純音聽(tīng)力計(jì)的零級(jí)校準(zhǔn)設(shè)備和方法

冀飛 于黎明 陳洪文

為確保各種聽(tīng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確，必須對(duì)聽(tīng)力學(xué)診療、康復(fù)、研究所用的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)（calibration）。校準(zhǔn)是指在規(guī)定條件下，為確定測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)所指示的量值與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量值之間關(guān)系的一組操作。聽(tīng)力學(xué)測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)，主要是檢驗(yàn)所用設(shè)備換能器發(fā)出的聲音信號(hào)在頻率、強(qiáng)度和時(shí)間等方面是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在我國(guó)，純音聽(tīng)力計(jì)、聲導(dǎo)抗儀等均屬于根據(jù)國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)每年必須進(jìn)行校準(zhǔn)的醫(yī)療器械。除此之外，如下情況也需對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)：①新啟用的設(shè)備應(yīng)對(duì)照說(shuō)明書(shū)運(yùn)行所有功能，校準(zhǔn)各項(xiàng)指標(biāo);②已使用一段時(shí)間的設(shè)備應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定定期進(jìn)行校準(zhǔn);③設(shè)備搬動(dòng)、維修或者更換換能器后必須重新進(jìn)行校準(zhǔn);④測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果與預(yù)期值或經(jīng)驗(yàn)值發(fā)生顯著偏差時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行校準(zhǔn);⑤用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的測(cè)聽(tīng)設(shè)備應(yīng)在每個(gè)課題的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前和在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每天開(kāi)始前都進(jìn)行校準(zhǔn)。各種測(cè)聽(tīng)設(shè)備都要對(duì)聲信號(hào)的輸出級(jí)、頻率偏差、諧波失真等指標(biāo)進(jìn)行檢定，特別是要對(duì)信號(hào)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基準(zhǔn)等效閾級(jí)即聽(tīng)力零級(jí)的校準(zhǔn)[1,2]。聽(tīng)力零級(jí)的校準(zhǔn)是測(cè)聽(tīng)設(shè)備校準(zhǔn)最主要的內(nèi)容。本文主要介紹純音聽(tīng)力計(jì)的壓耳式氣導(dǎo)耳機(jī)和骨振器的零級(jí)校準(zhǔn)。插入式耳機(jī)的校準(zhǔn)本文不做詳述。

1 純音聽(tīng)力計(jì)校準(zhǔn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

與聽(tīng)力學(xué)有關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）第43分委會(huì)——聲學(xué)技術(shù)委員會(huì)和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）第29分會(huì)——電聲學(xué)技術(shù)委員會(huì)制定的。與聽(tīng)力學(xué)有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是由全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)和全國(guó)電聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)制訂。這兩個(gè)組織都是ISO和IEC的成員，負(fù)責(zé)對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂和修訂。

1.1 關(guān)于純音聽(tīng)力計(jì)設(shè)備的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7341.1-2010《電聲學(xué) 測(cè)聽(tīng)設(shè)備 第1部分:純音聽(tīng)力計(jì)》（等同采用IEC 60645-1：2001）中，規(guī)定了對(duì)純音聽(tīng)力計(jì)的通用要求。這一標(biāo)準(zhǔn)旨在保證符合該標(biāo)準(zhǔn)的不同聽(tīng)力計(jì)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)聽(tīng)方法得到的聽(tīng)閾結(jié)果基本相同[3]。

1.2 關(guān)于測(cè)聽(tīng)設(shè)備基準(zhǔn)零級(jí)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO公布的ISO389系列標(biāo)準(zhǔn)，形成了關(guān)于校準(zhǔn)測(cè)聽(tīng)設(shè)備基準(zhǔn)零級(jí)的系列標(biāo)準(zhǔn)，包括:①GB/T 4854.1-2004壓耳式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí);②GB/T 16402-1996插入式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí);③GB/T 4854.3-1998 骨振器純音基準(zhǔn)等效閾力級(jí)；④GB/T 4854.4-1999窄帶掩蔽噪聲的基準(zhǔn)級(jí)；⑤GB/T 4854.5-2008 8 kHz～16 kHz頻率范圍純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí);⑥GB/T 4854.6-2014短時(shí)程測(cè)試信號(hào)的基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí);⑦GB/T 4854.7-2008自由場(chǎng)與擴(kuò)散場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾;⑧GB/T 4854.8-2007耳罩式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí)。

2 校準(zhǔn)器具和設(shè)備

校準(zhǔn)純音聽(tīng)力計(jì)用到的裝置主要包括標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具和配套測(cè)量設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)器具主要包括聲耦合器、耳模擬器（仿真耳）、力耦合器（仿真乳突）等；配套測(cè)量設(shè)備包括傳聲器、前置放大器、測(cè)量放大器、濾波器和頻率計(jì)等。其中前置放大器、測(cè)量放大器和濾波器等可整合為一個(gè)設(shè)備，稱(chēng)為聲級(jí)計(jì)。

2.1 聲耦合器

聲耦合器也叫聲耦合腔，是具有符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)部形狀和體積的封閉含氣腔。進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，傳聲器通過(guò)聲耦合器與聲源（如壓耳式耳機(jī)、插入式耳機(jī)等）耦合測(cè)量聲壓。聲耦合腔中的封閉空間保證了測(cè)量條件的一致性。校準(zhǔn)不同的換能器，所使用的聲耦合器不同，所接的測(cè)量傳聲器的規(guī)格也不同。校準(zhǔn)壓耳式耳機(jī)的聲耦合器為符合IEC 60318-3規(guī)定的6 cm3聲耦合器（圖1）。臨床常用的TDH39壓耳式耳機(jī)即由這種耦合器校準(zhǔn)。

圖1 校準(zhǔn)壓耳式耳機(jī)的6 cm3聲耦合器（聲耦合腔）

2.2 耳模擬器

耳模擬器又稱(chēng)仿真耳，也是一種測(cè)量耳機(jī)輸出聲壓級(jí)的裝置，其外觀(guān)和作用都與聲耦合器類(lèi)似，只是耳模擬器模擬了人耳的聲阻抗特性，而聲耦合器沒(méi)有這個(gè)特性。耳模擬器分為兩類(lèi)，即校準(zhǔn)壓耳式測(cè)聽(tīng)耳機(jī)用耳模擬器（簡(jiǎn)稱(chēng)壓耳式耳模擬器）和校準(zhǔn)插入式耳機(jī)用堵塞式耳模擬器。壓耳式耳模擬器由硬質(zhì)的、穩(wěn)定的和非磁性的材料（如黃銅）制成，其設(shè)計(jì)與制造應(yīng)符合IEC 60318-1標(biāo)準(zhǔn)的要求。進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，傳聲器通過(guò)耳模擬器與聲源（如壓耳式耳機(jī)、插入式耳機(jī)等）耦合測(cè)量聲壓（圖2）。

圖2 校準(zhǔn)壓耳式耳機(jī)的耳模擬器（仿真耳）

2.3 力耦合器

骨導(dǎo)測(cè)聽(tīng)使用的換能器是骨振器（也稱(chēng)為骨導(dǎo)耳機(jī)）。骨振器將電子振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，并且能與人體頭部的顱骨結(jié)構(gòu)（通常是乳突）耦合，通過(guò)振動(dòng)顱骨直接產(chǎn)生骨導(dǎo)聽(tīng)覺(jué)。校準(zhǔn)骨振器的標(biāo)準(zhǔn)器具是力耦合器，也叫仿真乳突（圖3）。力耦合器內(nèi)部的機(jī)電換能器可測(cè)量骨振器與力耦合器接觸面間的交變振動(dòng)力。通常使用的B-71骨振器具有面積為175 mm2的平圓頂接觸面，在校準(zhǔn)時(shí)，須施加（5.4±0.5）N的靜態(tài)力，以使骨振器與力耦合器以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力阻抗耦合。

圖3 力耦合器（仿真乳突）

2.4 傳聲器

傳聲器（microphone）也叫麥克風(fēng)，是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)的聲電換能器。根據(jù)換能原理不同，傳聲器有動(dòng)圈、電容、壓電等多種類(lèi)型。相對(duì)而言，電容傳聲器靈敏度高、性能穩(wěn)定、頻響曲線(xiàn)平滑、動(dòng)態(tài)范圍大，因此在測(cè)量中使用較多。此外，根據(jù)傳聲器本身對(duì)于聲場(chǎng)的影響，傳聲器還可分為壓力場(chǎng)型（也叫聲壓型）傳聲器和自由場(chǎng)型（也叫聲場(chǎng)型）傳聲器。壓力場(chǎng)型傳聲器適用于測(cè)量封閉耦合腔的聲壓級(jí)，此時(shí)傳聲器構(gòu)成壁面的一部分，測(cè)量得到的是壁面自身上的聲壓級(jí)，因此常用于耳機(jī)的輸出測(cè)量。自由場(chǎng)型傳聲器所測(cè)得聲壓是消除了傳聲器對(duì)聲場(chǎng)影響后的聲壓，其自由場(chǎng)靈敏度平直，具有平坦的頻率響應(yīng)，適用于聲場(chǎng)下的校準(zhǔn)測(cè)量。通常，壓力場(chǎng)型傳聲器的型號(hào)尾號(hào)為偶數(shù)，自由場(chǎng)型傳聲器的型號(hào)尾數(shù)為奇數(shù)。

2.5 聲級(jí)計(jì)

聲級(jí)計(jì)是測(cè)量聲壓級(jí)的工具，可集成傳聲器、信號(hào)處理器和具有規(guī)定動(dòng)態(tài)特性的顯示器（圖4）。聲級(jí)計(jì)的主要性能參數(shù)包括:①檢波模式：分為均方根值（RMS）和峰值（peak）；②時(shí)間計(jì)權(quán)：通常分為慢檔（時(shí)間常數(shù)1000 ms）、快檔（時(shí)間常數(shù)125 ms）和脈沖（時(shí)間常數(shù)35 ms）；③頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)：包括A計(jì)權(quán)、C計(jì)權(quán)、線(xiàn)性計(jì)權(quán)（有的也叫Z計(jì)權(quán)）和全通。聲級(jí)計(jì)的常用測(cè)量參數(shù)包括：①聲壓級(jí)（SPL）；②等效連續(xù)聲壓級(jí)（Leq）；③聲暴露級(jí)（SEQ）；④測(cè)量期間最大聲壓級(jí)（Max）；⑤測(cè)量期間最小聲壓級(jí)（Min）；⑥計(jì)權(quán)聲壓級(jí)（dB A）。

使用聲級(jí)計(jì)進(jìn)行純音信號(hào)的零級(jí)校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，通常采用線(xiàn)性頻率計(jì)權(quán)、慢檔時(shí)間計(jì)權(quán)、以RMS方式檢波，測(cè)量聲壓級(jí)。所測(cè)量的頻率采用優(yōu)選1/3倍頻程頻率，從低到高依次為：80 Hz、100 Hz、125 Hz、160 Hz、200 Hz、250 Hz、315 Hz、400 Hz、500 Hz、630 Hz、800 Hz、1000 Hz、1250 Hz、1600 Hz、2000 Hz、2500 Hz、3150 Hz、4000 Hz、5000 Hz、6300 Hz、8000 Hz。

圖4 安裝了傳聲器的數(shù)字式聲級(jí)計(jì)

3 壓耳式耳機(jī)零級(jí)校準(zhǔn)方法

純音測(cè)聽(tīng)的零級(jí)校準(zhǔn)過(guò)程即將換能器（壓耳式耳機(jī)、插入式耳機(jī)或骨振器）與耳模擬器或聲耦合器及聲級(jí)計(jì)連接，將聽(tīng)力計(jì)置于校準(zhǔn)狀態(tài)，使用聲級(jí)計(jì)逐頻率測(cè)量耳模擬器或聲耦合器中換能器的輸出強(qiáng)度，將聲級(jí)計(jì)讀數(shù)與聽(tīng)力計(jì)顯示的輸出聽(tīng)力級(jí)之差和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí)（即聽(tīng)力零級(jí)，0 dB HL）相對(duì)照，如果有較大差別，則進(jìn)行相應(yīng)的輸出調(diào)整，直至符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量不確定度。在校準(zhǔn)過(guò)程中切換頻率時(shí)，應(yīng)注意使聲級(jí)計(jì)濾波器的頻率與聽(tīng)力計(jì)頻率同步。對(duì)壓耳式耳機(jī)進(jìn)行聽(tīng)力零級(jí)校準(zhǔn)時(shí)，依照以下步驟操作。

3.1 換能器與聲耦合器/耳模擬器的耦合

將待校準(zhǔn)的壓耳式耳機(jī)以無(wú)聲泄露的方式安裝到耳模擬器或聲耦合器上，耳機(jī)應(yīng)置于耳模擬器或聲耦合器上端的邊緣上。為使耳機(jī)與耳模擬器/聲耦合器嚴(yán)密封閉，調(diào)節(jié)耳模擬器或聲耦合器所附金屬立柱上的旋鈕，以對(duì)耳機(jī)施以（4.5±0.5）N不包括耳機(jī)自重的靜態(tài)力。聲級(jí)計(jì)與聲耦合器或耳模擬器按圖5所示方法連接。

圖5 校準(zhǔn)壓耳式耳機(jī)的設(shè)備連接方法（金屬立柱上的白色旋鈕用于調(diào)節(jié)靜態(tài)力）

3.2 聲級(jí)計(jì)的設(shè)置

使用壓力場(chǎng)型傳聲器。使用聲級(jí)計(jì)設(shè)置為以均方根方式檢波、線(xiàn)性頻率計(jì)權(quán)、慢檔時(shí)間計(jì)權(quán)，測(cè)量結(jié)果以聲壓級(jí)表示。

3.3 使聽(tīng)力計(jì)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)

通常聽(tīng)力計(jì)的工作狀態(tài)都分為兩種：工作狀態(tài)（或稱(chēng)工作模式）和校準(zhǔn)狀態(tài)（或稱(chēng)校準(zhǔn)模式）。通常臨床測(cè)聽(tīng)時(shí)聽(tīng)力計(jì)都處于工作狀態(tài)。在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，須使聽(tīng)力計(jì)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)。不同聽(tīng)力計(jì)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)的方法不同。有的需要撥動(dòng)后面板上的校準(zhǔn)跳線(xiàn)；有的須按住面板上指定的按鈕開(kāi)機(jī)；有的使用獨(dú)立的校準(zhǔn)軟件控制聽(tīng)力計(jì)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)。進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)后選擇相應(yīng)換能器（壓耳式耳機(jī)）和信號(hào)（純音）。按下給聲持續(xù)鍵發(fā)送校準(zhǔn)音。

3.4 基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí)（即標(biāo)準(zhǔn)值）

聽(tīng)力零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)不同類(lèi)型的換能器（耳機(jī)）和與之適配的聲耦合器（耳模擬器）或力耦合器制訂的。也就是說(shuō)，對(duì)不同換能器都有一個(gè)特定的零級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。聽(tīng)力計(jì)校準(zhǔn)實(shí)質(zhì)就是根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種換能器的聽(tīng)力零級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使測(cè)聽(tīng)結(jié)果的表達(dá)與國(guó)際保持一致和統(tǒng)一。對(duì)于氣導(dǎo)耳機(jī)，聽(tīng)力零級(jí)稱(chēng)為基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí)（reference equivalent threshold sound pressure level，RETSPL），即該頻率的聽(tīng)力零級(jí)（0 dB HL）相當(dāng)于多少dB SPL。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 4854.1-2004《聲學(xué)校準(zhǔn)測(cè)聽(tīng)設(shè)備的基準(zhǔn)零級(jí) 第1部分：壓耳式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí)》規(guī)定了聲耦合器和耳模擬器中的基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí)[4]。

3.5 結(jié)果存儲(chǔ)和驗(yàn)證

完成校準(zhǔn)過(guò)程后，應(yīng)將校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。左、右耳機(jī)的校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)。存儲(chǔ)后使聽(tīng)力計(jì)退出校準(zhǔn)狀態(tài)，仍然保持測(cè)量設(shè)備的連接，在工作狀態(tài)下逐頻率發(fā)送純音，對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核，以確保校準(zhǔn)數(shù)據(jù)已正確調(diào)整和儲(chǔ)存。

4 骨振器零級(jí)校準(zhǔn)

4.1 換能器與仿真乳突的耦合

去掉骨振器的頭繃，使其頂端的平圓頂接觸面與力耦合器緊密相貼，通過(guò)相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置對(duì)系統(tǒng)施加（5.4±0.5）N的靜態(tài)力，以使骨振器與力耦合器以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力阻抗耦合（圖6）。

圖6 校準(zhǔn)骨振器的設(shè)備連接方法

4.2 振動(dòng)力級(jí)的測(cè)量

力耦合器內(nèi)部的機(jī)電換能器可測(cè)量骨振器與力耦合器接觸面間的交變振動(dòng)力。

4.3 聽(tīng)力計(jì)的校準(zhǔn)狀態(tài)

按照聽(tīng)力計(jì)說(shuō)明書(shū)指示方法使聽(tīng)力計(jì)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)。進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)后選擇相應(yīng)換能器（骨振器）和信號(hào)（純音）。按下給聲持續(xù)鍵發(fā)送校準(zhǔn)音。

4.4 基準(zhǔn)等效閾力級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)值）

對(duì)于骨振器，聽(tīng)力零級(jí)稱(chēng)為基準(zhǔn)等效閾力級(jí)（reference equivalent threshold force level，RETFL）。與氣導(dǎo)耳機(jī)的校準(zhǔn)過(guò)程類(lèi)似，骨振器的零級(jí)校準(zhǔn)過(guò)程即是在聽(tīng)力計(jì)校準(zhǔn)狀態(tài)下逐頻率地測(cè)量骨振器的輸出，將機(jī)電換能器測(cè)得的力級(jí)讀數(shù)與聽(tīng)力計(jì)顯示的輸出力級(jí)之差和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基準(zhǔn)等效閾力級(jí)（即0 dB HL）相對(duì)照并作相應(yīng)的輸出調(diào)整，直至符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量不確定度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 4854.3-1998《聲學(xué)校準(zhǔn)測(cè)聽(tīng)設(shè)備的基準(zhǔn)零級(jí)第3部分：骨振器純音基準(zhǔn)等效閾力級(jí)》規(guī)定了仿真乳突上的基準(zhǔn)等效閾力級(jí)[5]。

4.5 結(jié)果存儲(chǔ)和驗(yàn)證

步驟同3.5。

[1]于黎明，陳洪文.醫(yī)用聲學(xué)計(jì)量測(cè)試實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006.30-109.

[2]韓東一，翟所強(qiáng)，韓維舉.臨床聽(tīng)力學(xué)[M].北京：中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社，2008.40-62.

[3]GB/T 7341.1，電聲學(xué) 測(cè)聽(tīng)設(shè)備 第1部分：純音聽(tīng)力計(jì)[S]. 2010.

[4]GBT 4854.1，聲學(xué) 校準(zhǔn)測(cè)聽(tīng)設(shè)備的基準(zhǔn)零級(jí)第1部分：壓耳式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級(jí)[S].2004.

[5]GBT 4854.3，聲學(xué) 校準(zhǔn)測(cè)聽(tīng)設(shè)備的基準(zhǔn)零級(jí)第3部分：骨振器純音基準(zhǔn)等效閾力級(jí)[S].1998.