Радуга Звуков

Индивидуальная защита слуха: пассивные средства защиты и "антизвук"

Оказывается, термин «шум» происходит от немецкого определения оглушительного грохота и воинственных криков. Дело в том, что в этом языке слово «Larm» является производным от итальянского «all’arme» (дословно – «к оружию!»). Современный же термин «шум» определяется как нежелательный звук, который может провоцировать беспокойство и даже наносить вред здоровью.

Известный бактериолог Роберт Кох еще в 1910 году сказал: «Настанет день, когда человечество будет бороться с шумом так же непримиримо, как с холерой и чумой». Какие мудрые слова! Сегодня шум в виде «слышимого мусора» относится к числу главных факторов загрязнения окружающей среды. В течение десятков лет этот факт вынуждает государства разрабатывать законы и руководства, которые должны заложить правовые основы для достаточной индивидуальной защиты слуха. Например, в ФРГ вместе с профсоюзами было принято постановление  «Правила техники безопасности при шуме». Существуют и соответствующие европейские директивы, которые с 6 марта 2007 года принимаются в качестве национальных законов.

Для защиты от шума на рабочем месте существуют два важных граничных значения или предельно допустимых уровня. Это:
  • Нижний порог предельно допустимого уровня Lex,8h= 80 дБ (А), или  Lpc,peak= 135 дБ (С).
  • Верхний порог предельно допустимого уровня Lex,8h= 85 дБ (А), или  Lpc,peak= 137 дБ (С).
Под уровнем Lex,8h понимают продолжительный уровень шума, действующий в течение 8-часового рабочего дня, измеренный с применением фильтра (А). Наряду с ним применяется уровень Lpc,peak, т.е. пиковый уровень давления, измеренный с применением фильтра (С), что в данном случае означает максимально допустимую величину мгновенного УЗД.


Рисунок 1

Рис. 1. Предупреждающий знак «Использовать средства защиты слуха». Такими знаками четко обозначаются шумовые зоны.
рисунок
Что под этим подразумевается для индивидуальной защиты слуха от шума? В зависимости от того, достигает ли оно нижнего или верхнего предельного уровня или даже превышает его, работодатель должен позаботиться о мероприятиях, которые как можно сильнее снижали бы шумовую нагрузку для сотрудников с учетом технических требований.

Если уровень воздействия превышает значение 80 дБ (А), то возникает шумовая зона, и работодатель обязан предложить средства индивидуальной защиты слуха. Если уровень достигает или превышает 85 дБ (А), то речь идет о шумовой зоне с обязанностью маркировки. Т.е. такие места нужно обязательно обозначать предупреждающими знаками «Использовать средства защиты слуха» (Рис. 1).

Пассивные средства индивидуальной защиты слуха

К пассивным средствам индивидуальной защиты слуха относятся:
  • Вставные средства (в том числе индивидуально изготовленные).
  • Накладные наушники, в том числе укрепленные на шлеме (Рис. 2).
  • Защитные шлемы (Рис. 2).
  • Защитные костюмы.
Требования к пассивным средствам защиты слуха можно найти в европейском стандарте EN 352, состоящем из 4-х частей. У разных производителей вставные антифоны предлагаются в различных вариантах исполнения. Очень эффективны и просты в применении одноразовые антифоны из белого пеноматериала со звукоизоляцией до 30 дБ (SNR). Встречающееся в технических данных обозначение «SNR» означает простое номинальное значение или коэффициент звукоизоляции. Однако нужно помнить о том, что антифоны проявляют свое полное действие лишь тогда, когда они правильно расположены в слуховом проходе. Большинство антифонов из пеноматериала перед применением необходимо сжать в комочек между большим и указательным пальцем или скрутить, чтобы их можно было легко ввести в слуховой проход, где они медленно расправятся и оптимальным образом воспроизведут контур слухового прохода.

Рисунок 2 
Рис. 2. Пассивные средства индивидуальной защиты слуха. Слева направо: накладные наушники, защитный шлем, накладные наушники, укрепленные на шлеме и различные вставные средства.
Разумеется, степень звукоизоляции зависит от частоты. На высоких частотах она особенно высока и может превышать значение в 40 дБ. На низких частотах она ослабевает и может упасть до 20 дБ и менее.

Накладные наушники имеют большие коэффициенты звукоизоляции, прежде всего в области высоких и средних частот. На низких наушники сталкиваются с ограничениями, имеющими чисто физические основы. Здесь не помогают даже специальные амбушюры наушников, наполненные жидкостью. Заметное улучшение звукоизоляции в низкочастотном диапазоне предлагают наушники, снабженные активной электронной звукоизоляцией посредством «антизвука».
 
Принципиальная разница между звукоизоляцией вставных средств и накладных наушников заключается в следующем: даже если звукоизоляция вставных средств и накладных наушников, измеренная с помощью технических средств, имеет одну и ту же величину, звукоизоляция наушников значительно превосходит эффект от использования антифонов. Причина этому явлению – особенности костного звукопроведения. Давно известно, что значительную часть низкочастотного звука мы воспринимаем по костному звукопроведению. Чем больше закрыта поверхность черепа, например, двумя большими амбушюрами наушников, тем меньше звука воздушного проведения достигает черепа. А потому особенно хорошую защиту от приема звука костями черепа обеспечивают именно защитные шлемы  (Рис. 2).

Активная защита с помощью «антизвука»

Метод активной звукоизоляции с помощью генерированного электроникой «антизвука» восходит к идее Пауля Люега, которую он запатентовал еще в начале ХХ века. Однако в то время техника была не настолько развита, чтобы эту идею можно было воплотить в жизнь. 44 года спустя американский изобретатель Моунс Хоули попытался во второй раз запатентовать эту же идею, при этом он ее реализовал – хотя и с помощью электронных ламп, но уже с наушниками (Рис. 3). Настоящий прорыв произошел еще через четверть века. За это время техника так далеко шагнула вперед, что появились действительно крошечные конструктивные элементы (транзисторы, интегрированные схемы) и такие же маленькие, но очень качественные преобразователи звука (электретные микрофоны, электродинамические телефоны). Благодаря этому наконец-то удалось разработать и внедрить в производство электронное средство активной индивидуальной защиты слуха. Но главное то, что удалось добиться очень эффективной защиты в низкочастотном диапазоне, особенно на частотах от 20 до 30 Гц. Интересно, что активная защита слуха с помощью противофазного звука или «антизвука» возможна не только для воздушного, но и для костного звукопроведения, как доказал автор этой статьи еще в 1976 году.
Рисунок 3
Рис. 3. Патентованный метод активной компенсации звука с помощью «антизвука» от 1961 года. Решение, показанное в патенте, использует еще электронные лампы и электромагнитный телефон. Микрофон (10) тоже очень большой и «некрасивый» по сравнению с используемыми сегодня миниатюрными электретными микрофонами.
Физическая основа метода активной защиты слуха с помощью «антизвука» представляет собой эффект интерференции, возникающей при распространении звуковых волн. Протекающие при этом процессы можно весьма наглядно увидеть на гладкой поверхности воды, на которой два источника в двух местах начинают распространять концентрические волны. При наложении обеих волн наблюдаются области, в которых происходит как усиление перекрывающихся волн, так и их ослабление и даже нейтрализация (деструктивная интерференция, Рис. 4). В тех областях, в которых друг на друга налагаются противофазные волны, высота результирующей волны заметно снижается. А при одинаковой амплитуде возникает даже гашение волн. Именно на этом эффекте основывается снижение шума посредством «антизвука», будь то одно-единственное периодическое колебание или широкополосный шум. Итак, если друг на друга налагаются два колебания одинаковой частоты и одинаковой амплитуды, но противоположной фазы, то возникает взаимная нейтрализация (Рис. 5).

Рисунок 4
Рис. 4. Интерференция двух концентрических групп волн с одной и той же длиной волны и амплитудой. Два кружка, зеленый и красный, обозначают положение источников. Круги представляют максимумы сферических волн. В белых местах возникает  конструктивная интерференция в положительном направлении, в черных местах – конструктивная интерференция в отрицательном направлении. В серых местах царит деструктивная интерференция. Кроме того, хорошо видно, что точки минимума лежат на гиперболе, фокусы которой идентичны источникам волн.
Принципиальная конструкция первых практических вариантов акустически открытых и акустически закрытых наушников с активной компенсацией шума приведена на Рис. 6. В обоих вариантах поступающий снаружи уровень звукового давления pn(t):
1) pn(t) = pn х cos ωt
принимается маленьким электретным микрофоном М, усиливается и с той же самой амплитудой, но противоположной фазой как уровень звукового давления pc(t)
2) pc(t) = -p х cos(ωt + Δ)
генерируется телефоном Е перед слуховым проходом, где путем наложения происходит если и не полная нейтрализация, то очень сильное снижение остаточного шума. Даже при очень низких частотах уровень шума можно снизить более чем на 20 дБ. Величина Δ  в уравнении (2) дает остаточную фазовую ошибку, от которой, в конечном счете, и зависит величина достигнутого снижения уровня.

Рисунок 5
Рис. 5. Основной принцип активной защиты слуха с помощью противофазного звука или «антизвука». Наложение двух колебаний одинаковой частоты и одинаковой амплитуды, но противоположной фазы приводит к взаимной нейтрализации (деструктивная интерференция). Рисунок слева: наложение сигнала. Сплошная тонкая линия – шум, пунктирная линия – противофазный сигнал, сплошная жирная линия – результирующий сигнал. Рисунок справа: вверху – шум, внизу – противофазный звук, справа – суммарный сигнал.
Рисунок 7
Рис. 7. Первое применение активного подавления шума в головных гарнитурах пилотов пассажирских самолетов в 1980-е годы. Здесь использовались наушники с акустически открытыми чашечками. Выше микрофонного шарнира хорошо видно отверстие для входа звука компенсационного микрофона.

рисунок
Особенно хорошую степень индивидуальной защиты слуха обеспечивают закрытые амбушюры наушников согласно принципу, представленному на рис. 6b. В области средних и высоких частот при закрытой конструкции достигается максимально высокая пассивная звукоизоляция, в то время как генерируемый электроникой противофазный звук распространяет звукоизоляцию в область низких частот. Взаимодействие активной и пассивной звукоизоляции дает достаточно равномерное подавление шума во всей слышимой области. Высокое суммарное приглушение во всем частотном диапазоне возникает благодаря сочетанию активной системы и без того хорошей пассивной звукоизоляции амбушюрами наушников для высоких и средних частот. Активная система принимает на себя низкочастотный диапазон.

В самом начале применения наушников и головных гарнитур с активным подавлением шума электронная часть пока еще была аналоговой. Первыми использовать головные гарнитуры начали пилоты пассажирских самолетов (Рис. 7). Чтобы активная компенсация шума не влияла на передачу радиосигналов, специально для этой цели было предусмотрено надежное электронное разделение компенсирующего сигнала и речевого радиосигнала.
 
Новейший вариант головной гарнитуры для пилотов с активным подавлением шума показан на Рис. 8. Именно для пилотов очень важно хорошее индивидуальное средство защиты слуха. Радиосообщение с диспетчерской ни в коем случае не должно прерываться шумом в кабине. Раньше пилотам приходилось повышать уровень звука до такой степени, что их рабочее место, по крайней мере на время, приобретало характер шумовой зоны.
Рисунок 8
Рисунок 9
Рис. 8. Головная гарнитура для пилотов НМЕС 350 с активной защитой слуха и равномерным подавлением шума до 40 дБ во всем частотном диапазоне. рисунок Рис. 9. Активная персональная защита слуха в цифровой технике, встроенная в чашечку наушников, с как можно большим пассивным приглушением в области высоких и средних частот. Низкие частоты нейтрализует ANC. RM – контрольный микрофон. ЕМ – микрофон ошибки.

Современные средства активной индивидуальной защиты слуха работают на цифровой электронике. Для этого существуют специальные процессоры ANC (Anti Noise Control) (Рис. 9). Звук, поступающий снаружи, от которого нужно защищать ухо, вначале принимается контрольным микрофоном RM и как электрический сигнал поступает в цифровой сигнальный процессор ANC. Там он оцифровывается, адаптивно анализируется, усиливается, а затем поступает в телефон, работающий как источник противофазного звука. Второй микрофон ошибки – микрофон ЕМ, находящийся внутри амбушюры наушников, воспринимает возникающий там остаточный звук. Электрический сигнал этого микрофона также поступает в процессор, на основе чего сигнал, поступающий в телефон, дополнительно корректируется. Таким образом, достигается оптимальная активная компенсация шума, в том числе компенсация шума величиной до 30-40 дБ, а также в низкочастотном диапазоне.

Заключение

Использование средств индивидуальной защиты слуха необходимо везде, где имеются шумовые зоны. Решающим критерием для обозначения такой зоны становится величина возникающего на особенно шумных рабочих местах или в других сравнимых с ними местах уровня дневного действия шума Lex,8h или уровня пикового давления Lpc,peak. При этом в принципе различают пассивные средства защиты слуха и активные электроакустические системы, действие которых основывается на применении «антизвука». В то время как большинство пассивных средств хорошо помогает против шума в верхнем и среднем частотном диапазоне, основное приглушение активных средств защиты слуха располагается в области низких частот. Сочетание обоих принципов действия в одном устройстве, например, в профессиональных наушниках, дает лучшее средство индивидуальной защиты слуха.
Журнал «Horakustik», № 5, 2013 год


Возврат к списку