听力保护罩 技术领域 本发明涉及用于罩住耳朵的装置， 确切说， 涉及包括用于声音优化例如降噪的振 动阻尼器的装置。
背景技术 对于在高噪音或重复噪音环境中的工作人员来说， 听力保护是必不可少的。
如果人在多于一个的区域如在仓库和制造车间中工作， 则可能需要两种不同的听 力保护等级。例如， 在相对高噪音的制造车间， 重的耳罩组件 ( 也称为耳罩 ) 是十分合适 的。在仓库环境中， 很轻的耳罩组件就可胜任。然而， 舒适性受到罩型听力保护装置的尺寸 和重量的影响。通常， 耳罩体积越大， 佩戴者的舒适感越差。当仅向个人提供一套较重的耳 罩时， 在仓库环境或噪音等级不那样高的其它环境中， 他或她可能会放弃佩戴耳罩。 随着时 间推移， 这可能会造成听力损伤或损失。当然， 当向个人提供两套耳罩时， 其中每套定制用 于特定噪音等级， 个人更可能在每种环境下佩戴耳罩。 遗憾的是， 这意味着个人或公司在附
加耳罩方面要花费更多的钱。
为了保持尽可能低的成本， 希望在耳罩制造过程中使用预先加工好的设计， 并且 在可行的情况下， 将具有相同的外壳体或罩壳的耳罩用于所期待的不同声衰减等级。 然而， 在成效划算地定制预先加工好的耳罩设计方面存在着问题。
因此， 虽然有多种不同的护耳装置， 但始终明确需要一种能定制但以相对低的成 本被提供给消费者的护耳装置。特别是， 还是需要一种就预先加工好的耳罩的声衰减性能 而言得到改善的产品。 发明内容
本发明提供一种听力保护罩组件， 其中， 每个罩包括具有内表面和相反的外表面 的壳体件。该壳体件具有内层， 该内层包括紧贴壳体内表面布置的柔性内层和包括柔性衬 里层。该衬里层具有耳侧表面和相反的附接表面。该附接表面贴靠暗藏层布置。加重元件 放置在衬里层和暗藏层之间。
本发明的另一方案是提供一种听力保护罩， 包括具有限定出腔室的内表面和相反 的外表面的壳体件。暗藏层紧贴壳体件内表面布置在该壳体件的腔室内。衬里层具有耳侧 表面和相反的附接表面。附接表面紧贴暗藏层布置在壳体件的腔室内。柔性的加重元件设 置在衬里层和暗藏层之间。
在本发明的另一个方案中， 提供一种改善听力保护罩的声衰减的方法， 其中， 该听 力保护罩包括具有限定出腔室的内表面的罩壳体。 该方法的步骤包括用由吸声材料构成的 内层衬垫腔室和将加重元件附接到内层的耳侧表面上。
与现有技术中的听力保护罩相比， 本发明的罩可具有一个或多个优点。一些示例 性的优点如下所述。
首先， 本发明的罩允许个体改善购自合同制造商或其它来源的现有罩 - 壳体设计的声衰减。通过加入相对薄的和可能是柔性的加重元件以及用吸声材料衬垫罩壳体， 声衰 减得以改善， 但不会牺牲舒适性且无需改变罩壳体结构， 而改变罩壳体结构需要昂贵的机 械再加工。
第二， 加重元件的使用带来这样的优点， 即， 声衰减可被增强， 而罩尤其是罩壳体 的大小 / 尺寸 / 体积得以保持， 甚至减小。根据本发明可实现的更薄的罩壳体不但使材料 成本更低， 而且大大缩短注射成型工艺中的冷却时间。该冷却时间控制生产的时间。通过 缩短冷却时间， 每个罩的加工成本得以降低。 这导致更经济的生产成本和更短的交货时间。
第三， 相同的罩壳体可被用于多种不同耳罩模型， 每种耳罩提供不同等级的声衰 减。罩壳体模型 (SKU) 的数目减少将会进一步降低制造成本。
第四， 通过在吸声材料内安置加重元件， 能够改变罩壳体内的共振， 以改善罩壳体 的声衰减能力。
第五， 耳罩销售商能更容易地将本发明耳罩的品牌与同一合同制造商所生产的其 它耳罩区分开。
其它的优点和特征将部分是显而易见的， 部分在下文中指出。 附图说明 在所有的附图中， 相同的附图标记表示相同的部件。
图 1 是本发明的两个听力保护罩通过头带相连接的侧面透视图 ；
图 2 是图 1 所示的两个罩之一的半分解视图 ；
图 2A 是图 1 所示的两个罩之一的底部正视图 ； 和
图 3 是本发明的罩的另一个实施例的侧剖视图， 其具有尺寸大致相同的暗藏层和 衬里层。
具体实施方式
本发明总体涉及用于罩住耳朵的装置， 具体涉及用于声音优化如降噪的装置。有 利的是， 本发明的罩具有良好的声衰减性能并能由合同制造商来制造， 无需建立用于罩壳 体注射模的新的机械加工工具。
现在， 参见附图尤其是图 1， 其中示出了听力保护罩组件 10， 其由现有技术中已知 的头带 12 将本发明的一对耳罩 20 连接在一起而制成。
如图 2 和图 3 所示， 每个听力保护罩 20 包括外壳体 22， 该外壳体限定出大致呈椭 圆形或圆形的腔室 29， 用于覆盖使用者的外耳 11。外壳体可以是如图所示的穹顶形、 扁平 形 ( 未示出 ) 或者任何其它合适的形状。包括至少一种吸声材料的内层 24 衬垫在腔室 29 里。如下所述， 内层 24 最好是两层 24A 和 24B 的复合材料， 在这两层之间布置有声反射 / 振动阻尼的加重元件 50。密封件 40 用于将壳体 22 贴封到使用者耳朵 11 周围的头部 ( 参 见图 3)。
术语 “罩” 或 “耳罩” 是指适于罩住使用者耳朵的单耳包覆单元。听力保护 “罩组 件” 被定义为一对耳罩。一对耳罩 20 可以被连接到头带 12 或其它现有技术中已知的构 件上。在替代方案中， 每个罩 20 可以如 Leong 等人于 2007 年 4 月 30 日提交的、 申请号为 11/742,492 的专利申请所示出和所描述的那样， 有选择地附接到使用者耳朵上， 上述专利申请的内容以与本发明一致的方式被纳入本文。
当耳罩的固有频率与传入声波的频率一致时， 耳罩 20 与传入声波发生共振或共 振荡。声音振动 “模态” 被定义为声频谱中的共振峰值。在可闻频谱中， 罩通常有多个这样 的振动模态。在低于约 250 赫兹频率下， 罩的密封件 40 通过像共振弹簧那样作动通常能产 生振动模态。仅在较高频率， 大约 1 千赫以上， 可在罩壳体内开始出现多种振动模态。在约 1 千赫以上的每个振动模态中， 罩壳体具有在其整个表面分布的一定数量的振动节点和波 腹。振动 “节点” 被定义为在振荡系统中的众多点、 线或面， 在该振动节点处的振幅最小， 而 “波腹” 恰好相反， 即涉及这样的多个点、 线或面， 在波腹处的振幅最大。在罩中使用阻断声 音振动模态的加重元件 50 改变了罩的共振特性， 从而降低或消除声频谱中的共振峰值。
声衰减罩 20 的外壳体 22、 内层 24 和加重元件 50 有利地联合发挥声衰减作用。确 切说， 外壳体 22 和加重元件 50 均包含将声音反射离开耳朵的声反射材料， 而声衰减罩 20 的内层 24 包含吸声材料， 用于吸收穿透外壳体 22 的声音。加重元件 50 还起到振动阻尼器 的作用。没有被外壳体 22 和加重元件 50 反射的声能可由声衰减罩的内层 24 吸收， 并通过 加重元件 50 被反射或阻尼， 或者被反射和阻尼。
用于制成声衰减罩的声反射材料和吸声材料的声衰减效率能用其吸声系数来表 示。材料的吸声系数的值在 0 和 1 之间， 其中 0 代表无吸声作用和 100 ％声反射， 1 代表 100％吸声作用和无声反射作用。吸声系数可以表示为 ： α ＝ la/li， 其中， la 为吸收的声 2 2 强度 ( 瓦特 / 平方米， W/m )， li 是入射声强度 (W/m )。用于测量材料吸声系数的多种方法 是已知的并且包括例如 ASTM E1050“利用管、 双扩音器和数字频率分析系统测试传声材料 的阻抗和吸收的标准测试方法” 。虽然材料的吸声系数可以随声频而变， 但有利的是， 外壳 体 22 和加重元件 50 的声反射材料能反射或阻尼高频声和低频声， 而内层 24 的吸声材料能 吸收高频声和低频声。
多种声反射材料可被用来制成外壳体。 合适的声反射材料的例子包括例如物质填 充聚合物、 高密度塑料、 金属、 木材及其组合。 合适的塑料的具体例子包括聚碳酸酯、 高密度 聚乙烯、 聚氯乙烯等类似物。金属的具体例子包括铅、 钢、 黄铜、 青铜等类似物。木材的具体 例子包括桦木、 栎木、 落叶松木等等。声衰减罩 20 的外壳体 22 优选包括相对高质量材料。
声衰减罩 20 的外壳体 22 和内层 24 的边缘终止于环绕人耳的周缘部 23。周缘部 23 具有由沿内层 24 的内侧 ( 面向腔室侧 ) 延伸的内周面 30 和沿外壳体 22 的外表面延伸 的外周面 32 限定的宽度。在一个替代实施例中， 外壳体 22 可以环绕周缘部 23 延伸， 覆盖 沿周缘部的内层 24 的一部分或全部。在另一个实施例 ( 未示出 )， 一个单独构件覆盖层 24 的一部分。该单独构件可以被粘接、 紧固或扣合到壳体 22 上。
优选的是， 制成外壳体的声反射材料在约 800 赫兹到约 10000 赫兹的频率范围内 可以反射至少约 60％且更优选的是至少约 80％的声能， 因此在约 800 赫兹到约 10000 赫兹 的频率范围内， 其吸声系数不超过约 0.4， 更优选不超过约 0.2。在一个实施例中， 声衰减罩 20 优选具有至少约 8dB、 更优选为约 17dB 到约 30dB 的总降噪值。
除了声衰减能力外， 在选择用于内层 24 和外壳体 22 的材料组合时还可考虑的其 它因素包括声衰减罩 20 的期望重量和尺寸以及该罩的制造成本。例如， 根据选用于形成外 壳体 22、 加重元件 50 及内层 24 的材料类型， 声衰减罩的厚度可以改变。在一个实施例中， 外壳体 22 通常具有至少约 1 毫米的厚度， 更通常地具有约 1 毫米到约 10 毫米、 最好是约 2毫米到约 5 毫米的厚度。
如上所述， 内层 24 总体由使透过外壳体 22 的声音减小的吸声材料构成， 因此改善 罩 20 的声衰减效果。多种吸声材料可以用在内层 24 上。每种这样的材料足够柔韧， 以使 其可被塞挤入腔室 29 中并用作罩壳体内衬。合适的吸声材料的例子包括例如玻璃纤维、 纤 维状矿棉、 泡沫材料等类似物。 其它合适的吸声材料包括聚烯烃纤维、 聚氨酯泡沫材料等类 似物。优选的是， 内层 24 由柔性泡沫材料制成， 其是开孔型泡沫材料和 / 或半开孔型泡沫 材料。
优选的是， 为了能将加重元件 50( 或多个加重元件 50) 放置在内层 24 内， 内层 24 是在图 2 中用层 24A 和 24B 表示的两层材料的复合材料。一般， 层 24A( 衬里层 ) 限定出听 力保护罩 20 的朝向使用者耳朵的内表面并可能与使用者耳朵接触。层 24B( 暗藏层 ) 靠近 外壳体 22 布置。
层 24A 和层 24B 可以由相同材料制成， 或由不同材料制成。在另一替代方案中， 层 24A 和层 24B 可以由表现出不同物理性质如不同的密度或硬度的类似材料制成。
如图 2 所示， 层 24A 和层 24B 可以具有相同的形状但不同的尺寸。通过将暗藏内 层 24B 制成尺寸小于接触内层 24A， 可以将这些层较容易地压挤入壳体 22 中， 以将两层之 间的任何气隙最小化或消除。然而可以想到， 层 24A 和 24B 可以具有相同的尺寸， 如图 3 所 示。层 24A 和 24B 可以通过布置在两层之间的粘合剂粘固在一起。此外， 层 24A 和 24B 在 它们与壳体 22 内表面 27 接触的情况下可通过粘合剂粘接到壳体上。 内层 24 的总厚度通常为至少约 5 毫米， 更通常为约 5 毫米到约 40 毫米， 优选为约 5 毫米到约 20 毫米。用于形成外壳体 22 和内层 24 的材料最好如此选择， 使声衰减罩 20 的 厚度 ( 例如沿着周缘部 23) 为约 15 毫米到约 30 毫米。
如图所示， 层 24A 和 24B 的形状也可以是相同的。然而， 每层的形状将最终取决于 由壳体 22 限定的腔室形状。在图 2 的实施例中， 沿着每层 24A 和 24B 的外边缘， 可布置有 凹口 123， 从而使这些层能更容易适应壳体 22 的穹顶形状。
在本发明的另一个实施例中， 仅设有一个整体层 24， 并且加重元件布置在该层的 耳侧表面上， 从而使佩戴者能够看到该加重元件。在这种情况下， 加重元件 50 可以带有美 观形状或带有标志或其它标记。
总体来说， 用于内层 24 的吸声材料的选择可以根据用于外壳体 22 和加重元件 50 的吸声材料类型而变化， 但是优选如此选择， 使声衰减罩 ( 即声衰减罩 20 的外壳体 22、 加重 元件 5 和内层 24 的组合 ) 能在约 65 赫兹到约 8000 赫兹频率范围内衰减约 8dB 到约 33dB。 优选的是， 制成内层 24 的吸声材料在约 800 赫兹到约 10000 赫兹频率范围内将会吸收至少 约 60％、 更优选是至少约 80％的声能， 因此在约 800 赫兹到约 10000 赫兹的频率范围内具 有至少约 0.6、 更优选为至少约 0.8 的吸声系数。
加重元件 50 被制成片状件以便装在内层 24 中， 例如在层 24A 和 24B 之间。根据 制造层 24 和加重元件 50 的材料的性质， 加重元件 50 可使用不同类型的胶或粘合剂被粘到 层 24A 和 / 或层 24B 上。这些构件可以用胶带连接在一起。
在一个实施例中， 加重元件 50 通过将金属 ( 例如其可以是重金属或其它金属 ) 和 聚合物如乙烯基树脂的混合物挤出成片状来形成。令人满意的是， 这导致形成柔性加重元 件 50。在本发明的一个实施例中， 物质填充乙烯基树脂可以有 1 毫米到 2.54 毫米厚度， 约
2.5 千克 / 平方米到 5 千克 / 平方米 (0.05lbs/ft2 到 1lbs/ft2) 的基重。合适的物质填充 乙烯基树脂可以购自佐治亚州亚特兰大市的 McMaster-Carr 公司， 型号为 STL20 或 26。然 而应当想到， 可以用金属或金属合金片或盘来代替聚合物 / 金属复合物。另外可以想到， 加 重元件可以通过注射成型、 浇注 ( 铸 )、 冲压或其它任何合适的方法制成。
在本发明的另一个实施例中， 加重元件 50 的密度大于罩壳体 22 的密度。结果， 可 以用相对小体积的加重元件 50 提供有效的共振吸收。密度差可能是如此产生的， 加重元件 50 部分或完全由重型材料例如金属、 锌 ( 密度约为 7.1 克 / 立方米 )、 锌合金、 铁 ( 密度约 为 7.9 克 / 立方米 ) 或铅 ( 密度约为 11.4 克 / 立方米 ) 制成， 而罩壳体 22 的密度约为 2 克 / 立方米或更小。为了在共振吸收方面获得更显著的效果， 加重元件的质量或重量为壳 体质量的至少 5％。
加重元件 50 可以是任何形状， 但对于物质填充乙烯基树脂来说， 矩形是优选的， 因为其能从较大的片材上切下而浪费很少。 但是可以想到， 加重元件可以是圆形、 椭圆形或 任何其它合适的形状。如果形状过于细长， 则其反射在期望频率范围内的声波的效果可能 不好。
听力保护罩具有由罩 20 的周界限定的安置区， 该周界位于罩 25 最接近密封件 40 的边缘 25 处， 参见图 1 和图 2A。优选的是， 加重元件 50 限定出比安置区面积小至少 50％ 的区域， 或者在另一个实施例中， 限定出比安置区面积小至少 75％的区域。 通常， 加重元件 50 的面积小于内层 24 限定的面积。具体如图 2 所示， 加重元件 50 的表面积 51 可小于层 24A 的外表面面积 55， 或小于层 24B 的外表面面积 53。注意到每个 表面积 51、 53 和 55 分别位于单个平面内。
再次参见图 1 和图 2， 可以看到本发明的听力保护罩 20 还包括密封件 40。密封件 40 具有贴靠使用者头部局部放置的表面 42。确切说， 密封件 40 提供在声衰减罩 20 和接触 罩 20 的耳朵周围的头部之间的密封。有利的是， 密封件 40 的存在可以减小在佩戴该罩时 在该罩的边缘和使用者头部之间穿透的声能量。密封件 40 还可以用作衬垫， 从而在使用该 罩时提供贴靠使用者头部局部放置的更柔软舒适的表面。
通常， 密封件 40 靠近声衰减罩 20 的周缘部 23 布置。密封件 40 可使用任何合适 的手段例如粘合剂接合到声衰减罩 20。合适的粘合剂的例子包括有机硅粘合剂、 水凝胶粘 合剂等类似物。
密封件 40 可以包括缓冲材料例如具有乙烯基树脂表层的聚氨酯泡沫材料、 乙 烯 - 乙酸乙烯酯、 硅橡胶、 乙丙橡胶等等。作为替代或者除此之外， 密封件 30 可以包括粘合 剂材料， 例如接触粘合剂如适用于长期皮肤接触的压敏胶、 有机硅胶、 水凝胶粘合剂等等。
在图 1 所示的实施例中， 加重元件 50 如前文所述安置在内层 24 中。在约 1 千赫 以上的较高频率下， 噪声振动正好发生在罩 20 的罩壳体 22 内。通过将加重元件 50 安置在 罩 20 的腔室内， 罩内的共振能在传入声音的某个频率下被改变。
为了确定加重元件 50 在层 24 中的最佳位置， 可以使用以下两种方法之一 ： (1) 试 差法， 或 (2) 发现针对选定的振动模态在罩内出现波腹的位置， 并安置加重元件 50 以与之 重合。
在两种方法中， 在设有和没有加重元件 50 的罩 20 内测量声衰减并进行对比。在 罩 20 内测量声衰减的一种方法在如下所述的隔音环境中进行。首先， 在个人的双耳中或模
拟头部上放置麦克风。在罩 20 附近使用扬声器， 以可听频谱内的第一频率产生噪音。在耳 罩 20 没有罩住麦克风的情况下， 测量在第一频率由麦克风接收到的音量以确定参考值。将 耳罩 20 罩在麦克风上， 使密封件紧密贴靠头部。再次测量在第一频率由麦克风接收到的音 量。在将加重元件 50 放置在内层 24 后， 重复按第一频率的测量。比较在加重元件的不同 布置和加重情况下的结果。
在第二种方法中， 确定罩的波腹并将加重元件布置在内层中以覆盖波腹。配置的 结果能用与上述相同的方式通过形成衰减频谱图表来估算。 可以通过模态分析如在声学领 域中已知的有限元分析或振动分析来进行出现波腹的位置的发现。
罩 20 沿频谱通常具有多个振动模态或共振峰值。在每个这样的振动模态中， 该罩 具有分布在罩壳体上的预定数量的振动节点和波腹。将加重元件 50 布置在罩 20 的波腹的 中心处 ( 在特定振动模态下出现的波腹 ) 不仅阻断当前的振动模态， 还能阻断其波腹与当 前振动模态的波腹重合的其它振动模态。
已经对本发明进行了详细描述， 显而易见的是， 在不脱离后附权利要求书限定的 本发明的范围的情况下， 可以进行多种改进和变化。
在介绍本发明的零部件或其优选特征时， 词语 “一个” 、 “该” 、 “所述” 本是指可能有 一个或多个零部件。术语 “包括” 、 “包含” 以及 “具有” 本是内含性的， 其是指除所列的零部 件外， 还可能有其它的零部件。
综上， 人们将会了解， 实现并获得了本文的多个目的和有利的结果。
由于在不脱离本发明范围的情况下可以对上述产品做出多种变型， 因此， 以上说 明书所包含的和附图所示的所有内容应被理解为是示范性的， 而没有限制意味。