基于主成分分析的护听器优选方法研究

巩泉泉，谢连科，窦丹丹，赵佳美，朱亦丹

(1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003；2.北京市劳动保护科学研究所，北京100054)

0 引 言

随着改革开放的深入，国民经济快速发展，抽水蓄能电站的建设也进入了快速发展期。由于抽水蓄能电站具有高水头、大容量、机组高转速、水流双向运转、工况变换频繁等特点，其振动辐射的噪声相当明显，对在厂区内作业的人员造成极大的影响。长期工作在高噪声的环境中，如果不采取有效的防护措施，极有可能导致永久性的听力损失，甚至严重的职业性耳聋[1]。目前很多国家都已把职业性耳聋列为重要的职业病之一[2]。因此在抽水蓄能电站高噪声区域工作的人员，需要进行听力保护，以避免产生听力损失。本文通过对市面上112种护听器进行插入损失测试，利用主成分分析方法，结合某抽水蓄能电站10种工作场所现场噪声情况，确定所测试的护听器更适用的工作场所。

1 抽水蓄能电站作业场所的特点及分析

为了充分了解抽水蓄能电站的噪声情况，从而为其选择最佳的噪声防护设备，分别对某抽水蓄能点站现场的噪声环境进行了测量。主要测量作业场所内的噪声照射值，测试时间为2018年3月21日～3月23日，测试期间在各机组运行时状态下，通风等设施正常运行。经测试得到发电工况下各机组运行结果，如表1所示。

通过表1可知，等效声级超过85 dB(A)的现场作业场所为发电机层1#发电机内、水轮机层1#水车室外、水轮机层1#水车室内、水轮机层2#水车室内、水轮机层3#水车室内、蜗壳层2#尾水锥管室外、蜗壳层2#尾水锥管室内、蜗壳层3#尾水锥管室外、蜗壳层3#尾水锥管室内和主变洞3#主变室10种检测地点。对发电工况下这10种作业场所进行频谱测量和分析，结果如图1所示。

表1 发电工况下1#、2#、3#机组运行工作场所噪声检测结果Table 1 Noise detection results at the operation workplaces of 1#, 2#, 3# units in the power generation working condition

2 护听器的选择

2.1 护听器的初步筛选

随机选取市面上的112种护听器，参考GB/T 7584.3-2011《声学护听器第3部分：使用专用声学测试装置测量耳罩式护听器的插入损失》和GB/T 7584.2-1999《声学护听器第2部分：戴护听器时有效A计权声压级估算》[3-4]，对这些护听器进行插入损失测试。

使用B&K头和躯干模拟器4128C进行测试。利用粉红噪声作为噪声源，分别测试没有护听器封闭和有护听器封闭两种情况下的声压级，两次测量结果的差值即是护听器的插入损失：

其中：Ll,Aeq为佩戴护听器后对应检测场所的等效连续A声级；Lp,i为实际测试各检测场所各频段声级；Le,i为各类型护听器的插入损失各频段声级，i为频段数。

测试步骤：

(1) 采用PLUSE声学软件7 758测量人工头没有安放护听器封闭时传声器处的声压级；

(2) 按照顺序将护听器安放在人工头耳道内，保证护听器位于传声器端面的中心处(如图2所示)；

(3) 安放约30 s后，采用PLUSE声学软件再次测量人工头护听器封闭时的声压级；

(4) 同一护听器重复三次进行步骤(1)～(3)，采用三次的平均值进行插入损失计算。

将各频段的插入损失加权可得到其A计权声压级。根据GB/T 23466-2009《护听器的选择指南》[5]中推荐：作业人员受护听器保护作用后，A计权声压级的有效值介于75～80 dB(A)时，表明该护听器保护水平较好；而低于70 dB(A)表明护听器过度保护，高于80 dB(A)则为保护不足。由式(1)计算获得各检测场所内各护听器降噪后有效的A计权声压级介于75～80 dB(A)间的护听器品牌共有24种，如表2所示。

图1 10种作业场所噪声的1/3倍频程频谱Fig.1 One-third octave spectrum of noises at 10 kinds of workplaces

图2 护听器插入前后测试的对比图Fig.2 Comparison of tests before and after hearing protector insertion

2.2 主成分分析

主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)是利用降维的思想，在力保数据信息损失最小的原则下，把多个指标转化为少数几个综合指标的一种对多变量数据进行最佳综合简化的多元统计方法[6]。本文为了分析这24种护听器降噪的性能，通过主成分分析方法，将互不相关的各频谱作为变量共同度(即提取的主成分对每个变量的解释程度)，对于护听器不同频段的降噪效果进行分析，确定各类护听器对各频段噪声的降噪效果。本研究通过SPSS软件对筛选出里的24种类型护听器的各中心频段插入损失值进行主成分分析。得到各频率下变量共同度及各成分的方差贡献率分别如表3、表4所示。

根据表3可知：各频段下提取的主成分系数均大于0.5，表明提取的主成分对每个变量的解释程度都较高。根据表4可得：在本次计算分析中提取了两个主成分，第一个主成分的特征根为6.990，方差贡献率为69.899%，第二个主成分的特征根为1.349，方差贡献率为13.492%，两个主成分的累积方差贡献率达到83.391%，进一步说明提取两个主成分是比较合适的。各主成分因子载荷矩阵(其绝对值大小代表主成分与原始变量的相关程度)如表5所示。

表2 对应不同场所降噪效果较好的护听器品牌Table 2 The 24 kinds of hearing protectors with good noise reduction effect

由表5可以看出，第一主成分与63～8 000 Hz的原始变量相关系数接近于1，说明所测试的护听器中，降噪范围处于63～8 000 Hz的护听器较多。同理，第二主成分中频段为31.5 Hz及16 000 Hz的护听器较多。

表3 主成分分析中各个中心频率的变量共同度Table 3 The variable commonality of each frequency in principal component analysis

表4 各成分的方差贡献率Table 4 Variance contribution rate of each component

表5 主成分因子载荷矩阵Table 5 Principal component matrix

同时可以根据每个主成分的特征根做权数，对每个主成分进行加权加总，用公式表示为

其中：f1、f2分别为两个主成分函数，µ1、µ2分别为两个主成分的特征根，根据式(2)可以确定24种类型护听器的主成分得分排序及综合得分排序，如表6所示。

从表6中可以看出，在对本次研究的各品牌护听器对比中，星工品牌的护听器在63～8 000 Hz的频带范围内比较具有代表性，pluggerz-sleep品牌的护听器在31.5 Hz或16 000 Hz下比较具有代表性。

表6 24种护听器的主成分得分排序及综合得分排序Table 6 The ranking of principal components score and comprehensive score of 24 kinds of hearing protectors

结合以上主成分分析，可以得出在本次测试的112种护听器中，大部分护听器对于所研究的10种场所中，更适用的场所为：1#发电机隔声罩内、1#水车室外、1#水车室内、2#尾水锥管室外、2#尾水锥管检修门、3#尾水锥管室外和3#尾水锥管检修门这7个场所。

3 结 论

根据本文测试分析可知，该抽水蓄能电站各现场作业的环境不同，噪声强度也不同。所测试的34个场所内有10个场所噪声过高，不利于工人作业，影响作业人员身心健康，有必要对此状况进行有效防护。通过对112种护听器插入损失测试，选出了24种类型降噪效果较优的护听器，并对这24种护听器进行了主成分分析，找出最具成分代表性的护听器，以此判断所测试的112种护听器大部分适用的作业场所为： 1#发电机隔声罩内、1#水车室外、1#水车室内、2#尾水锥管室外、2#尾水锥管检修门、3#尾水锥管室外和3#尾水锥管检修门这7个场所。另外3个场所可能由于现场噪声特性不同等原因，需要有针对性选择适合的护听器。该方法也为其他作业场所护听器类型的选择提供借鉴。