仿真耳的高頻校準(zhǔn)

許歡，白瀅，牛鋒，何龍標(biāo)，鐘波

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仿真耳的高頻校準(zhǔn)

許歡，白瀅，牛鋒，何龍標(biāo)，鐘波

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100013)

仿真耳是聽力計量的主要儀器之一，為滿足聽力計在8~16 kHz高頻范圍內(nèi)的計量需求，須對仿真耳進(jìn)行高頻校準(zhǔn)。通過適配器的使用，解決了仿真耳高頻校準(zhǔn)中存在的測量結(jié)果不穩(wěn)定的問題。同時，針對仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級和仿真耳聲耦合腔聲學(xué)特性這兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)，建立了8~16 kHz頻率范圍內(nèi)的自動測量系統(tǒng)，對其進(jìn)行測量。測量結(jié)果表明聲壓靈敏度級的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2 dB，表征耦合腔聲學(xué)特性的頻響測量標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.3 dB。

仿真耳；高頻校準(zhǔn)；純音聽力計

0 引言

聽力測量是研究聽力損失、聽閾和聽力測量方法的科學(xué)技術(shù)。人耳聽力狀況一般是用聽力計[1,2]進(jìn)行測量。聽力計是用于測定個體對各種頻率感受性大小的儀器，通過與正常聽覺閾值相比，可以確定被試的聽力損失情況。按傳播方式分為氣導(dǎo)和骨導(dǎo)兩種聽力計，對應(yīng)為純音聽力計和阻抗聽力計。在聽力計的檢定過程中，最常用的耳模擬器是仿真耳和仿真乳突。仿真耳用于檢定使用氣導(dǎo)耳機(jī)的純音聽力計，仿真乳突用于檢定使用骨導(dǎo)耳機(jī)的阻抗聽力計。因此，為了對聽力計進(jìn)行檢定或者校準(zhǔn)，須解決標(biāo)準(zhǔn)仿真耳[3]和標(biāo)準(zhǔn)仿真乳突[4]的計量問題。已有的仿真耳和仿真乳突的聲學(xué)特性測量和研究[5-9]，主要集中在125 Hz~8 kHz的常用測聽范圍。近年來，高頻聽力損傷問題日益突出，測聽設(shè)備高頻段的技術(shù)指標(biāo)也顯得尤為重要。ISO和IEC等也相應(yīng)出臺了關(guān)于把測聽設(shè)備頻率范圍從8 kHz延伸到16 kHz的標(biāo)準(zhǔn)[10-12]。

為滿足當(dāng)前聽力計量的高頻校準(zhǔn)需要，需要對仿真耳和仿真乳突進(jìn)行高頻擴(kuò)展。在高頻段，中國計量科學(xué)研究院現(xiàn)有的測量裝置存在測量結(jié)果不穩(wěn)定、重復(fù)性較差的問題。本文通過使用高頻擴(kuò)展配件解決了其穩(wěn)定性和重復(fù)性差的問題。同時，搭建了自動測量系統(tǒng)對其兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)：聲耦合腔聲學(xué)特性和傳聲器聲壓靈敏度級進(jìn)行測量。測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.3 dB和0.2 dB。

1 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

仿真耳是模擬人耳物理特性的裝置，包括一個傳聲器和一個結(jié)構(gòu)接近于人外耳聲學(xué)特性的聲網(wǎng)絡(luò)。它用于代替人耳感知聲音信號，從而對聽力設(shè)備的性能做出客觀評價。根據(jù)仿真耳的不同用途，仿真耳劃分為五類：用于測聽耳機(jī)校準(zhǔn)的簡便式仿真耳、電話耳機(jī)用仿真耳、測聽耳機(jī)和其他寬頻帶耳機(jī)用仿真耳、助聽器等耳塞機(jī)用仿真耳、完全模擬人耳特性的實(shí)驗(yàn)室用仿真耳。

本文使用的是符合IEC60318-1規(guī)定的仿真耳，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真耳由三個聲耦合腔組成，體積分別為1、2、3。主級腔為錐形，且底面裝有傳聲器，兩個次級腔耦合到主級腔。這三個聲耦合腔的尺寸如圖1所示。

在現(xiàn)有校準(zhǔn)裝置中，將耳機(jī)直接放置在仿真耳上，在高頻段校準(zhǔn)聽力計時，由于耳機(jī)與仿真耳耦合狀態(tài)的差異，使得測量結(jié)果存在不穩(wěn)定、重復(fù)性較差的問題。由于高頻聲信號的波長較短，與仿真耳耦合腔尺寸可比，所以氣導(dǎo)耳機(jī)和仿真耳間的耦合位置稍有偏移，傳聲器測量的聲壓級會存在較大偏差。因此，需要固定耳機(jī)位置，本文使用適配器和錐形環(huán)對仿真耳的聲耦合腔進(jìn)行高頻擴(kuò)展。綜合考慮固定耳機(jī)、減少耳機(jī)和仿真耳間耦合產(chǎn)生的聲泄漏，適配器和錐形環(huán)的尺寸規(guī)格如圖2和圖3所示，其尺寸誤差不超過±0.3 mm，角度誤差不超過±2°。將適配器、錐形環(huán)按圖4所示的順序擺放：適配器置于仿真耳上方，錐形環(huán)置于適配器上方，耳機(jī)對稱的放在錐形環(huán)上。通過該裝置可實(shí)現(xiàn)仿真耳在8~16 kHz高頻段的校準(zhǔn)。同時，適配器的存在增加了仿真耳的聲阻抗，這也符合人耳對高頻信號感知能力較弱這一規(guī)律。

在自由場條件下，傳聲器的保護(hù)柵由于其散射作用會影響其頻率響應(yīng)。雖然在仿真耳腔體內(nèi)可近似等效為壓力場條件，但在高頻條件下，波長較短，保護(hù)柵對傳聲器測量結(jié)果影響較為復(fù)雜。因此在仿真耳的校準(zhǔn)或應(yīng)用中，需要取掉傳聲器的保護(hù)柵并裝上適配環(huán)。

仿真耳測量的主要技術(shù)指標(biāo)包括兩項(xiàng)，一是仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級測量，二是仿真耳聲耦合腔聲學(xué)特性測量。在利用適配器解決其重復(fù)性和穩(wěn)定性差的問題后，建立了自動測量系統(tǒng)，對這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量，并評估其標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.1 聲耦合腔聲學(xué)特性測量

聲耦合腔聲學(xué)特性測量裝置如圖5所示，將高阻抗標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)作為聲源正向耦合于仿真耳上，并在耳機(jī)上作用(4.5±0.5) N的靜態(tài)力，避免耳機(jī)耦合狀態(tài)不佳產(chǎn)生聲泄露。計算機(jī)控制信號發(fā)生器產(chǎn)生50 Hz~16 kHz的正弦信號，輸出至互易校準(zhǔn)儀(提供200 V直流極化電壓，同時給交流信號提供6 dB增益)，進(jìn)而激勵高阻抗標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)，使其產(chǎn)生聲信號。仿真耳中的標(biāo)準(zhǔn)傳聲器將接收到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過前置放大器將信號送至測量放大器，測量放大器與計算機(jī)通過GPIB接口連接，采集不同頻率下的信號，最終得到仿真耳在標(biāo)準(zhǔn)阻抗耳機(jī)作為聲源作用時的頻率響應(yīng)曲線。

1.2 傳聲器聲壓靈敏度級測量

用耦合腔比較法[13]測量仿真耳中傳聲器的聲壓靈敏度級。仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級測量裝置如圖6所示，將經(jīng)過耦合腔互易法校準(zhǔn)[14]的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(參考傳聲器)與仿真耳中的傳聲器(被測傳聲器)同時或順時暴露于相同聲場中，它們的靈敏度之比由兩者的開路電壓之比給出。參考傳聲器的聲壓靈敏度已由耦合腔互易法測得。用公式(1)[13]就可算出被測傳聲器的靈敏度。

式中：為被測傳聲器的聲壓靈敏度，mV/Pa；為參考傳聲器的聲壓靈敏度，mV/Pa；為被測傳聲器與參考傳聲器的輸出之比；為作用在被測傳聲器與參考傳聲器上的有效聲壓之比。

為了消去兩個通道增益的所有差別(包括其它系統(tǒng)影響)，減小測量誤差，被測或參考傳聲器的輸出測量可通過在兩個測量通道之間交換傳聲器并重復(fù)進(jìn)行測量。

當(dāng)兩個傳聲器的膜片面對面相互緊密接近，在兩個測量通道上測量它們的輸出，并讀出兩個通道之差[13]，用級表示：

公式(2)中假定傳聲器的靈敏度不相同，但其它機(jī)械和電性能相同。傳聲器交換后，讀出的兩通道之差[13]為：

用式(2)減去式(3)，兩傳聲器的靈敏度級之差為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 聲耦合腔聲學(xué)特性測量結(jié)果

對 4153型仿真耳耦合腔進(jìn)行10次測量，測出仿真耳聲耦合腔的頻率響應(yīng)(參考頻率1 kHz)。計算出10次測量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表1。由表1可知，在8~16 kHz高頻范圍內(nèi)，其頻率響應(yīng)測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值出現(xiàn)在16 kHz處，為0.29 dB，說明適配器和錐形環(huán)的引入能夠控制其測量重復(fù)性。

表1 聲耦合腔聲學(xué)特性

2.2 傳聲器聲壓靈敏度級測量結(jié)果

測量10次被測傳聲器與參考傳聲器的聲壓靈敏度級差值，加上實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的已知聲壓靈敏度級，即為仿真耳中傳聲器的聲壓靈敏度級(見表2)，標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值為0.14 dB。

表2 傳聲器聲壓靈敏度級

3 結(jié)論

本文參考IEC 60318-1和IEC 60645-4的技術(shù)要求，對仿真耳的校準(zhǔn)進(jìn)行高頻擴(kuò)展。采用適配器和錐形環(huán)約束高阻抗耳機(jī)的聲耦合位置和狀態(tài)，使測量結(jié)果穩(wěn)定、具有重復(fù)性，同時適配器引入的額外體積，改變了仿真耳聲耦合腔的聲阻抗特性，使之更符合人耳的高頻特性；同時為避免傳聲器保護(hù)柵對聲場的影響，用適配環(huán)代替保護(hù)柵。

為了驗(yàn)證仿真耳高頻校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性，對仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級和仿真耳聲耦合腔聲學(xué)特性進(jìn)行測量，測量結(jié)果表明其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.2 dB和0.3 dB。仿真耳高頻校準(zhǔn)能力的擴(kuò)展，可用于純音聽力計的高頻段校準(zhǔn)，提高高頻聽力損傷的診斷能力。

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Calibration of artificial ear in the high-frequency range

XU Huan, BAI Ying, NIU Feng, HE Long-biao, ZHONG Bo

(National Institute of Metrology, Beijing 100013, China)

Artificial ear is the main measurement instrument for audiometry. To satisfy the demand for the value traceability of audiometers in a high-frequency range of 8~16 kHz, It is necessary to calibrate the artificial ear in the corresponding frequency range. Here, the utilization of adaptors provides an effective solution to the problem of instability existing in the high-frequency calibration.Furthermore, anautomatic calibration system is developed for the artificial ear system to measure both the sound pressure sensitivity levels of the microphone and the acoustic characteristic of the coupler in the range between 8~16 kHz. The experimental results show that the standard deviations measured for these two parameters are lower than 0.3 dB and 0.2 dB, respectively.

artificial ear; high-frequency calibration; pure-tone audiometer

TB533

A

1000-3630(2015)-01-0054-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.011

2013-09-29;

2014-01-04

許歡(1984－), 女, 北京人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槁晫W(xué)計量。

許歡, E-mail: xuhuan@nim.ac.cn