专利一项，后在模型样机中进行了进一步改进。本文针对现有气囊耳塞专利进行了设计改进，并使用人头录音设备对功能样机的消噪能力进行了测试，以便与市场现有产品的消噪能力进行对比。

关键词：气囊耳塞  人头录音设备  消噪能力

中图分类号：TN643                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0080-03

车水马龙的现代社会，自电灯发明进入工业时代后，人们逐渐脱离了日出而作，日落而息的规律生物钟，睡眠时间逐渐延后，同时，汽车汽笛声，家用电器电机的工作噪音等也严重影响着睡眠障碍人士的睡眠状况。相关研究表明，噪声对人的情绪与精神状态有着极大的影响，例如朱博[1]借助于 meta 分析噪声工人，发现其紧张 - 焦虑、愤怒 - 敌对、抑郁 - 沮丧和疲惫 - 惰性的测试结果均显著高于对照组，这几种精神状态不仅容易使患者处于亚健康，更会使人放大在安静环境中对噪音的感知（服用部分精神类药物产生的副作用类似于此）。相较于白天处于声源丰富的喧闹环境中的涣散状态，进入夜晚后睡眠障碍人士更容易受到微小且振动规律的声源的刺激，从而无法专心睡眠，进入失眠状态。长此以往会造成不同程度的焦虑情况。

对于这种因噪音干扰所造成的失眠问题，睡眠障碍者一般使用耳塞辅助消噪以进入睡眠。市面上的耳塞主要分为物理消噪（入耳式）耳塞、物理消噪（非入耳式）耳罩和有源降噪耳塞（罩），其中物理消噪（入耳式）耳塞的种类最为多样。笔者曾申请过一项名为《服务于睡眠障碍人士的自滑脱耳塞设计》的实用新型专利（专利号201821997328.5），设计初期在一些方面较为理想化，致使在制作功能样机时未能达到预期功能。经过团队的后续调试，对原专利进行了如下改进。

1  设计改进

1.1 电磁铁复位问题

在设计初期，该专利将一电磁铁置于环形滑轨槽中（如图1），在功能样机里我们使用XDA-P15/5型电磁铁，该电磁铁额定吸力为1kg，实际操作时因蓄电池电源的实际电压低于12V，且电磁铁在通电1min后发生了较严重的发热现象，通电后与外径30mm、内径10mm、厚5mm的不锈钢环相距10mm以上时便难以自行吸附。

若按照原設计方案，在实际使用时，电磁铁（14）在滑轨槽（11）中的位置并不固定，在未加装限位器的情况下，电磁铁在滑轨槽中会随意滑动，每次使用前需手动倒置耳机以完成复位，颇为不便。不仅如此，如果使用者在睡眠时并没有翻身，持续处于侧卧状态（这里以左侧卧为例），那么右耳部分的电磁铁就缺少外力使其与不锈钢环（12）分离，气囊不能保证完全泄气。在参考了OPPO Find X手机的摄像头升降式机械结构后，在新的设计中，为了让电磁铁在对准不锈钢环中的泄气孔后可以定时自动复位，经过测算，结合参考了实际使用时对准所需的理想时间，选用了行程为50mm，导程为6mm的T0606-50mm型28mm步进电机驱动的丝杆导轨滑台。经样机测算，在向前推进时，从开始位置至与不锈钢环吸合，过程耗时仅为2.4s，时间较短，且吸合牢固。在使用前我们分别对延时继电器和滑台的控制器设置了断电时间与复位时间，在延时继电器对电磁铁断电后，滑台也正常复位，达到了预期功能。在作为功能样机进行测试时，碍于材料有限的可采购尺寸，样机体积过大，且滑台所产生的机械噪声明显。在实际投产后，可根据生产需要精简零件，对产品体积进行进一步调整，便于投放市场。

1.2 关于一键控制的实际情况改进

在设计初期的原设计在理想化模型中，预期效果期望达成只需一次定时即可完成整套定时断电流程。在模型样机的实际操作时，因市场在售设备型号所致的材料采购问题，购入的28mm步进电机驱动额定电压为24V，XDA-P15/5型电磁铁额定电压为12V，无法同时通过一个继电器控制，且滑台在断电后不能完成复位操作。遂功能样机采用三段控制设计，首先通过定时继电器为电磁铁的电源定时，再为滑台定时，并驱动滑台与不锈钢环吸合，最后按下气泵电源键为气囊供电。在使用行程结束后，电磁铁断电，滑台复位，晨起后为滑台断电即可。

2  实验模拟

2.1 设备选择与测量方法

对于传统的物理降噪耳塞，声压衰减和佩戴舒适性是最为看重的两个参考指标。对于降噪性能的试验测试，主要有主观测试法与模型测试法。其中王超和邱小军[2]在使用主观测试法时，由受试者本人佩戴降噪耳塞后，对带宽在250～8000Hz的不同声压的环境音进行主观判断，噪声的声压级按照较小的步进增加或减小，参加测试者被要求在噪声增加到恰好能听到时按下一个按钮，在噪声减小到恰好听不到时放开按钮。此方法适用于非入耳式有源消噪耳罩类耳机的降噪值测试，对于入耳式耳塞，尤其是物理降噪耳塞，区别于使用者的实际耳道口径与深度，以及其他诸如听力衰减程度的不同等影响因素，干扰因素较多，数据不稳定。

物理消噪耳塞的消噪流程如下：佩戴消噪耳塞后，噪声在经过耳塞，外耳道后传入鼓膜，引起鼓膜振动，产生听觉反应。相较于有源消噪产品，物理消噪耳塞主要是由耳塞本身的结构与材料组织隔声。人耳的听觉反应是立体的，会根据声音的时间差判断方位，即所谓的哈斯效应。而且，人耳对声音的感知还依赖于皮肤对声波的传导，以及面部骨骼和耳廓对声波的反射和衍射。进行类似的人耳仿真音频采样的方法有（1）将麦克风嵌于人工头的人耳鼓膜位置附近录音。（2）将特制麦克风置于受试者耳道内进行录音。（3）使用HRTF头相关变换函数对音频进行后期处理。实际情况中，方法（2）有一定的侵入性，实际操作中对人体有不可控的伤害，方法（3）非专业人士不易处理。所以在设备的选择方面，应选择外耳廓仿真，且有一定耳道深度的人工头或人工耳设备。市面上较易于采购的此类设备有美国生产的3Dio人头录音设备，本次模拟实验采用性能优于3Dio的，由上海趣声科技有限公司研发生产的Binal One人头录音设备。

实验在一本底噪声处于30～40dB左右的房间内进行，内部尺寸约为6.0m×3.0m×3.0m。Binal One人头录音设备外接Zoom H5型录音笔，通过xlr线与Binal One相连。录音笔开启Stereo File模式，因功能样机只有单侧，故INPUT只开启L通道，左声道增益为4，对左侧仿真人耳进行录音。录制方法如下：待滑台和电磁铁通电后，将滑台的复位定时设置为120s，电磁铁断电时间设置为115s，滑台推动电磁铁吸附不锈钢铁环，按下气泵开关，气囊在仿真人耳内略固定后使用超轻粘土进行进一步固定。在仿真人耳的左耳耳廓附近播放10kHz的标准音源，分别将声源的声压调试至50dB、60dB、70dB、80dB（使用分贝仪辅助调试），并进行10s的录音采样。每个声压级给予5次模拟测试，因样机的电磁铁无法长时间供电，实验需多次反复进行。

对比音频的录制：因为单声道与立体声兼容起来需要用X-Y制式[3]，所以对比音频的录制采用Zoom H5录音笔和与其适配的X-Y麦克风，在80dB标准音频作为环境音的条件下调试麦克风增益与标准音源持平，左声道增益为4，然后分别对50dB、60dB、70dB、80dB的标准音源进行10s录音。最后将所以录音文件导入Adobe Audition CC 2017中，调整波形较低音频的振幅，直至与波形较高的音频基本重叠，该调整值即为降噪值（如图2）。

2.2 实验结果与结论

从以上的测试结果可以看出，耳塞样机在声压70～80dB的环境中测试效果优于50～60dB，平均降噪值为16.6dB。作为对比，市面上常见的物理降噪入耳式耳塞的降噪值如表1。数据显示该试验样机的平均降噪值低于市场现有产品的普遍降噪值。

作为一个开拓创新的功能样机，本产品对市场现有产品进行了改进与创新，填补了相关市场的空白。但在设计方面仍有很多的不足之处，投入到实际生产中时可根据实际情况进行调整，使其降噪功能追平市面上的其他在售产品。在实验方法上，人头录音设备可满足多数无声学实验室及相关配套器材的学校单位的实验需求，模拟精度良好，本实验方法具有一定的借鉴意义與参考价值。

参考文献

[1] 朱博，王新，孙明伟，等. 生产性噪声与工人情感状态关系的 Meta分析[J].中国卫生工程学，2012，11（2）：121-122.

[2] 王超，邱小军.有源消噪耳塞测试方法研究[J].电声技术，2011，35（2）：78-82.

[3] 尹珺.立体声录音技术分析及辅助音乐教学探究[J].北方音乐，2018，38（15）：157.