聽閾測試用聲場的構(gòu)建和零級校準(zhǔn)

冀飛

聽力學(xué)測試多為通過記錄聲刺激所引出的反應(yīng)評估聽覺系統(tǒng)的功能。為確保各種聽力學(xué)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須對聽力學(xué)診療、康復(fù)、研究所用的測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)（calibration）。校準(zhǔn)是指，在規(guī)定條件下，確定測量儀器或測量系統(tǒng)所指示的量值與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量值之間關(guān)系的一組操作。聽力學(xué)測試設(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。聽力零級的校準(zhǔn)是測聽設(shè)備校準(zhǔn)最主要的內(nèi)容。在聽力測試中經(jīng)常會(huì)選用揚(yáng)聲器作為換能器，在聲場環(huán)境下測試患者雙耳聆聽由一只或多只揚(yáng)聲器發(fā)出的聲信號時(shí)的聽閾[1,2]。聲場測聽中同樣存在零級校準(zhǔn)的問題。

1 聲場的構(gòu)建

1.1 聲場的類型

用于聲場測聽的環(huán)境有很大變化。ISO標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了下列三種類型的聲場，用戶需考慮決定哪種聲場更適用[3]。

1.1.1 自由聲場 自由聲場應(yīng)滿足以下要求：①揚(yáng)聲器應(yīng)位于坐姿受試者頭部的高度，參考軸徑直穿過參考點(diǎn)。參考點(diǎn)與揚(yáng)聲器之間的距離應(yīng)至少為1 m；②當(dāng)受試者及其座椅不在時(shí)，在偏離參考點(diǎn)軸線左右及上下各0.15 m處，揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲壓級與其在參考點(diǎn)的聲壓級之差，對小于等于4000 Hz的任意測試頻率，應(yīng)不超過±1 dB，4000 Hz以上的任意測試信號，應(yīng)不超過±2 dB。參考點(diǎn)軸線左右各0.15 m的兩位置聲壓級之差，對4000 Hz以上的任何頻率應(yīng)不超過3 dB。③當(dāng)受試者及其座椅不在時(shí)，在參考軸上，距離參考點(diǎn)前、后各0.15 m處，與揚(yáng)聲器在參考點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓級之差值，與聲壓距離反比定律理論值的偏差，對任意測試信號應(yīng)不超過±1 dB。

自由聲場的要求只有在隔聲室內(nèi)才能滿足，因此不適用于臨床上的聲場測聽。

1.1.2 擴(kuò)散聲場 擴(kuò)散聲場應(yīng)滿足以下要求：①當(dāng)受試者及其座椅不在時(shí)，用全向性傳聲器測量，對任意測試信號在偏離參考點(diǎn)軸線前、后、左、右、上、下0.15 cm各位置，與參考點(diǎn)聲壓級的偏差均不應(yīng)超過±2.5 dB。參考點(diǎn)軸線左右各0.15 m兩位置聲壓級之差，應(yīng)不超過3 dB。②在500 Hz及其以上頻率，對規(guī)定的最大和最小兩個(gè)測量方向，在參考點(diǎn)的聲壓級偏差應(yīng)在5 dB以內(nèi)。

1.1.3 準(zhǔn)自由聲場 準(zhǔn)自由聲場應(yīng)滿足以下要求：①揚(yáng)聲器應(yīng)位于受試者坐姿頭部的高度，參考軸徑直穿過參考點(diǎn)。參考點(diǎn)與揚(yáng)聲器的參考點(diǎn)之間的距離應(yīng)至少為1 m。②當(dāng)受試者及其座椅不在時(shí)，且所有其他正常工作條件保持不變，在偏離參考點(diǎn)軸線左右及上下各0.15 m處位置，揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲壓級與其在參考點(diǎn)處的聲壓級之差，對任意測試信號應(yīng)不超過±2 dB。③當(dāng)受試者及其座椅不在時(shí)，在參考軸上距離參考點(diǎn)前、后各0.10 m處，任意測試信號，揚(yáng)聲器在參考點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓級與聲壓距離反比定律理論值的偏差，應(yīng)不超過±1 dB。

事實(shí)上，實(shí)際測試環(huán)境往往難以從理論上滿足三種類型中的任意一種。從有利于實(shí)踐的角度出發(fā)，大多實(shí)際測試環(huán)境更加接近擴(kuò)散場的標(biāo)準(zhǔn)，因此在聲場零級校準(zhǔn)中往往采用擴(kuò)散場的零級。

1.2 聲場的最大允許環(huán)境聲壓級

聲場測聽是在測試室內(nèi)使用雙耳聆聽由揚(yáng)聲器發(fā)出的測聽聲信號。其基準(zhǔn)聽閾聲壓級比耳機(jī)的基準(zhǔn)等效閾聲壓級低。因此，對聲場內(nèi)環(huán)境噪聲的要求比純音測聽隔聲室的最大允許環(huán)境聲壓級低。國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 4854.7-2008聲學(xué)校準(zhǔn)測聽設(shè)備的基準(zhǔn)零級第7部分：自由場與擴(kuò)散場測聽的基準(zhǔn)聽閾》規(guī)定了聲場測聽允許的最大環(huán)境噪聲級[3]。測試室內(nèi)的環(huán)境聲壓級，應(yīng)符合表1中所給數(shù)值的要求。該表所列數(shù)據(jù)所測最低聽閾為0 dB HL，由于環(huán)境噪聲引起的最大誤差為+2 dB。非專業(yè)實(shí)驗(yàn)室或者進(jìn)行耳科正常人測試的聲場，可以適當(dāng)放寬對聲場最大允許環(huán)境噪聲的要求。

1.3 參考點(diǎn)

參考測試點(diǎn)又稱參考點(diǎn)，是聲場空間中的一個(gè)虛擬點(diǎn)，是指受試者在聲場中受試的位置，兩耳道口連接直線的中點(diǎn)。為便于實(shí)施測聽，參考點(diǎn)通常選定在聲場的幾何中央位置，但必須符合相應(yīng)聲場類型的聲學(xué)特性，須經(jīng)過測試確定。

參考點(diǎn)通常與受試者坐姿耳部位置、揚(yáng)聲器喇叭中心點(diǎn)等高，且揚(yáng)聲器中心點(diǎn)沿參考軸方向與參考點(diǎn)的距離不少于1 m。無論采用何種入射角度，揚(yáng)聲器的參考軸均應(yīng)直穿參考點(diǎn)。在校準(zhǔn)聲場時(shí)，傳聲器務(wù)需位于參考點(diǎn)上。

表1 聲場測聽的最大環(huán)境噪聲級Lmax，1/3倍頻程帶

1.4 入射角

入射角是指揚(yáng)聲器矢狀參考軸面與受試者矢狀面的夾角。根據(jù)信號入射方向，主要有0°、90°、45°等3種入射方式（圖1）。對不同入射角，自由聲場的基準(zhǔn)聽閾聲壓級略有差別，需通過入射角修正值進(jìn)行修正。擴(kuò)散場的基準(zhǔn)聽閾聲壓級受入射角影響很小。

圖1 聲場測聽入射角示意圖

2 零級校準(zhǔn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

與聽力學(xué)有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)是由國際標(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。與聽力學(xué)有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)是由全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)和全國電聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)制定。這兩個(gè)組織都是ISO和IEC的成員，負(fù)責(zé)對國際標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化和國家標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂。全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO公布的ISO 389系列標(biāo)準(zhǔn)，形成了關(guān)于校準(zhǔn)測聽設(shè)備基準(zhǔn)零級的系列標(biāo)準(zhǔn)，包括:①GB/T4854.1-2004壓耳式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級；②GB/T16402-1996插入式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級；③GB/T4854.3-1998骨振器純音基準(zhǔn)等效閾力級；④GB/T4854.4-1999窄帶掩蔽噪聲的基準(zhǔn)級；⑤GB/T4854.5-2008 8 kHz～16 kHz 頻率范圍純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級；⑥GB/T4854.6-2014短時(shí)程測試信號的基準(zhǔn)等效閾聲壓級；⑦GB/T4854.7-2008自由場與擴(kuò)散場測聽的基準(zhǔn)聽閾；⑧GB/T4854.8-2007耳罩式耳機(jī)純音基準(zhǔn)等效閾聲壓級[4]。

其中國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T4854.7-2008聲學(xué)校準(zhǔn)測聽設(shè)備的基準(zhǔn)零級第7部分：自由場與擴(kuò)散場測聽的基準(zhǔn)聽閾》規(guī)定了聲場測聽的基準(zhǔn)聽閾，如表2所示。

表2 聲場測聽的基準(zhǔn)聽閾

3 聲場校準(zhǔn)設(shè)備

3.1 傳聲器

傳聲器（microphone）也叫麥克風(fēng)，是將聲信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號的聲電換能器。根據(jù)換能原理不同，傳聲器有動(dòng)圈、電容、壓電等多種類型。相對而言，電容傳聲器靈敏度高、性能穩(wěn)定、頻響曲線平滑、動(dòng)態(tài)范圍大，因此在測量中使用較多。此外，根據(jù)傳聲器本身對于聲場的影響，傳聲器還可分為壓力場型（也稱聲壓型）傳聲器和自由場型（也稱聲場型）傳聲器。壓力場型傳聲器適用于測量封閉耦合腔的聲壓級，此時(shí)傳聲器構(gòu)成壁面的一部分，測量得到的是壁面自身上的聲壓級，因此常用于耳機(jī)的輸出測量。自由場型傳聲器所測得聲壓是消除了傳聲器對聲場影響后的聲壓，其自由場靈敏度平直，具有平坦的頻率響應(yīng)，適用于聲場下的校準(zhǔn)測量。通常，壓力場型傳聲器的型號尾號為偶數(shù)，自由場型傳聲器的型號尾數(shù)為奇數(shù)。在校準(zhǔn)測量過程中，傳聲器的安裝和摘取務(wù)必在聲級計(jì)關(guān)機(jī)的情況下進(jìn)行。

3.2 聲級計(jì)

聲級計(jì)是測量聲壓級的工具，可集成傳聲器、信號處理器和具有規(guī)定動(dòng)態(tài)特性的顯示器。信號處理器包括規(guī)定的且可控制頻率響應(yīng)的放大器、衰減器、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間積分器或時(shí)間平均器[5]。

聲級計(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)：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)：A計(jì)權(quán)、C計(jì)權(quán)、線性計(jì)權(quán)（也稱Z計(jì)權(quán)）和全通。

主要測量參數(shù)包括：①聲壓級（SPL）；②等效連續(xù)聲壓級（leq）；③聲暴露級（SEQ）；④測量期間最大聲壓級（max）；⑤測量期間最小聲壓級（min）。

4 聲場零級的校準(zhǔn)過程

4.1 傳聲器選擇

聲場零級校準(zhǔn)測量應(yīng)使用自由場型傳聲器。自由場型傳聲器所測得聲壓是消除了傳聲器對聲場影響后的聲壓，其自由場靈敏度平直，具有平坦頻率響應(yīng)，適用于聲場下的校準(zhǔn)測量。

4.2 校準(zhǔn)信號選擇

測試聲場應(yīng)與測聽時(shí)用的信號相同。使用純音時(shí)，會(huì)遇到駐波問題。為克服這一問題，要求施以可減少駐波效應(yīng)的非相干信號，臨床上通常使用窄帶噪聲或者囀音進(jìn)行測試和校準(zhǔn)[6]。

測試信號級通常選定60 dB HL或70 dB HL，因這一信號級適中，避免了加/減校準(zhǔn)因子后出現(xiàn)信號級過高或過低的情況，且受本底噪聲影響很小。

4.3 聲級計(jì)的設(shè)置

使用聲級計(jì)設(shè)置為以RMS方式檢波、線性頻率計(jì)權(quán)、慢檔時(shí)間計(jì)權(quán)，測量結(jié)果以聲壓級（SPL）表示。

4.4 聽力計(jì)的校準(zhǔn)狀態(tài)

使聽力計(jì)進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)。在校準(zhǔn)狀態(tài)下選擇測試信號為囀音（或窄帶噪聲），輸出換能器設(shè)置為揚(yáng)聲器，選擇校準(zhǔn)側(cè)別及該側(cè)入射角。按下給聲持續(xù)鍵發(fā)送校準(zhǔn)音。

4.5 參照標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行零級校準(zhǔn)

聲場下純音測聽的零級校準(zhǔn)過程即是在聽力計(jì)校準(zhǔn)狀態(tài)下使用聲級計(jì)在參考點(diǎn)逐頻率地測量揚(yáng)聲器的輸出聲壓級，將聲級計(jì)讀數(shù)與聽力計(jì)顯示的輸出聽力級之差和國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 4854.7-2008聲學(xué)校準(zhǔn)測聽設(shè)備的基準(zhǔn)零級第7部分：自由場與擴(kuò)散場測聽的基準(zhǔn)聽閾》規(guī)定的基準(zhǔn)等效閾聲壓級（即0 dB HL）相對照，如果有較大差別，則進(jìn)行相應(yīng)的輸出調(diào)整，直至符合國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在校準(zhǔn)過程中切換頻率時(shí)，應(yīng)注意使聲級計(jì)濾波器的頻率與聽力計(jì)頻率同步。

所測量的頻率采用優(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。

4.6 結(jié)果存儲(chǔ)和驗(yàn)證

完成校準(zhǔn)過程后，應(yīng)將校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。左、右揚(yáng)聲器的校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)。存儲(chǔ)后使聽力計(jì)退出校準(zhǔn)狀態(tài)，仍然保持測量設(shè)備的連接，在工作狀態(tài)下逐頻率發(fā)送純音，對照國家標(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。

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

[2]陳洪文，于黎明.聽力計(jì)檢查和聲場校準(zhǔn)[J].中華耳科學(xué)雜志,2003,1(4):63-67.

[3]GB/T4854.7-2008.聲學(xué)校準(zhǔn)測聽設(shè)備的基準(zhǔn)零級.第7部分：自由場與擴(kuò)散場測聽的基準(zhǔn)聽閾[S].

[4]陳洪文，武文明，于黎明.與聽力學(xué)有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)[J].中華耳科學(xué)雜志,2003,1(1):76-78.

[5]GB/T 3785.1-2010，電聲學(xué)聲級計(jì)第1部分：規(guī)范[S].

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