Examen
sarbete
FÖRBÄTTRING AV PASSIVDÄMPANDE
HÖRSELSKYDD
IMPROVEMENT OF PASSIVE EARMUFFS
Examensarbete inom huvudområdet Integrerad Produktutveckling
Grundnivå, G2E 30 Högskolepoäng Vårtermin 2017
Magnus Öhnström Victor Göhlin
Huvudhandledare: Erik Brolin
Försäkran om eget arbete
Denna uppsats har 14/6–2017 lämnats in av Magnus Öhnström och Victor Göhlin till Högskolan i Skövde som uppsats för erhållande av betyg på̊̊ grundnivå, G2E inom huvudområdet Integrerad Produktutveckling.
Vi intygar att vi för allt material i denna uppsats som inte är vårt eget arbete har redovisat källan och att vi inte - för erhållande av poäng - har innefattat något material som vi redan tidigare har fått tillgodoräknat inom våra akademiska studier.
Sammanfattning
Magnus Öhnström och Victor Göhlin studenter på Designingenjörsprogrammet vid Högskolan i Skövde har i samverkan med Hellberg Saftey AB studerat förbättringsåtgärder för passivdämpande hörselskydd. Med mål att skapa en grundkåpa som kan anpassas för olika dämpningsgrader. För att uppnå detta har det gjorts en förstudie med en omfattande konkurrentanalys. Uppdraget har inneburit att testa och utvärdera kåpkonstruktion med kåpskal, volymring, tätningsring och absorbent. Från detta dras slutsatser med hjälp av en Akustisk Test Fixtur (ATF) i Hellbergs ljudlabb. Olika förbättringar kombineras till koncept som slutligen skickats till Tyskland för verifikation. Utifrån de erhållna resultaten sker en viss vidareutveckling av volymringen.
Abstract
Magnus Öhnström & Victor Göhlin are two design engineer students from the University of Skövde. To obtain their bachelor in engineering they have
completed a study for Hellberg Safety to improve the sound dampening effect in their passive earmuffs. The goal is a standard shell that can be optimized for different grades of sound dampening. In order to obtain knowledge a pilot study was performed. This included an analysis of one of the major competitor’s products. In order to reach the goal, the shell, absorber and cushion had to be examined. Modifications made were evaluated with an Acoustic Test Fixture (ATF) located in Hellbergs sound lab. Different modifications were combined, evaluated and sent to Germany for further evaluation. From the given results parts of the shell were further developed.
Tack till
Fredrik Lindgren, Hellberg AB Göran Hellberg, Hellberg AB Joakim Ohlander, Hellberg AB Maria Wiland, Hellberg AB Erik Brolin, Högskolan i Skövde Material ConneXion i Skövde Bullerbekämparen i Stenkullen
Innehållsförteckning
INLEDNING 1
HELLBERGS SAFETY AB 1
FUNKTIONSBESKRIVNING AV PASSIVDÄMPAD HÖRSELKÅPA 1
UPPDRAGSBESKRIVNING OCH MÅL 2
TECHNOLOGY PUSH AND MARKET PULL 3
AVGRÄNSNINGAR 4
PROJEKTUPPLÄGG 4
TEORI 6
LJUDTEORI 6
LJUD- REFLEKTION, ABSORPTION OCH TRANSMISSION 8
AKUSTISK DIFFUSOR 9
ÖRAT OCH DESS UPPBYGGNAD 9
HÖRSELSKADOR OCH BULLER 10
PROBLEM SOM UPPSTÅR I SAMBAND MED HÖRSELSKADOR 12
KOSTNADER FÖR SAMHÄLLET 12
LJUDMÄTNINGSUTRUSTNING 12
LJUDLABB 14
FILTER OCH OKTAVBAND 15
KLASSIFICERING & UTVÄRDERING AV HÖRSELSKYDD 16
STANDARDER OCH ARBETSMILJÖLAGAR 16
FÖRSTUDIE 18
FUNKTIONSSCHEMA 18
STUDIEBESÖK 19
MATERIAL CONNEXION 19
SEMCON 19 BULLERBEKÄMPAREN 19 KONKURRENTANALYS 20 KONKURRENTENS PLASTRING 21 MATERIAL 23 KÅPA 23 ABSORBENT 23 KONSTRUKTION 24 KÅPSKAL 25 VOLYMRING 25 TÄTNINGSRING 26
TÄTNING MELLAN KÅPSKAL, VOLYMRING OCH TÄTNINGSRING 26
KRAVSPECIFIKATION 27
GENOMFÖRANDE 29
SET BASED DESIGN 29
FUNKTIONSTRÄD 29
REFERENSKÅPOR 31
FÖRSÖKSPLANERING 33
ABSORBENT 34
RESULTAT FRÅN TESTER 39 ABSORBENT 39 TÄTNINGSRING 41 KÅPSKAL 42 VOLYMRING 47 KOMBINATIONSTESTER 51
KONCEPTKÅPOR OCH VIDAREUTVECKLING AV VOLYMRING 55
SUBJEKTIVA TESTER AV KONCEPTKÅPOR 55
VIDAREUTVECKLING AV VOLYMRING 56 TEMAKOLLAGE 56 BRAINSTORMING 57 KONCEPTVAL FÖR VOLYMRING 58 DISKUSSION 59 AVSTÄMNING MOT MÅL 59
PROCESS, METODIK OCH RESULTAT 59
TESTER OCH MÖJLIGA FELKÄLLOR 62
VALIDERING AV RESULTAT 64
FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE 64
LÄRDOMAR FRÅN PROJEKTET 65
REFERENSER 66
BILDREFERENSER 69
BILAGOR 66
BILAGA 1 SPECIFIKATIONSJÄMFÖRELSE MOT KONKURRENT 66
BILAGA 2PNI-UTVÄRDERING MOT KONKURRENT 67
BILAGA 3ATF-MÄTNING UTÖKAD KONKURRENTANALYS 68
BILAGA 4STICKPROV HELLBERG SECURE 69
BILAGA 5ATF-JÄMFÖRELSE MELLAN HELLBERG SECURE OCH KONKURRENTENS PRODUKTER 70
BILAGA 6 ABSORBENTTEST 71
BILAGA 7 ABSORBENTTEST 72
BILAGA 8 ABSORBENTTEST 73
BILAGA 9 RESULTAT FRÅN UTVÄRDERING AV KONCEPTKÅPOR 74 BILAGA 10 SKISSER KONCEPTGENERERING FÖRBÄTTRAD VOLYMRING 75 BILAGA 11 SKISSER KONCEPTGENERERING FÖRBÄTTRAD VOLYMRING 76
Inledning
Den här rapporten beskriver examensarbetet förbättring av passivdämpande hörselkåpor i ämnet Integrerad produktutveckling vid Högskolan i Skövde. Med en passiv hörselkåpa menas avsaknaden av mikrofoner, elektronik och
högtalare.
Hellbergs Safety AB
Hellberg Safety AB (i fortsättningen benämnt Hellberg) är sedan 1962 en
leverantör av skyddsutrustning såsom ansiktsskydd, hjälmar och hörselkåpor för personlig säkerhet. Huvudkontoret ligger i Stenkullen, Lerums kommun där produktion, lager, utveckling, ekonomi- och marknadsavdelning samlas under samma tak. Hellberg arbetar på den globala marknaden och har
försäljningskontor, lager och produktion i Sverige och Kina. Hellbergs vision är att bli världens mest attraktiva leverantör av aktiva och passiva hörselskydd samt lösningar för ansiktsskydd.
Funktionsbeskrivning av passivdämpad hörselkåpa
För att enklare förstå rapporten och begrepp som används följer en
funktionsbeskrivning. Hörselskydden som visas i figur 1 är Hellberg Secure 3H. H står för Headband (Hjässbygel). Konstruktion och delar kan skilja sig mellan olika tillverkare men en passivdämpande hörselkåpa från Hellberg består av:
1. Hjässbygel, har till uppgift att hålla kåporna på plats över huvudet samt tillföra ett tillslutande tryck över öronen. Justerbar för att passa olika skallstorlekar.
2. Fäste till kåpan, varierar i konstruktion beroende på tillverkare.
3. Kåpskal, dämpar ljud samt innehåller dämpningsmaterial. 4. Volymring, visar dämpningsgrad
samt avgör mängden dämpningsmaterial som kan användas.
5. Dämpningsmaterial, även kallat absorbent, ofta tillverkad av någon form av skumplast. 6. Tätningsring, ska på ett behagligt
sätt sluta tätt kring örat.
Uppdragsbeskrivning och mål
Examensarbetet startade med en introduktion på företaget för att bekanta sig med produkterna och förstå problembilden. I samverkan med handledare på Hellberg skapades mål och delmål för projektet. Det primära målet är en
grundkåpa i smidig storlek med bra passform som kan anpassas för att dämpa i de olika nivåerna, se figur 2. Idag finns passivdämpande hörselkåpor i olika storlekar beroende på dämpningsgrad. Dessa är låg-, mellan- och högdämpande. För att uppnå målet krävs undersökningar av konstruktionen som består av tätningsring, volymring, kåpskal samt absorbent.
Ett delmål som eftersöktes från Hellberg var att öka modulariteten. Modularitet i tillverkningsindustrin innebär standardiserade och utbytbara komponenter som skapar olika produktvarianter (Ulrich, 1994). Det tillåter samma komponenter att användas i olika produktprogram. En standardiserad komponent tillåter större produktionsvolymer, effektivare och mer ekonomisk produktion (Ulrich, 1994). Den ekonomiska vinningen ligger i lägre materialkostnad och lägre
kostnad för verktygsframtagning (Ulrich, 1994). Bland Hellbergs produkter finns idag en viss modularitet bland absorbenter, volymring, tätningsring och
hjässbygel. Om en grundkåpa skapas som utnyttjar existerande komponenter eller utökar användandet av dessa blir produktionen smartare. Med
moduluppbyggda produkter ges utöver produktionsekonomiska skäl även en viss miljövinst genom att färre artiklar behöver produceras, transporteras och lagerhållas. Färre verktyg behöver också tillverkas och underhållas.
Om hörselskydden kan göras mindre och med bättre dämpningsgrad finns enligt Hellberg ett försäljningsargument eftersom kåporna blir smidigare att använda om de blir mer kompakta.
Hellbergs totala försäljning av passivdämpande hörselskydd är fördelat 45 % på lågdämpande och 45 % på mellandämpande hörselskydd. Högdämpande
passivahörselskydd står för cirka 10 % av försäljningen.
Ett sekundärt mål sattes upp i projektet ifall det första målet skulle visa sig ogenomförbart. Det sekundära målet är en kåpa som kan täcka behovet för 90 % av försäljningen, det vill säga samma kåpa för låg- och mellandämpande
hörselskydd, se figur 2.
Lågfrekvent buller är svårt att dämpa på grund av vågornas höga energiinnehåll, de maskerar tal och gör kommunikation svår (Johansson, 2002). I detta
frekvensområde dämpar Hellbergs produkter sämre än i övriga frekvenser. Att öka dämpningen i det lågfrekventa området är ett önskemål från Hellberg samtidigt som frekvenserna i talområdet inte överdämpas. Det skapar enligt handledare på Hellberg en behagligare och bättre produkt när hörselskydden kan användas utan att försvåra kommunikation till den grad som dagens produkter gör, vilket ökar bärtiden eftersom användaren inte måste ta av sig hörselskydden för att kommunicera.
Technology push and market pull Produktinnovationer baseras på teknikinnovationer och marknadsbehov (Cross, 2008). Genom marknadsundersökningar går det att få information om vad marknaden behöver och ny teknik kan skapa nya behov. Med hjälp av ett Technology push and market pull- diagram går det att utläsa var arbetet placeras (Cross, 2008).
Genom att identifiera vilken teknik som används och vilken
marknad som produkten riktar sig mot går det följa axlarna. Examensarbetet handlar om att utvärdera befintlig teknik i form av konstruktionslösningar och materialval som är applicerbara på ett hörselskydd. Genom att använda befintlig teknik på en nuvarande marknad landar projektet i en produktförnyelse, inringat med rött i diagrammet, se figur 3.
Figur 3: Ett Push & Pull-diagram som visar produktens placering under arbetet (Cross, 2008).
Avgränsningar
I examensarbetet finns en rad avgränsningar som tagits fram i samverkan med handledare på Hellberg. Hellberg önskar att lösningar som undersöks skall vara tillverkningsbara med dagens teknik. Hänsyn måste tas till
formsprutningsverktyg och tillverkningskostnad inklusive montering. Det kan medföra vissa begränsningar i undersökningen av olika komponenter. Vissa teoretiskt bra lösningar kan försvinna av denna anledning. Det kan påverka resultatet negativt eftersom eventuella lösningar inte blir undersökta.
Arbetet kommer inte innefatta hjässbygel, den del som håller kåporna på plats över huvudet, eller anslutningar till hjässbygel. Denna avgränsning görs av praktiska och tidsmässiga skäl. Detta kommer inte påverka resultatet eftersom byglarna som används uppfyller de krav om tryck som finns.
Arbetet kommer inte heller inkludera nyutveckling av tätningsring, men däremot utvärdering av existerande tätningsringar för ökad dämpning. Detta görs på grund av att volymringens passform och täthet måste vara konstant vilket inte kan efterliknas godtyckligt för hand. Tätningsringen måste produceras med maskin för att konstruktionen skall kunna testas på ett tillförlitligt sett med korrekta resultat. Att vidareutveckla tätningsringen och byta konstruktion eller material på tätningsringen skulle innebära ett stort antal felkällor som skulle vara svåra att dra slutsatser ifrån. Att utföra detta skulle inte vara möjligt inom tidsramen för projektet enligt handledare på Hellberg.
Projektupplägg
Under projektet har Ulrich och Eppingers (2012) femstegsmetod följts, se figur 4. Metoden bygger på att generera koncept med systematisk utforskning från en given problembild till en utvärdering av framställda konceptlösningar (Ulrich & Eppinger, 2012).
Metodens första fas består av att klargöra problemet för att skapa en generell förståelse. Det görs genom att dela upp huvudproblemet i mindre delproblem som är lättare att utvärdera (Ulrich & Eppinger, 2012). Under denna fas är det lämpligt att klargöra målbilden och sätta en initial kravspecifikation på
produkten som skall utvecklas (Ulrich & Eppinger, 2012). Denna fas började med att arbeta fram en målbild för projektet med Hellberg och sätta en initial
kravspecifikation. I detta skede utfördes också en problemanalys där
hörselkåpans huvudfunktion delades upp med ett funktionsschema för att visa huvudkomponenternas delfunktioner och förhållande till varandra.
1. Förstå problembilden 2. Extern kunskap 3. Intern kunskap 4. Systematisk utforskning 5. Reflektera kring lösningsförslag och process
Den andra fasen i femstegsmetoden består av faktainsamling genom extern informationssökning. Fakta utgör grunden till lösningar för huvud- och
delproblemen. Faktainsamling kan ske genom användarstudier, intervjuer med experter inom området, patentsökningar, litteraturstudier och
konkurrentanalyser (Ulrich & Eppinger, 2012). För att samla extern kunskap utfördes studiebesök, intervjuer med experter, litteraturstudier och
konkurrentanalys. Den externa kunskapen användes för att bygga upp teoretiska grunder som kan testas fysiskt i en set based design-process för att ta fram kunskap som kan användas vid konceptgenerering.
Den tredje fasen i femstegsmetoden består att ta tillvara på den kunskap som existerar internt inom ett företag eller en grupp i ett projekt (Ulrich & Eppinger, 2012). Den interna kunskapen används bland annat för att generera kreativa lösningsförslag utefter tidigare erfarenheter (Ulrich & Eppinger, 2012). Under denna fas har Hellberg bidragit med information över brister i konstruktionen som påverkar hörselskyddets prestanda samt tidigare lösningar. Kunskapen inom Hellberg har även använts för att skapa en konsekvent testprocess för lösningsförslag i arbetet. Fas två och fas tre sker parallellt under arbetets gång. Under den fjärde fasen sammanställs resultaten från den externa och interna kunskapsinsamlingen för att skapa lösningsförslag till huvudproblemet och delproblemen (Ulrich & Eppinger, 2012). Här kan ett funktionsträd användas för att sammanställa lösningsrymden till de identifierade delproblemen.
Kombinationsmatriser kan även skapas för att ta fram koncept från de olika dellösningarna som genererats (Ulrich & Eppinger, 2012). Under denna fas skapades ett funktionsträd från de nedbrutna delproblemen där teoretiska lösningsförslag från de externa och interna undersökningarna samlades. Utefter dessa teoretiska lösningsförslag utfördes konstruktionstester enligt set based design för att generera funktionella koncept. Efter tester samanställdes de konstruktionslösningar som gett positiva resultat och kombinerades till koncept med en kombinationsmatris.
I femte och sista fasen i femstegsmetoden utvärderas processen och lösningarna som tagits fram (Ulrich & Eppinger, 2012). I denna fas skickades konceptkåpor till ett testlabb där standardiserade subjektiva tester utfördes för att testa konceptens prestanda.
Teori
Detta kapitel innehåller bakgrunden för studien. Kapitlet innefattar ljudteori, hörsel och hörselskador, ljudmätningsutrustning och klassificering av
passivdämpande hörselskydd.
Ljudteori
Ljud är energi och består av tryckvågor som färdas i elastiska medium. Elastiska medium är ämnen med massa där atomer har kontakt med varandra. Detta krävs för att en ljudvåg ska kunna fortplantas i ämnet (Johansson, 2002). Elastiska medium kan delas in i tre kategorier, gaser, vätskor och fasta material
(Johansson, 2002; Andersson, 1998). Exempel på elastiska medier är luft som är en gas, vatten som är en vätska och stål som är ett fast material (Andersson, 1998). I vakuum kan ljud inte transporteras. Ljudvågor uppstår när mekaniska svängningar övergår till ett elastiskt medium, exempelvis luft (Johansson, 2002; Andersson, 1998). Den mekaniska svängningen gör att det bildas över- och undertryck i förhållande till det normala trycktillståndet i mediet. Ljudtrycket mäts i Pascal (Pa) vilket motsvarar kraften i Newton fördelat över en yta
(Johansson, 2002; Andersson, 1998). Vid en lufttemperatur på 20 grader Celsius och normalt lufttryck på en bar färdas ljudet i cirka 340 m/s, i andra medier som stål och vatten färdas ljudet i 5200 m/s respektive 1450 m/s vid samma
temperatur (Johansson, 2002).
Figur 5: Visualisering av en ljudvåg (Johansson, 2002).
Ljudnivå är det allmänna begreppet på ljudets styrka. Det avgör hur högt ljudet uppfattas “volymmässigt” (Andersson, 1998). Ljudnivå mäts i decibel (dB). Decibel är en tiondels Bel och kan inte härledas till de grundläggande SI enheterna (Johansson, 2002; Andersson, 1998). Decibel används på
dimensionslösa värden som ett resultat av ett logaritmiskt förhållande mellan ett referensvärde och ett mätvärde (Johansson, 2002; Andersson, 1998).
Ljudtrycksnivån anger ljudnivån i förhållande till ljudtrycket i ett elastiskt medium (Johansson, 2002). Ljudtrycksnivån i decibel mäts som en logaritmisk funktion mellan ljudtryckets effektivvärde i Pascal och referensljudtrycket som är givet till 20 μPa. Referensljudtrycket på 20 μPa är det lägsta ljudtrycket som det mänskliga örat kan uppfatta och motsvarar en ljudnivå på 0 dB (Johansson, 2002; Andersson, 1998). Vid 20 Pa ligger smärttröskeln som motsvarar 120 dB och ljudtrycksnivån upplevs då som mycket smärtsamt (Johansson, 2002; Andersson, 1998). Dock kommer det redan vid en lägre ljudtrycksnivå runt 75– 80 dB upplevas som obehagligt (Bridger, 2008). Ljudtrycksnivån beräknas enligt formeln nedan.
𝐿𝑝 = 20 lg
𝑝 𝑝0
Lp är ljudtrycksnivån i decibel, p är det aktuella ljudtrycket i Pascal och 𝑝0 är
referensljudtrycket på 20 μPa (Johansson, 2002).
Ljudeffektnivån anger den akustiska effekten en ljudkälla avger till ett
omgivande elastiskt medium (Johansson, 2002). Ljudeffektnivån i decibel mäts som en logaritmisk funktion mellan ljudeffektens tidsmedelvärde i watt [W] och den standardiserade referensljudeffekten som är given till 1 pW (10−12 W)
(Johansson, 2002; Andersson, 1998). Via ekvationen för ljudeffektsnivå framgår att en fördubbling i akustisk effekt ger en ökning på 3 dB (Johansson, 2002).
𝐿𝑊 = 10 𝑙𝑔 𝑊 𝑊0
Lw är ljudeffektnivån i dB, W är ljudeffektens tidsmedelvärde i Watt och W0 är
referensljudeffekten i Watt (Johansson, 2002).
Ljudintensitetsnivån anger ljudnivån som den akustiska effekten en ljudkälla ger till ett omgivande medium i förhållande till enhetsytan som ljudet strömmar genom (Johansson, 2002; Andersson, 1998). Ljudintensitetsnivån beräknas på samma sätt som ljudeffektnivån men effekten i watt byts ut till effekten i watt fördelat över en yta (𝑊⁄𝑚2) (Johansson, 2002).
Amplitud är höjden på svängningen, ju högre ljudtrycket är desto högre blir svängningen och ljudnivån blir starkare (Konradsson, 2011), se figur 5. Frekvens beskriver antalet vågrörelser per tidsenhet (sekund) och anges i enheten Hertz (Hz), se figur 5. En frisk individ med perfekt hörsel kan uppfatta frekvenser mellan 20 och 20 000 Hz. Detta motsvarar ljudvågor med längder från 17 m ner till cirka 17 mm. Inom detta frekvensområde ligger det mänskliga talområdet mellan cirka 500–4000 Hz. En normal samtalsnivå ligger mellan 60– 65 dB (Johansson, 2002).
Ljud- reflektion, absorption och transmission
Ljudvågor kan reflekteras, absorberas och transmitteras. Om en ljudvåg träffar en yta kommer en del av ljudenergin reflekteras bort ifrån ytan (Johansson, 2002). En del ljud kommer absorberas genom att övergå till friktionsvärme och en viss del av ljudenergin kommer transmitteras och färdas vidare i materialet (Johansson, 2002).
För att beräkna hur mycket ljud som ett material absorberar finns det en ljudabsorptionsfaktor. Ljudsabsorptionsfaktorn anger hur många procent av ljudet som materialet absorberar och faktorn varierar beroende på frekvensen materialet utsätts för (Johansson, 2002). Ljudabsorptionsfaktorn beror på materialegenskaperna och materialets tjocklek. Ett material kan ha en absorptionsfaktor på 12 % vid 125 Hz och en faktor på 80 % vid 1000 Hz (Johansson, 2002). Resterande del som inte absorberas kommer reflekteras om materialet är solitt eller passera igenom om materialet är poröst. Genom att känna till ljudabsorptionsfaktorn hos materialet är det enklare att välja rätt material och volym för önskade egenskaper (Johansson, 2002; Andersson, 1998). Solida material med hård och styv yta har generellt en låg ljudabsorptionsfaktor. Stora delar av ljudenergin kommer reflekteras när det träffar materialets yta (Johansson, 2002). Solida material kan sättas i svängning av den infallande ljudenergin vilket gör att ljudenergin som inte reflekteras eller absorberas via friktion på ytan kommer transmitteras, vilket gör att ljud kommer alstras på materialets andra sida (Johansson, 2002; Andersson, 1998).
Porösa och mjuka material har generellt en hög ljudabsorptionsfaktor med dålig förmåga att reflektera ljudenergi (Johansson, 2002). Dessa material sätts inte i svängning på samma sätt som solida material, ljudenergin sprids därför inte vidare i materialet. Densitet och tjocklek på materialet avgör hur mycket ljudenergi som kan absorberas (Johansson, 2002; Andersson, 1998).
Vid isolering av ljud mellan två rum är skiljeväggens reduktionsfaktor viktig för minskad spridning av luftljud mellan rummen (Johansson, 2002).
Reduktionsfaktor beror på väggens egenskaper, om reduktionsfaktorn blir högre ökar dämpningseffekten mellan rummen. De egenskaper som påverkar
reduktionsfaktorn är väggens tjocklek, massa och styvhet. Om dessa ökar blir reduktionsfaktorn högre (Johansson, 2002).
Vid ljudreflektion på plana ytor reflekteras ljudet med samma utfallsvinkel som infallsvinkel (Persson, 2007). Om ljudreflektion sker på ett sådant sätt att ljudvågen bryts och reflekteras i fas mot infallande ljudvågor skapas en förstärkningseffekt. Detta kallas för stående vågor (Andersson, 1998). Formen på ytan påverkar egenskaperna för ljudet. Med vinklar och
höjdskillnader kan ljud diffuseras (Akustik Miljö, u.d.). Det betyder att ljudet sprids över en större yta vilket sänker ljudintensiteten. När ljudet sprids kan vågor krocka och försvagas. Detta utnyttjas med akustiska diffusorer (Akustik Miljö, u.d.).
Akustisk diffusor
En akustisk diffusor är en ljudreflekterande lösning som används för att splittra ljudvågor till mindre ljudvågor med lägre energi (Acoustic Panels Review, u.d.). Med en diffusor försvinner ingen ljudenergi vid reflektion av ljud mot diffusorns yta, den totala ljudenergin är den samma som infallande men fördelat över en större yta vilket minskar ljudintensiteten (Acoustic Panels Review, u.d.). Energiförluster hos den totala ljudenergin uppstår när reflekterade ljudvågor interfererar och tar ut varandra (Akustik Miljö, u.d.)
En diffusor kan se ut på många olika sätt. En lösning kallas för rutnätsdiffusor och består av öppna väggar med rutmönster som splittrar och delar upp den inkommande ljudenergin. Denna typ av diffusor är effektivast i höga frekvenser (Primacoustic, u.d.). En annan utformning är olika geometriska former med olika höjd och vinklar som ljudet träffar. Det gör att ljudet bryts, splittras och
reflekteras åt olika håll vilket försvagar ljudintensiteten (Acoustic Panels Review, u.d.; Akustik Miljö, u.d.).
Örat och dess uppbyggnad
Hörseln är ett av människans fem sinnen (Konradsson, 2012). Hörseln ansvarar för vår ljuduppfattning, som ligger till grund för vår kommunikationsförmåga. Figur 6 visar örat och dess delar som består av; ytter-, mellan- och inneröra (Konradsson, 2012).
Ytterörat består av öronmusslan och hörselgången. Öronmusslan är det vi i dagligt tal benämner ”örat” och består av ett brosk som har till uppgift att samla in ljud som leds vidare via hörselgången (Konradsson, 2012).
Mellanörat kallas den sektion som kommer efter ytterörat. Där finns
trumhinnan, trumhålan, samt kroppens minsta tre ben; hammaren, städet och stigbygeln (Konradsson, 2012). När ljud leds in via hörselgången sätts
trumhinnan i rörelse. Utrymmen bakom trumhinnan kallas trumhålan, denna är fylld med luft och är kopplat till svalget för tryckutjämning. De tre benen;
hammaren, städet och stigbygeln överför svängningarna från trumhinnan till innerörat (Konradsson, 2012).
Innerörat innehåller balansnerv, hörselnerv, snäcka och örontrumpet. I snäckan finns tusentals små hårceller som sätts i rörelse av trycket som vidareförts av hörselbenen. Hårcellernas rörelse omvandlas till nervimpulser som hjärnan tolkar som ljud (Konradsson, 2012).
Hörselskador och buller
Hörselskada är ett samlingsnamn för någon form av hörselnedsättning
(Johansson, 2002). Det kan vara tinnitus (öronsus), medfödd hörselnedsättning, ljudöverkänslighet eller bullerskador. Förmågan att höra avtar naturligt med åldern men påskyndas av daglig bullerexponering (Andersson, 1998).
Buller är ett begrepp på oönskat ljud som kan upplevas som störande
(Johansson, 2002). För att ljud ska vara skadligt för hörseln är ljudtrycksnivån, frekvenserna på ljudvågorna och exponeringstiden viktiga faktorer (Andersson, 1998).
Hörselskador kan delas upp i två kategorier, tillfälliga och permanenta
(Johansson, 2002). En bullerrelaterad hörselskada innebär skador på hårcellerna som är kopplade till hörselnerverna i öronsnäckan (Johansson, 2002). Tillfälliga hörselskador uppstår av kraftigt men kortvarigt ljud och kan försvinna om örat får vila. Får örat inte en chans till vila ökar risken att skadan blir permanent. En permanent bullerskada innebär att hårceller i öronsnäckan är skadade och inte återhämtar sig (Andersson, 1998). Permanenta hörselskador uppstår vid långa eller återkommande vistelser i bullriga miljöer med hög ljudnivå. Hur allvarlig en hörselskada blir beror på ljudnivån och exponeringstiden (Johansson, 2002; Andersson, 1998).
Det skadligaste bullret för hörseln är impulsljud, exempelvis ett gevärsskott (Johansson, 2002). Anledningen till impulsljuds skadlighet är ljudstyrkan samt att ljudet uppstår på bråkdelen av en sekund. En permanent hörselskada kan därför uppkomma mycket plötsligt (Johansson, 2002).
Figur 7 visar det mänskliga hörområdet och exempel på buller i olika
frekvensområden (Johansson, 2002). Det hörbara området delas in i låg-, mellan- och högfrekvent ljud. Under 200 Hz räknas som lågfrekvent ljud och över 2000 Hz räknas som högfrekvent ljud (Akustik Miljö, u.d.).
Infraljud är ljud under 20 Hz i frekvens (Andersson, 1998). Dessa ljud kan inte uppfattas av det mänskliga örat (Andersson, 1998). Dock kan trycket från infraljud sätta innerörat i vibration vilket påverkar balanssinnet och orsakar problem som yrsel, illamående och trötthet (Andersson, 1998). Infraljud kan orsaka hörselskador om ljudtrycksnivån når smärttröskel vid 120 dB
(Johansson, 2002). Det upplevs som mycket smärtsamt och obehagligt (Johansson, 2002).
Ultraljud ligger över 20 000 Hz i frekvens (Andersson, 1998). Ultraljud i
närheten av det mänskliga hörselspektrumet kan i regel bara uppfattas av barn eftersom förmågan att höra höga frekvenser försämras med åldern (Johansson, 2002). Det finns inga kopplingar mellan ultraljud och permanenta hörselskador (Johansson, 2002). Ultraljud strax över 20 000 Hz nära det mänskliga
hörselspektrumet med ljudtrycksnivåer över 100 dB kan orsaka tillfälliga
hörselskador (Johansson, 2002). De intensiva svängningarna på ljudvågorna gör att hörselorganet värms upp av friktion. Detta skapar obehag och kan orsaka vävnadsskador (Andersson, 1998).
Maximal tillåtna genomsnittliga gränsvärdet av ljudexponering för en arbetsdag är 85 dB på 8 timmar (Johansson, 2002). Effekten är fördubblad vid 88 dB vilket halverar exponeringstiden. Vid 115 dB tar det 30 sekunder innan ljudet är lika skadligt som 85 dB under 8 timmar (Johansson, 2002). För att hörselskydden skall nå sin fulla effekt är bärtiden mycket viktig. Ett hörselskydd med 30 dB i dämpning har en skyddseffekt på 12 dB om skydden tas av 30 minuter på en arbetsdag om 8 timmar (Johansson, 2002). Skulle samma hörselskydd användas
Problem som uppstår i samband med hörselskador
Vid permanent bullerskada är det främst förmågan att uppfatta höga frekvenser som påverkas (Johansson, 2002). Med en svår hörselnedsättning kan förmågan att höra höga frekvenser vara nedsatt till den grad att taluppfattningen och kommunikationsförmågan försvåras (Konradsson, 2012). Anledningen är att många konsonanter ligger i övre frekvensbandet av det mänskliga talområdet (Johansson, 2002). En svår hörselnedsättning kan vara indirekt skadlig eller dödlig eftersom det påverkar uppfattningen av varningssignaler som består av höga frekvenser (Andersson, 1998). Exempel på varningssignaler är brandlarm eller signalhornet på en bil. Om en hörselskadad person inte hör
varningssignaler ökar risken för en olycka. Buller har även andra negativa effekter. Det kan orsaka sömnstörningar, trötthet, ångest och stress vilket ger upphov till sämre arbetsprestation (Bridger, 2008). Bullerskador är svåra att upptäcka, lämnar inga synliga ärr och tar många år att diagnostisera (Johansson, 2002).
Kostnader för samhället
Hörselskador går att motverka. Med rätt modell av hörselskydd sänks ljudnivån till en mindre skadlig nivå. Detta gör att örat slipper utsättas för onödigt höga ljud. 800 000 personer i Sverige har problem med sin hörsel och varje år ges 30 000 stycken hörapparater ut (Andersson, 1998). Hörselskador är förutom lidande för den drabbade mycket kostsamt för samhället. Sedan 1974 har det betalats ut 1,5 miljarder i engångsersättningar (Andersson, 1998). Genom att skydda sin hörsel från onödigt buller sparas både pengar och hälsa.
Ljudmätningsutrustning
Det finns ett flertal instrument för att mäta ljud (Johansson, 2002). Den vanligaste är ljudnivåmätare som visas i figur 8. Den används för att mäta ljudnivån i ett specifikt område, exempelvis ett rum. Resultatet presenteras omedelbart på bildskärmen. Ljudnivåmätarens egenskaper är internationellt
standardiserade och det finns
flera noggrannhetsklassificeringar (Johansson, 2002).
Bullerdosimeter används för mätning av personlig bullerexponering (Johansson, 2002). Den kan användas för att utvärdera en arbetstagares bullerexponering under en dag. Instrumentet består av en mikrofon som fästs på bröstet. Mätningen sker under en längre tid och räknar sedan ut den genomsnittliga ljudexponeringen. Vissa modeller har även en mindre mikrofon som fästs i örat för mer exakt mätning av ljud som når hörselgången. Kraven för en bullerdosimeter finns standardiserade enligt SS-EN 61252 (Johansson, 2002). Figur 9 visar en bullerdosimeter som används av Hellberg.
Instrumentet som används för mätning av hörselskydds dämpande effekt kallas Akustisk Test Fixtur, förkortat ATF, se figur 10 (CEN, 2002b). ATF är ett ISO-
standardiserat mätinstrument (CEN, 2002b). Hörselkåporna sätts över fixturen som har två mikrofoner, en på varje sida. Olika frekvenser spelas upp och
mikrofonerna registrerar dessa. Detta kan användas för att räkna ut ett hörselskydds dämpande effekt. Alla ljudmätningar som presenteras i detta arbete har samlats in med hjälp av ATF från Hellbergs ljudlabb.
Figur 9: En Bullerdosimeter med bröst och öron mikrofon.
Ljudlabb
Hellbergs ljudlabb består av ett ljudisolerat rum med en ATF, förstärkare,
brusgenerator och fyra högtalare. I figur 11 visas ljudlabbet med ATF. På förstärkaren sitter en volymkontroll till varje högtalare. ATF-mätningar kommer in som två kanaler till datorn, en för varje mikrofon.
Datorprogrammet Samurai visualiserar mätdata. På skärmen visas de två kanalerna från ATF, en röd för kanal 1 och en blå för kanal 2. Ljudnivån som visas i staplarna är medelvärdet för de olika frekvenserna under mätningens gång. Vid varje uppstart görs en referensljudmätning. Det innebär en mätning utan hörselskydd på ATF, vilket ger rummets ljudnivå i varje frekvens. Därefter kan hörselskydd placeras över ATF för att mätas. Figur 12 visar mätning av hörselskydd i programmet Samurai.
Informationen från mätningen hamnar i ett Excel-dokument med mätresultat från kanal 1 och kanal 2. Resultatet mellan kanalerna kan skilja något på grund av rummets utformning och högtalarnas vinkel mot fixturen. Av kanalernas mätning tas medelvärdet. Snitten av varje kanal adderas och delas med två vilket ger kåpornas uppskattade prestanda. Detta dras bort från referensmätningen. Resultatet blir hörselskyddens dämpning i de olika frekvenserna.
Figur 12: Visualisering av mätning i ljudlabb från datorprogrammet Samurai.
Filter och oktavband
Oktavband är ett intervall mellan två rena toner med ett förhållande på 2:1. Den högsta frekvensen i intervallet är dubbelt så stor som den lägsta (Johansson, 2002). Ett oktavband representeras av mittfrekvensen i intervallet (Johansson, 2002). Vid mätning med oktavbandsfilter mäts ljudet över flera oktavband vars representativa mittfrekvenser är bestämda enligt internationella standarder och följer en logaritmisk skala. I denna skala är mittfrekvensen för varje högre mittfrekvens en fördubbling av föregående. De standardiserade mittfrekvenser som finns inom det mänskliga hörområdet är följande, 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 och 16 000 Hz (Johansson, 2002).
På ljudmätningsutrustning används olika vägningsfilter vars uppgift är att ge en frekvensberoende dämpning av mikrofonens signal som efterliknar den
mänskliga hörselns känslighet (Johansson, 2002). Det finns fyra olika filter som används vid ljudmätning dessa kallas för A-, B-, C- och D-filter (Andersson, 1998). Av dessa är A- och C-filter vanligast vid klassificering och val av hörselskydd (Johansson, 2002).
Ett A-filter efterliknar den mänskliga hörselns känslighet vid låga ljudnivåer och används vid bedömning av risk för hörselskador. A-filtrets mätningskurva sorterar ut de lägre frekvenserna och fokuserar på frekvenserna kring det
mänskliga talområdet där buller är som skadligast för hörseln (Johansson, 2002). Ett C-filter efterliknar den mänskliga hörselns känslighet vid impulsljud. C-filtret dämpar sämre vid låga frekvenserna än A-filtret. Frekvensbandet för skadligt ljud är betydligt större vid impulsljud än lägre ljudnivå. C-filtrets mätningskurva är därför i stort sett linjär från låga frekvenser och genom det mänskliga
talområdet, se figur 13 (Johansson, 2002).
Klassificering & utvärdering av hörselskydd
Hörselkåpor utvärderas på olika sätt beroende på land och regelverk. Enligt handledare på Hellberg används den europeiska standarden SNR i de flesta delar av världen. SNR står för Single Number Rating och är ett värde för hörselkåpans förväntande dämpning. Hellbergs passivdämpande hörselkåpor Secure 2H har ett SNR-värde på 30 dB, om det uppmätta bullret ligger på 100 dB förväntas värdet under kåpan vara 70 dB. SNR räknas ut med HML-metoden. HML som står för High, Medium och Low som representerar dämpningen i höga-, mellan- och låga frekvenser (Johansson, 2002). Metoden använder en tabell samt kunskap om skillnaden i det aktuella bullret uppmätt med A- och C-filter (Johansson, 2002).
På varje hörselkåpa skall information om tillverkare, modellbeteckning och uppfyllda standarder finnas (Johansson, 2002). Om detta inte finns angivet får produkten inte säljas. Enligt handledare på Hellberg skall ett hörselskydd slumpmässigt kunna tas från butik och testas. Uppfylls inte kraven måste produkterna återkallas och säljstopp kan införas.
När hörselskydd utvärderas utförs det enligt europeisk standard EN 352–1 vilket är standarden som gäller för passivdämpande hörselkåpor med hjässbygel (CEN, 2002a). Standarden beskriver hur utvärderingen skall ske samt de krav som ställs på produkten (CEN, 2002a). Det finns testinstitut som utvärderar
hörselskydden enligt standarden. De utvärderas med hjälp av en representativ testgrupp om 16 personer som gör subjektiva bedömningar (CEN, 2002b). Den subjektiva bedömningen och klassificeringen av hörselskydden sker vid åtta av de tio standardiserade oktavbanden inom det mänskliga hörområdet. Dessa är vid mittfrekvenserna 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 och 8000 Hz. Vid forskning och utveckling av hörselskydd går det inte vid varje modifiering att göra utvärderingar med testgrupp. Av praktiska skäl används istället en ATF som finns beskriven i kapitel 2.4.
Vid mätningar med hjälp av ATF i ett ljudlabb är det viktigt att vara medveten att fixturen har mikrofoner som mäter ljudet bakom hörselskydden. I labbet går det att dämpa betydligt mer än vad som är möjligt på människor (Bridger, 2008). I verkligheten är den maximala dämpningsförmågan lägre. En anledning är att ljudet går igenom skallbenet, benämnt som benledning (Zannin & Gerges, 2006). En annan anledning är huvudets osymmetriska utformning som därigenom påverkar hörselskyddens passform.
Standarder och arbetsmiljölagar
Det är viktigt att känna till regler och standarder som gäller för hörselskydd. Standarder finns för att säkerställa produktkrav och kvalitet (Wikberg Nilsson, et al., 2015). Genom att känna till gällande regler tidigt i processen går det undvika att få en slutgiltig lösning som inte uppfyller kraven (Wikberg Nilsson, et al., 2015). I Sverige ansvarar arbetsmiljöverket för frågor gällande arbetsmiljö och utformar dessa riktlinjer (Wikberg Nilsson, et al., 2015).
Enligt Arbetsmiljöverket skall buller i första hand bekämpas vid källan
tillgängliga. Enligt svensk lag har arbetsgivaren skyldighet att erbjuda
hörselskydd om medelvärdet för daglig bullerexponering är 80 dB, vilket är det undre värdet för daglig exponering för 8 timmar. Vid 85 dB och över skall hörselskydd användas (Johansson, 2002). Arbetstagare skall också ha möjlighet att medverka vid val av hörselskydd. Hörselskydden bör underhållas väl.
Förstudie
För att bygga upp en djupare förståelse kring problemet har det genomförts en förstudie. Information har sökts intern och extern i enighet med
femstegsmetoden för designprocessen som finns beskrivet i
introduktionskapitlet. Förstudien innehåller konkurrentanalys, studiebesök samt material och konstruktion.
Funktionsschema
Funktionsschema med blackbox är en metod för att strukturera och analysera problem för att få en överblick av helheten (Ulrich & Eppinger, 2012). Genom att skriva upp det som skall in i systemen och det som önskas som resultat fylls den svarta lådan med funktioner och delsystem som behövs för att åstadkomma detta (Österlin, 2011; Cross, 2008). Metoden ansågs lämplig för att se hur hörselskyddets komponenter interagerar med varandra som system vid dämpning av ljud. Eftersom antalet interagerande komponenter runt kåpan är begränsade gavs ett enkelt system som tydligt visade komponenternas
funktioner. Delsystem som ritades in i lådan är hörselkåpan (kåpskal och volymring), tätningsring och absorbent. Dessa ger resultatet reflekterat och dämpat ljud. De gröna utfallen är de primära eftersökta resultaten.
Friktionsvärme i de gula rutorna är sekundära utfall som uppstår som konsekvens av primärfallen. I figur 14 visas blackbox med funktioner och delsystem för hörselskydd.
Studiebesök
För att få inspiration om material och konstruktion gjordes ett flertal studiebesök. Studiebesök hjälper till att finna nya infallsvinklar och fylla i eventuella kunskapsbrister genom extern informationssökning (Ulrich & Eppinger, 2012). Studiebesök gjorde hos Material ConneXion, Semcon och Bullerbekämparen.
Material ConneXion
Material ConneXion är ett materiallab, som finns på ett flertal platser i världen, bland annat i Skövde. Det finns även en materialdatabas på internet med
tusentals material. Materiallabbets syfte är att främja innovation och nytänkande med nya material. Material ConneXion består av ett globalt team av experter med olika bakgrund (Material ConneXion, 2012). Under arbetets gång har flertalet besök i materiallabbet och materialdatabasen gjorts. Vid varje material finns kontaktuppgifter till producenten och vissa av materialets egenskaper finns beskrivet. Ett flertal material från biblioteket valdes ut för att undersökas närmare. Dessa skrevs ned och tillverkarna kontaktades via telefon eller e-post. Prover av olika material mottogs.
Semcon
Semcon är ett globalt teknikkonsultföretag som jobbar i flera branscher. Produktutveckling och design är en stor del av deras konsulttjänster.
Huvudkontoret ligger på Lindholmen i Göteborg (Semcon, 2017). Ett studiebesök gjordes hos två av Semcons ljudingenjörer. Där diskuterades ljudabsorption, resonans samt mätutrustning och mätmetoder. Besöket gav bra information om hur ljud beter sig i ett utrymme. Råd som gavs var att utforma kåpan på ett osymmetriskt vis för att minska stående vågor. Frågor ställdes även om
skumplastabsorbenter och om öppna eller slutna celler. Eftersom osymmetri är bra var öppna celler att föredra som ljudabsorbent enligt P. Mohlin (personlig kontakt, 16 februari, 2017).
Bullerbekämparen
Bullerbekämparen konstruerar och tillverkar bullerskydd av olika typer och modeller. Företaget ligger i Stenkullen, Lerum. Deras produkter består bland annat av akustikskivor av skumplast, stenull, glasfiberull och polyester
(Bullerbekämparen, 2017). Hos Bullerbekämparen diskuterades material och ljudabsorptionsfaktor. Enligt H. A. Lund (personlig kontakt, 22 februari, 2017) på Bullerbekämparen är mineralull av glasfiber eller stenull de bästa
ljudabsorbenterna. Efter studiebesöket hos Bullerbekämparen införskaffades materialprover av mineralull av PET-plast och stenull för utvärdering i kåpa. Studiebesöket gav en bra inblick i de material som används till ljuddämpande ändamål.
Konkurrentanalys
För att få inspiration hur konkurrerande företag har löst konstruktion och dämpning har konkurrerande hörselskydd demonterats och undersökts. Genom benchmarking eller prestandajämförelse går det få idéer och kunskap hur marknadsledande företag löst liknande problem (Wikberg Nilsson, et al., 2015). Därför gjordes analys av den ansedda branschledarens senaste produktmodeller. Dessa kom i fem varianter och kommer refereras till respektive nummer i
rapporten:
1. Lågdämpande 2. Mellandämpande 3. Högdämpande
4. Högdämpande i mindre storlek 5. Extremdämpande
För att utvärdera produkterna användes PNI-metoden. PNI är en analysmetod som kan användas många gånger under designprocessen (Österlin, 2011). PNI står för Positivt, Negativt och Intressant (Österlin, 2011). Metoden hjälpte till att identifiera egenskaper och komponenter hos konkurrentens och Hellbergs produkter. För varje hörselkåpa skrevs dessa saker ner. Det gjordes också en specifikationsjämförelse med vikt och SNR mellan Hellbergs och den ledande konkurrentens produkter, resultatet från specifikationsjämförelsen och PNI-metoden finns i bilaga 1 respektive bilaga 2.
Den subjektiva bedömningen har stor inverkan vid klassificering av hörselskydd. Därför gjordes en subjektiv utvärdering av konkurrenten och Hellbergs kåpor i sitt standardutförande och med modifieringar. Båda fabrikaten var sköna att bära men konkurrenten upplevdes som smidigare på grund av mindre storlek och vikt. Konkurrentens extremdämpande modell gav eko samt sämre dämpning när absorbenten togs ut, vilket tyder på att absorbenten är en viktig komponent för den upplevda dämpningen i ett par hörselkåpor.
Bland konkurrentens produkter förekom ett modulärt byggsätt där flertalet komponenter återkom i olika kombinationer. Därför utvärderades även
konkurrentens kåpor i ATF med komponenter utbytta sinsemellan. På detta sätt kunde slutsatser om varje komponent dras.
Produkterna som jämfördes var av lågdämpande och högdämpande i mindre storlek. Dessa två modeller har samma kåpskal men skiljs åt med olika
absorbenter och tätningsringar. Den högdämpande modellen har en plastring mellan kåpa och tätningsring. Kåporna testades i sitt grundutförande och med varandras absorbenter samt tätningsringar för att utvärdera vad som påverkade prestandan mest, se figur 15. Det som visas i diagrammet är snittdämpningen mellan de två kåporna efter tre mätningar i ATF. Den bättre absorbenten hade högre densitet och gav en bättre dämpande effekt i den lågdämpande produkten vid högre frekvenser. Tätningsringen med tillhörande plastring gjorde stor skillnad vid lägre frekvenser.
Konkurrentanalysen kompletterades med resterande produkter från
konkurrentens produktserie. Den kompletta konkurrentanalysen i ATF kan ses i bilaga 3. Slutsatsen av konkurrentanalysen är att absorbenten ger ökad
dämpning av högre frekvenser och konstruktionens utförande ger en generellt bättre dämpning, framförallt i lägre frekvenser. I den kompletterande bilagan visas även en äldre högdämpande modell av konkurrenten. Den äldre modellen använder sig av tvåväggsisolering. I ljudlabbet visades dock att denna modell, trots tvåväggsisolering och dubbel absorbent, inte presterade bättre än den nya modellen med enkelvägg.
Konkurrentens plastring
Konkurrentanalysen i ljudlabbet visade att modeller med sammansättningen plastring med tätningsring hade en stor effekt vid dämpning av lågfrekvent ljud. Att öka dämpningen av lågfrekvent ljud är ett av målen med examensarbetet. Därför gjordes en närmare analys av komponenten och där identifierades
20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 27,0 30,0 33,0 36,0 39,0 42,0 45,0 48,0 51,0 54,0 FREKVENS (HZ) D ÄM PN IN G (D B )
Konkurrentanalys
1 normal 4 normal 1 med 4 absorbent 4 med 1 absorbent
Detta kan göra att infallande ljud studsar och reflekteras bort från öra in i kåpan där absorbenten dämpar ljudet. Ringen visade sig också vara mycket styv vilket undviker att kåpan flexar. Plastringen har på sidan mot tätningsringen en ihålig struktur med ribbor. Denna misstänks agera som diffusor där ljudvågorna träffar en vägg och splittras i olika riktningar. Ringens massa tros också ha en viss inverkan för dämpande effekt, eftersom mer massa dämpar mer ljud.
Närmare undersökningar visade två olika typer av tätningsringar som passade med plastringen. Dessa innehöll båda ett polyuretanskum (PU-skum). En med lågdensitetskum som används till modell 3 och en med högdensitetsskum till modell 4 och 5. Plastringen med tillhörande tätningsringar utvärderades i ljudlabb tillsammans med standardtätningsring från modell 1. Testet visade att plastringen gav en förbättring över stora delar av frekvensbandet jämfört med den enklare tätningsringen utan tillhörande plastring, se figur 17. Om
plastringen används tillsammans med tätningsringen med högre densitet förbättrades dämpningen ytterligare, framförallt vid lågfrekvent ljud.
0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 27,0 30,0 33,0 36,0 39,0 42,0 45,0 48,0 51,0 54,0 57,0 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 D ÄM PN IN G (D B ) FREKVENS (HZ)
Tätningsring och plastring
4 med Plastring + 4/5 tätningsring 4 med Plastring + 3 tätningsring 4 + 1 tätningsring
Figur 16: Konkurrentens plastring med misstänkt diffusor.
Material
Kåpa
Kåpan utgör grunden i ett hörselskydd och har som huvudfunktion att reflektera infallande ljudvågor. Den bör vara konstruerad av ett material med låg
absorptionsfaktor, vilket betyder att en hård yta eftersöks. Plast är det material som är vanligast vid tillverkning av hörselkåpor. Plast består av kolkedjor som kallas polymerer (Leijon, 2014). Med tillsatsämnen skapas en mängd olika egenskaper (Leijon, 2014). Det finns därför många plaster med en stor variation av egenskaper (Leijon, 2014). De flesta plaster tillverkas idag av råolja (Leijon, 2014). Det går att tillverka plaster av förnyelsebara material, dessa kallas för bioplaster (Svensk Plastindustriförening, u.d.). Plaster är billiga, lätta att forma och tillverka med formsprutning (Leijon, 2014). Eftersom arbetet har varit inriktat mot produktförbättring beslutades det att den nuvarande ABS-plasten i kåpskalet och volymringen skall fortsättas att användas med befintlig teknik och kunskap. Det kan dock i framtiden vara intressant att djupare undersöka olika material och dess effekt för dämpningen. Exempelvis skulle kompositmaterial vara intressant att undersöka. Kompositer är ofta polyester-, polyamid- eller epoxiplast förstärkt med fibermaterial (Svensk Kompositförening, 2012). Detta görs vanligen med en väv av kolfiber, glasfiber eller aramidfiber. Kompositer är mycket starka i förhållande till sin vikt (Svensk Kompositförening, 2012).
För att skapa en miljövänligare produkt skulle en bio-komposit kunna användas. Trä är ett naturmaterial som är bra ur miljösynpunkt och spillmaterial från annan tillverkning kan återvinnas och användas genom att träfibrer och trämjöl användas vid tillverkningen av kompositer. Det skapar en miljövänlig bio-komposit som är stark, lätt och styv (Bledzki, et al., 2002; Svensk
Kompositförening, 2012). Absorbent
I figur 18 visas standardabsorbenten av PU-skum som används till Hellberg Secure 2H. Tjockleken varierar beroende på modell. Absorbenten i kåpan absorberar ljudenergin som transmitterats genom kåpskalet och volymringen. Till
absorbenten söks material som kan dämpa olika frekvenser effektivt. En viktig faktor för absorbenten är porositeten, om
materialet är solitt färdas ljudet genom materialet. Om materialet är poröst färdas ljudet genom materialets luftfickor. Varje gång ljudet går igenom en cellvägg
absorberas energi från ljudvågen och
övergår i friktionsvärme (Johansson, 2002). Porösa absorbenter är som mest verksamma vid medelhöga till höga frekvenser (Andersson, 1998; Zannin & Gerges, 2006). Absorbenten skall vara hygienisk för att undvika odör och
irritation. Materialen som undersöks måste finnas tillgängliga på marknaden och
Cellplast
Cellplaster är polymer som expanderats med hjälp av gas under tillverkning som skapat hålrum i materialet. Cellplast finns i både mjuka och hårda varianter (Nationalencyklopedin, u.d.). Det finns två grundläggande strukturer, öppna- eller slutna celler (Arenas & Crocker, 2010). Cellerna består av hålrum i den expanderade plasten. Slutna cellerna är enskilda och isolerade från övriga celler i materialet. Öppna cellerna är sammanlänkade med varandra i materialet
(Arenas & Crocker, 2010). Hos material med slutna celler har mer material kontakt med varandra vilket ökar risken för spridning av ljud via materialet (Arenas & Crocker, 2010). Energiförluster på ingående ljudvågor sker när ljudvågen passerar materialet i cellväggarna och omvandlas till friktionsvärme (Arenas & Crocker, 2010; Johansson, 2002). Det finns även typer av blandskum som tillverkas av återvunnen plast. Blandskum har generellt hög densitet och används ofta som absorbent till bilar och maskiner (Bullerbekämparen, 2017). Tyg- och mineralabsorbenter
Tyg- och mineralabsorbenter förekommer i flera format med olika karaktär. Användningsområdet är ofta som akustiska ljuddämpare i byggnader och fordon. Dessa kommer i form av dukar, mattor, skivor och gardiner (Bridger, 2008). Materialen till dessa absorbenter är främst framställda av plaster men även naturliga fibrer och mineralull av glasfiber används. Mineralull kan också framställas av granit, dessa kallas för stenull (Johansson, 2002).
Naturliga absorbenter
Mossa, lav och svamp var initialt intressanta i vår undersökning. Från
materialdatabasen Material ConneXion fanns intressanta mossor och lavar som kan användas som absorbenter. Det visades dock efter vidare undersökning att dessa inte lämpar sig för ändamålet som absorbent i en hörselkåpa. Dels är processen och materialegenskaperna svåra att styra. Eftersom det sker en
variation för hur och var de växer. Naturliga material reagerar på fukt och värme och kan därmed förmultna av bakterietillväxt som bildas i kåpan. Detta kan skapa odör och kan försämra egenskaperna hos hörselskyddet.
Konstruktion
Hörselskydd fungerar som ett slutet rum som skyddar örat från den omgivande ljudmiljön (Zannin & Gerges, 2006). Som nämnts i tidigare kapitel kommer ljud som träffar kåpan reflekteras, absorberas och transmitteras. Energin från ljudvågorna som träffar kåpan kan försätta kåpan i rörelse, detta gör att kåpan börjar agera som ett membran och det skapas tryckvågor inne i kåpan som når trumhinnan (Zannin & Gerges, 2006). Membraneffekten är negativt ur en dämpningssynpunkt och kan enligt ljudisoleringsprinciper för enkelväggar förebyggas med ett styvare material (Andersson, 1998).
Kåpskal
Figur 19: Hellberg Secure kåpskal, från vänster 1H, 2H och 3H.
Kåpskalet är gjort i ABS-plast och kommer i tre storlekar beroende på
dämpningsgrad, se figur 19. Ökad volym har ökad effekt på dämpningen (Boyer, et al., 2014). Det tillåter även användandet av större absorbent. Större kåpskal har mer massa vilket har bättre effekt på dämpningen. Ett större kåpskal flyttar ut avståndet till örat som skapar mer volym att dämpa ljud på. Dock har ett mindre kåpskal mindre yta som kan ta upp ljudenergi (Boyer, et al., 2014).
Volymring
Hellberg var först med färgkodningen av olika dämpningsklasser för enklare identifiering av rätt hörselskydd i rätt miljö. Detta görs med volymringen. Den är tillverkad i ABS-plast med färgerna grön, gul och röd beroende på
dämpningsgrad. Volymringen klickas ihop med kåpskal och tätningsringen fästs i ett spår. Nuvarande konstruktion är
förhållandevis enkelt konstruerad. Från konkurrentanalysen i kapitel 3.3.1 misstänktes att plastringens osymmetri agerade som en diffusor för bättre dämpning av ljud. Insidan av Hellbergs
volymring innehåller många plana ytor, se figur 20. Det misstänks att ljudet som träffar volymringen från utsidan kan transmitteras in till örat. Genom att bygga upp en vägg eller ojämnhet liknande konkurrentens plastring får ljudet i teorin ett extra ”hinder” att passera innan det når örat.
Tätningsring
Tätningsringen är den komponent som sluter tätt kring huvudet. Den skall även tillgodose bekväm användning under tiden kåporna används. Hellberg
rekommenderar för bästa funktion att tätningsringen byts ut var sjätte månad, detta för att materialen deformeras och slits ut (Hellberg Safety, 2016).
Tätningsringen består av vinylplast (PVC) och ett PU-skum. Vinylplasten består av en folie som vakuumsugits runt en form. PU-skum har sedan applicerats och folien svetsats ihop med en tunn plastbit i botten. En kant på tätningsringen tillåter verktygslös montering utan lim på volymringen. Nuvarande lösning är enkel att tillverka och billig att byta vid underhåll. Tätningsringen misstänks vara produktens svaga länk, dess mjuka yta har dålig förmåga att reflektera ljud. Hellberg har två typer av tätningsringar som används. En standardtätningsring som används till passiva hörselskydd och en elektroniktätningsring som används till radio och medhörningskåpor. Elektronikringen har högre densitet på PU-skummet jämfört med standardringen. Figur 21 visar insidan av
tätningsringarna.
Tätning mellan kåpskal, volymring och tätningsring
Skarvarna mellan kåpskal, volymring och tätningsring är en svag länk för lågfrekvent ljud. Läckage kan lösas med lägre toleranser. Dock kan lägre
toleranser göra montering för hand svår. För att förbättra detta måste storleken på skarven göras större eller utformningen ändras. En gummiring eller packning har använts hos vissa konkurrenter för att lösa detta. Efter möte med Hellberg visade det sig att problemet med skarven mellan kåpskal och volymring var känd. Detta hade åtgärdats på nyare volymringar med lägre toleranser. Nytillverkade volymringar har därmed en täthet som Hellberg anser som acceptabel.
Kravspecifikation
För att sammanfatta de krav som finns på en produkt upprättas en
kravspecifikation. Kravspecifikationen skall hållas levande under projektets gång och uppdateras vid behov (Ulrich & Eppinger, 2012). Kravspecifikationen
innehåller krav samt önskemål för de egenskaper som eftersökts till absorbent och kåpa. Krav är egenskaper som måste uppfyllas och önskemål är egenskaper som inte är nödvändiga på produkten men som kan ge produkten ett mervärde (Cross, 2008). Kravspecifikationen har skapats med underlag från Hellbergs produktkrav. Efter avslutat arbete kan kravspecifikationen användas som material till avstämning (Ulrich & Eppinger, 2012). Eftersom arbetet kretsar kring produktförbättring finns vissa underliggande krav med användande av nuvarande komponenter samt att de modifikationer som testas bör kunna produceras med nuvarande teknik. Kravspecifikationen kan ses i tabell 1. Kravspecifikationen togs fram i ett tidigt skede i samverkan med handledare på Hellberg och utökades sedan under förstudien med nya krav och önskemål som identifierats. Kravspecifikationen innehåller vissa parametrar som
examensarbetet nödvändigtvis inte kommer beröra men dessa skrevs ändå initialt ned som en guide till eventuellt designarbete.
Tabell 1: Kravspecifikation.
Nr Specifikation Krav Önskemål Enhet Källa Övrigt/kommentarer
Absorbent
1 Lätt att återvinna Ja Ja/Nej Hellberg 2 Dämpa bättre i önskad
frekvens Ja Ja/Nej Hellberg
3 Hygienisk Ja Ja/Nej Hellberg Ej absorbera fukt, orsaka odör
4 Mjuk och formas efter
kåpa Ja Ja/Nej Konkurrentanalys
5 Pris 0
-1,50 Kr Hellberg 6 Ej giftigt/farligt för
människa Ja Ja/Nej Hellberg
Möter Reach (förbjudna kemikalier)
7 Går att figurskära Ja Ja/Nej Konkurrentanalys Ska ej behöva "formas för att få plats"
8 Tillgänglig på marknaden Ja Ja/Nej Hellberg
Konstruktion för kåpskal, volymring och tätningsring
9 Osymmetrisk
kåputformning Ja Ja/Nej Studiebesök
Bättre reflektion och undviker stående vågor 10 Utbytbar tätningsring Ja Ja/Nej Hellberg
Tätningsringen
rekommenderas att bytas var 6 månad
11 Utbytbar absorbent Ja Ja/Nej Hellberg 12 Inga skruvar eller lim Ja Ja/Nej Konkurrentanalys 13
Samma antal komponenter som dagens konstruktion
15 Styv konstruktion Ja Ja/Nej Hellberg
16 Producerbar Ja Ja/Nej Hellberg
Uppfyller de
konstruktionslösningar som är applicerbara vid formsprutning 17 Färgkodning i volymring Ja Ja/Nej Hellberg
18 Gjord i plast Ja Ja/Nej Hellberg 19 Leder ej ström Ja Ja/Nej Hellberg 20 Maxpris volymring 1,8 1,5 Kr Hellberg 21 Tät konstruktion Ja Ja/Nej Tester 22 Öka dämpning av
lågfrekvent ljud Ja Ja/Nej Hellberg Lågfrekvent ljud maskerar tal 23 Öka prestanda på
volymring Ja Ja/Nej Tester 24 Förbättra dämpning utan
att öka massa Ja Ja/Nej Tester 25 Hörselskydd totalvikt 227 -
277 227 - 248 Gram Hellberg 26 Ny extremdämpande
Genomförande
Set based design
Set based design eller set based concurrent engineering är ett arbetssätt som kommer från filosofin Lean produktutveckling. Syftet med arbetssättet är att utvärdera och ta fram fungerande och optimala koncept (Raudberget &
Gustafsson, 2012). Traditionell produktutveckling följer ofta strukturen designa – bygg – testa (Raudberget & Gustafsson, 2012). Problemet med traditionell produktutveckling är att designen ofta bestäms tidigt i processen (Raudberget & Gustafsson, 2012). Vilket i senare stadier kan visa att produkten inte uppfyller de krav som finns. Det leder också till att hela lösningsrymden inte utforskas och bättre lösningar lämnas outforskade (Raudberget & Gustafsson, 2012). Med set based design utvecklas ett flertal lösningar simultant för att utvidga
lösningsrymden, först efter djupgående tester går det avgöra vilken lösning som lämpar sig bäst för ändamålet (Raudberget & Gustafsson, 2012). Set based design följer strukturen testa-designa-bygg. Från tidiga tester byggs kunskap upp, som sedan kan användas vid designprocessen. Set based design är en kostnadseffektiv process som tidigt kan utesluta lösningar som visar sig var ogenomförbara (Levanddowski, et al., 2014).
Set based design består enligt Levanddowski, et al. (2014) av tre principer:
1. Kartlägg lösningsrymden. 2. Integrera överlappningar. 3. Fastställ funktion innan beslut.
En hörselkåpa består av flera komponenter, i ett tidigt stadie går det inte att veta vilka av dessa som gör störst skillnad för den dämpande effekten. Genom att starta projektet med tidiga tester och utvärdera olika konstruktionslösningar byggs kunskap upp som sedan kan användas vid designfasen. Detta gör utvecklingen mer effektiv (Raudberget & Gustafsson, 2012).
Funktionsträd
För att enklare förstå en produkt och dess delar kan problemet brytas ned för att öka förståelsen för vad produkten gör eller ska klara av. Ett funktionsträd bryter ned problemet för att se vad syftet med lösningen är (Wikberg Nilsson, et al., 2015). Efter att hörselskyddets grundläggande funktioner strukturerats med ett funktionsschema och förstudie slutförts, gjordes en djupare analys med ett funktionsträd där lösningsrymd utifrån projektets begränsningar
sammanställdes. Funktionsträdet i figur 22 beskriver huvudproblemet, att dämpa ljud i ett par hörselskydd. Från funktionsträdet härleds delfunktioner och dellösningar. Längst ned i funktionsträdet finns förslag på eventuella lösningar.
D
äm
pa
lju
d
m
ed
hörs
els
ky
dd
Reflekterainfallande ljud Kåpa
Konstruktion Styv Diffusor Form Sfärisk Få/inga plana ytor Material Styv Tjocklek Hårt Absorbera
läckt ljud Absorbent materialPorösa
Skumplast Mineralfiber
Isolera från
utvändigt ljud konstruktionTät
Tätningsring Material Låga toleranser Utforming på fästanordning Dubbelfläns Tjockare fläns Packning Hur? Vad?
Referenskåpor
Vid utförande av tester är det viktigt att utesluta eventuella felkällor som kan ge missledande resultat, det är även bra att ta fram underlag att jämföra testresultat mot. Hellbergs kåpor klickas ihop vilket gör att vissa kåpor som säljs kan vara tätare än andra, därmed kan dämpningen variera. För att testa kåpan används två instrument, en vakuumsug och en bygeltrycksmätare, se figur 23.
Vakuumsugen består av pump, slang och en platta dit slangen är kopplad. Hörselkåporna placeras på plattan. När pumpen slås på skapas ett vakuum och mätaren visar undertrycket. Kåpan är inte godkänd om den läcker in luft. För att utvärdera hjässbygeln används en bygeltrycksmätare. Den består av två plattor av plexiglas samt en metallskena som hjässbygeln placeras över. Den ena plexiglasplattan sitter mot en tryckmätare. Bygeltrycket mäts under 2 minuter (timer-styrd) och värdet visas på bildskärmen. Hjässbygeln mäts vid två
förinställda nivåer för stort och litet huvud. Ett godkänt värde för trycket ligger mellan 1,1 och 1,3 kg för respektive mätning.
Enligt handledare på Hellberg dämpar en otät kåpa sämre än en tät kåpa. Detta är även något som tidigare undersökningar från Boyer, et al. (2014) visat. För att undersöka detta testades en Hellbergskåpa i fem utföranden:
1. Normal monterad.
2. Lim mellan volym- och tätningsring. 3. Lim mellan kåpskal och volymring.
Det visade sig att störst läckage sker mellan kåpskal och volymring. Lim mellan volymring och tätningsring gav ingen märkbar effekt och gummipackning gav en negativ effekt. Slutsatsen blev att kåporna måste vara limmade mellan kåpskal och volymring vid utvärdering. Dessutom måste samma kåpor och hjässbygel användas för att inte få missvisande resultat. Alla mätresultat som presenteras i denna rapport har lim mellan volymring och kåpskal för att utesluta felkällor. I figur 24 visas en ATF-mätnings skillnad mellan en limmad referenskåpa och en extremt läckande kåpa.
För att få referenser av Hellbergs passivdämpande modell Secure i de olika dämpningsgraderna togs tio exemplar slumpmässigt ut av varje modell. Dessa vakuumtestades för att undersöka täthet samt för mätning av bygeltryck. Resultatet kan ses i bilaga 4. Detta gjordes för att få förståelse om hur bra hörselskydden som säljs är i snitt samt få en bra referens för vad produkterna presterar idag. Därefter plockades ett par hörselskydd som låg vid medelvärdet ut av varje modell för att användas som referens vid ATF-mätning. I figur 25 visas i ATF-resultatet för referenskåpor utan lim samt kåpor med lim mellan kåpskal och volymring. I diagrammet går det urskilja att limmade kåpor oavsett dämpningsgrad presterar bättre. Referenskåpor (utan lim) jämfördes mot konkurrentens hörselskydd för att tydligare jämföra deras prestanda och resultatet återfinns i bilaga 5.
0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 27,0 30,0 33,0 36,0 39,0 42,0 45,0 48,0 51,0 54,0 57,0 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 Dä m pni ng (d B ) Frekvens (Hz)
Läckande kåpa mot tät kåpa
Medeldämpande referenskåpa Medeldämpande referens med lim
Läckande medeldämpande, kåpa 1 Läckande medeldämpande, kåpa 2
Försöksplanering
Innan tester genomförs är det viktigt att veta vilka faktorer och
konstruktionsparametrar som är intressanta att undersöka (Bergman & Klefsjö, 2007). Utifrån kunskap från teori och förstudie identifierades områden som antogs kunna ge effekt för ökad dämpning. Dessa områden var absorbent, tätningsring, kåpskal och volymring. Från avgränsningar måste lösningar som testas vara teoretiskt intressanta och praktiskt genomförbara. Det är viktigt att försöka eliminera felkällor till den största grad som möjligt (Bergman & Klefsjö, 2007). I alla tester är kåpskal och volymring limmade för att undvika läckage. Alla kåpor trycktestades med vakuumsug innan ATF-mätning. Ett acceptabelt värde ska ligga i intervallet -0,95 < -1 bar. Bygeltrycket kontrollerades också innan ATF- mätning för att säkerställa att denna inte blivit uttöjd. Innan varje ny mätningsomgång i ljudlabben genomförs en referensmätning utan hörselskydd. Efter detta görs minst tre mätningar för varje unik konstruktionslösning. Från mätningarna för varje unik konstruktionslösning beräknas ett medelvärde på konstruktionens dämpning som beskrivet i kapitel 2.4.1. I samtliga tester, förutom vid kombinationer, testas en modifiering åt gången. Försöksmetodiken kallas En-faktor-i-taget-försök (Bergman & Klefsjö, 2007). Detta görs för att härleda förändrat resultat till den utbytta komponenten.
0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0 24,0 27,0 30,0 33,0 36,0 39,0 42,0 45,0 48,0 51,0 54,0 57,0 60,0 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 D ÄM PN IN G (D B ) FREKVENS (HZ)
Referenskåpor med respektive utan lim
Lågdämpande normal Lågdämpande limmad Medeldämpande normal
Medeldämpande limmad Högdämpande normal Högdämpande limmad
