固定式聲場(chǎng)測(cè)聽設(shè)備校準(zhǔn)方法

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著醫(yī)療事業(yè)的不斷發(fā)展，固定式聲場(chǎng)測(cè)聽設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱測(cè)聽設(shè)備）在北京、上海等地區(qū)的醫(yī)院和助聽器驗(yàn)配機(jī)構(gòu)得到了廣泛的使用，主要用于在各類聲場(chǎng)中進(jìn)行聽力測(cè)試。它的特點(diǎn)在于既可對(duì)各類人群進(jìn)行基本的聽力測(cè)量，也可對(duì)佩戴助聽器或人工耳蝸的聽力受損者及殘障人士進(jìn)行聲場(chǎng)測(cè)聽。測(cè)聽設(shè)備一般由信號(hào)源、功率放大器、信號(hào)級(jí)控制器和一個(gè)或多個(gè)固定放置在測(cè)聽室內(nèi)的揚(yáng)聲器等部分組成。由于測(cè)聽設(shè)備的聲場(chǎng)使用特性和信號(hào)特性，現(xiàn)有的規(guī)程及文獻(xiàn)所涉及的校準(zhǔn)方法對(duì)于其均不適用，JJG338-2012只涉及使用氣導(dǎo)耳機(jī)和骨導(dǎo)耳機(jī)的校準(zhǔn)[1]，JJF1581-2016[2]只涉及可移動(dòng)的手持式一體化設(shè)備的校準(zhǔn)[3]，冀飛的文章《聽閾測(cè)試用聲場(chǎng)的構(gòu)建和零級(jí)校準(zhǔn)》只涉及了聲場(chǎng)聽閾的零級(jí)校準(zhǔn)[4]。因此，本文分別介紹測(cè)聽設(shè)備的基本工作原理及其聲音信號(hào)的特點(diǎn)，再結(jié)合GB/T 4854.7-2008[5]和 GB/T16296.2-2016[6]對(duì)聲場(chǎng)測(cè)聽的具體要求，對(duì)不同的聲場(chǎng)類型和聲音信號(hào)類型給出相應(yīng)的校準(zhǔn)方法。

2 測(cè)聽設(shè)備的校準(zhǔn)方法

聽力測(cè)試，一般是在聲場(chǎng)內(nèi)發(fā)出特定的測(cè)試聲音信號(hào)，由身在其中的被試進(jìn)行感知和判斷，完成測(cè)試過程。故而，測(cè)聽設(shè)備的計(jì)量主要在于對(duì)不同類型聲場(chǎng)與其發(fā)出的測(cè)試聲音信號(hào)的聯(lián)動(dòng)校準(zhǔn)。表1給出了不同測(cè)聽室的聲場(chǎng)類型[7]以及不同聲場(chǎng)類型可選用的聲場(chǎng)測(cè)聽信號(hào)[6]。在自由場(chǎng)或者準(zhǔn)自由場(chǎng)中使用囀聲進(jìn)行自由場(chǎng)聲場(chǎng)測(cè)聽是目前使用最廣泛的聲場(chǎng)測(cè)聽方式，這里重點(diǎn)介紹進(jìn)行此類聲場(chǎng)測(cè)聽時(shí)的校準(zhǔn)方法，其他聲場(chǎng)測(cè)聽方式的校準(zhǔn)方法與此類似。

表1 聲場(chǎng)測(cè)聽信號(hào)與聲場(chǎng)類型的組合類型

2.1 囀聲的校準(zhǔn)

囀聲是頻率作正弦式調(diào)制的純音[4]，它的頻率圍繞某個(gè)中心頻率進(jìn)行周期性變化，使用囀聲可以有效避免在聲場(chǎng)中產(chǎn)生駐波。本文對(duì)囀聲的校準(zhǔn)從囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽的聲壓級(jí)誤差、諧波失真和級(jí)線性誤差三個(gè)方面進(jìn)行分析介紹。

2.1.1 囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽的聲壓級(jí)誤差

囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽的基準(zhǔn)聽閾聲壓級(jí)在GB/T 4854.7-2008中進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)于囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽的聲壓級(jí)誤差的校準(zhǔn)測(cè)量裝置如圖1所示，在測(cè)聽室（自由場(chǎng)或者準(zhǔn)自由場(chǎng)）內(nèi)進(jìn)行。測(cè)聽設(shè)備的信號(hào)源等部分放置在測(cè)聽室外，揚(yáng)聲器部分固定放置在測(cè)聽室內(nèi)，測(cè)量傳聲器放置在測(cè)聽室的參考點(diǎn)處，測(cè)量傳聲器與揚(yáng)聲器參考軸的夾角和受試者進(jìn)行聲場(chǎng)測(cè)聽時(shí)的聲音入射角度一致（即0°、45°或90°入射）。

囀聲輸出為穩(wěn)態(tài)信號(hào)，因此，可以通過10s的平均值來獲得囀聲輸出大小。以1kHz持續(xù)囀聲信號(hào)的校準(zhǔn)為例，聽力級(jí)輸出值設(shè)置為b，在聲分析儀上得到的1/3倍頻程分析圖如圖2所示，可以得到1kHz處的聲壓級(jí)輸出值Lf，根據(jù)式（1）計(jì)算囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽的聲壓級(jí)誤差。

圖1 測(cè)聽設(shè)備校準(zhǔn)的測(cè)量裝置

式中：δf——囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽的聲壓級(jí)誤差，dB；

b——校準(zhǔn)時(shí)測(cè)聽設(shè)備設(shè)置的聽力級(jí)，dB；

Lf——用聲分析儀測(cè)得的囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽的聲壓級(jí)，dB；

Lfrtspl——自由場(chǎng)測(cè)聽的基準(zhǔn)聽閾聲壓級(jí)，dB

圖2 1kHz囀聲信號(hào)的1/3倍頻程分析

2.1.2 囀聲諧波失真

囀聲作為一種頻率一直變化的測(cè)試信號(hào)，無法使用傳統(tǒng)的失真度儀進(jìn)行諧波失真校準(zhǔn)，因此，本文參考純音聽力計(jì)的校準(zhǔn)方法，采用了測(cè)量諧波電壓的校準(zhǔn)方法[1]。在測(cè)試頻率點(diǎn)囀聲輸出的聲壓級(jí)越大，其所引入的諧波失真越大，過大的諧波失真會(huì)引入其他頻率點(diǎn)的囀聲從而影響聲場(chǎng)測(cè)聽的準(zhǔn)確性。GB/T16296.2-2016中建議測(cè)聽設(shè)備在125Hz的諧波失真一般不大于5.0%，125Hz以上頻率點(diǎn)的諧波失真一般不大于3.0%，所以為保證聲場(chǎng)測(cè)聽的準(zhǔn)確性，應(yīng)找到每個(gè)頻率點(diǎn)可用于聲場(chǎng)測(cè)聽的最大聽力級(jí)設(shè)置。

諧波失真的測(cè)量裝置見圖1，為避免過高的聲壓級(jí)輸出（特別是低頻輸出）對(duì)測(cè)聽設(shè)備的揚(yáng)聲器帶來損壞，校準(zhǔn)應(yīng)從較低的聽力級(jí)設(shè)置值開始。本實(shí)驗(yàn)初始聽力級(jí)設(shè)置為50dB，逐次改變測(cè)聽設(shè)備輸出頻率，在聲分析儀上測(cè)出各次諧波電壓值，用式（2）計(jì)算各頻率的諧波失真d，逐檔增加測(cè)聽設(shè)備的輸出聽力級(jí)，記錄各頻率使得d滿足技術(shù)要求的最大聽力級(jí)檔位

式中：u2——二次諧波電壓值，mV；

u3——三次諧波電壓值，mV；

u4——四次諧波電壓值，mV；

u——總信號(hào)（含基波）電壓值，mV

2.1.3 囀聲聲壓級(jí)級(jí)線性誤差

因?yàn)楸辉囋跍y(cè)聽室內(nèi)會(huì)受到環(huán)境噪聲和測(cè)試信號(hào)諧波失真的影響，因此，需要通過校準(zhǔn)來明確測(cè)聽設(shè)備可用的聽力級(jí)范圍，并在該范圍內(nèi)校準(zhǔn)囀聲聲壓級(jí)級(jí)線性誤差。

校準(zhǔn)時(shí)，首先將測(cè)聽設(shè)備設(shè)置為不發(fā)聲，記錄在聲分析儀上顯示的環(huán)境噪聲。然后將測(cè)聽設(shè)備設(shè)置為持續(xù)發(fā)聲，聽力級(jí)設(shè)置諧波失真校準(zhǔn)時(shí)得到的最大聽力級(jí)檔位，采用標(biāo)稱步進(jìn)值向下逐檔降低測(cè)聽設(shè)備聽力級(jí)輸出值，記錄在每一輸出檔位上聲分析儀顯示的三分之一倍頻帶聲壓級(jí)，然后計(jì)算相鄰檔位的衰減值，最后計(jì)算標(biāo)稱步進(jìn)值與衰減值之差。聲分析儀輸出聲壓級(jí)的信噪比小于10dB的檔位不予校準(zhǔn)，但予以記錄，最大允許誤差一般不超過步進(jìn)值的 ±3/10dB 或 ±2.0dB（兩者取其較小者），從而可以確定最小聽力級(jí)檔位。應(yīng)在1kHz頻率點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2 其他類型聲音信號(hào)的校準(zhǔn)

測(cè)聽設(shè)備除了發(fā)出囀聲信號(hào)之外還會(huì)發(fā)出純音和窄帶噪聲，其校準(zhǔn)與囀聲類似。其中純音只能在自由場(chǎng)中使用，而窄帶噪聲只能在混響室（擴(kuò)散場(chǎng)）中使用。進(jìn)行窄帶噪聲擴(kuò)散場(chǎng)測(cè)聽的聲壓級(jí)誤差的校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)使用擴(kuò)散場(chǎng)測(cè)聽的基準(zhǔn)等效聲壓級(jí)作為標(biāo)準(zhǔn)值。

3 測(cè)聽設(shè)備的校準(zhǔn)實(shí)例

如圖3和圖4所示，本文以GNOTOMETRICS A/S公司MADSEN品牌固定式聲場(chǎng)測(cè)聽設(shè)備（Astera型聽力計(jì)外接揚(yáng)聲器）為測(cè)試樣品，在準(zhǔn)自由場(chǎng)條件下的測(cè)聽室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試信號(hào)為囀聲，采集設(shè)備為丹麥B&K公司3160型多通道聲分析儀和4190型工作標(biāo)準(zhǔn)傳聲器，級(jí)線性校準(zhǔn)時(shí)采用1kHz信號(hào)，采用本文的校準(zhǔn)方法，得到的校準(zhǔn)結(jié)果如表2、表3和表4所示。從測(cè)量結(jié)果可以看出，不同頻率點(diǎn)能使用的最大聽力級(jí)不同，125Hz的諧波失真較大，1kHz頻率下滿足要求的聽力級(jí)范圍為20～105dB。

圖3 測(cè)聽設(shè)備校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)（測(cè)聽室內(nèi)）

圖4 測(cè)聽設(shè)備校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)（測(cè)聽室外）

表2 測(cè)聽設(shè)備校準(zhǔn)結(jié)果

表3 測(cè)聽設(shè)備不同聽力級(jí)檔的自由場(chǎng)測(cè)聽聲壓級(jí)(1kHz)

表4 測(cè)聽設(shè)備級(jí)線性校準(zhǔn)結(jié)果(1kHz)

4 結(jié)語

本文介紹了測(cè)聽設(shè)備的應(yīng)用范圍和工作原理，重點(diǎn)分析了此類設(shè)備所使用的聲音信號(hào)及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上給出了切實(shí)可行的校準(zhǔn)方法，最后給出了一個(gè)校準(zhǔn)實(shí)例。通過本文的分析，一方面為測(cè)聽設(shè)備的校準(zhǔn)提供了新的方法，填補(bǔ)了該方面的空白，另一方面也為測(cè)聽設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和使用提供了更為全面的評(píng)價(jià)參數(shù)。