利用虛擬教學聽力計測量人耳聽閾曲線

冀 敏，姚紅英，蘇衛(wèi)鋒

(復旦大學 物理系，上海 200433)

利用虛擬教學聽力計測量人耳聽閾曲線

冀 敏，姚紅英，蘇衛(wèi)鋒

(復旦大學 物理系，上海 200433)

為檢驗虛擬教學聽力計的性能及測試效果,利用示波器測量了各純音信號的頻率和電壓峰峰值，通過耳機測試聽閾曲線表明：各純音信號頻率的相對誤差小于0.3%，界面顯示的分貝值與計算得出測試點純音分貝值的相對誤差小于5%，被測試者的聽閾曲線與參考曲線基本一致. 由此可知：所用虛擬教學聽力計與實際聽力計性能基本相同.

聽閾曲線;Adobe Audition 3.0;虛擬聽力計;純音；頻率

在針對醫(yī)學生的醫(yī)學物理實驗教學中，聽覺聽閾實驗有著重要的教學和臨床意義，不僅加深了學生對聲學知識的理解，還使學生對聽覺物理和聽覺功能診斷有了一定的掌握. 跨入21世紀之后，國內(nèi)高校相繼對醫(yī)學生開設(shè)了聽覺聽閾測量實驗，且有較好的實驗效果，但普遍就以下問題：儀器少學生多，缺少教學預習環(huán)節(jié)，常常因?qū)円舻淖R別不足，導致實驗時間過長引起耳朵不適. 為解決學生預習及相關(guān)問題，有兄弟院校曾嘗試編寫聽力軟件，例如利用Cool Edit軟件產(chǎn)生音頻信號進行聽閾曲線測量[1]等. 我們先后組織編寫了3款虛擬聽力軟件，但是這些軟件是否達到與真實儀器相同的測試效果、其性能指標是否合乎教學實驗要求，還需要通過實驗進行檢驗. 作者曾經(jīng)采用儀器和實驗模擬，對不同虛擬聽力測試軟件進行過檢驗，其中不乏與真實儀器媲美的實驗效果. 以下介紹我校曾用于實驗預習的聽力測試軟件Adobe Audition 3.0的檢測和實驗結(jié)果.

1 實驗原理

1.1 人耳生理結(jié)構(gòu)

人耳器官由外耳、中耳、內(nèi)耳組成. 聲波在外耳以氣體傳導，外耳會對一定頻率的聲音產(chǎn)生較明顯的共振，使得聲強得到增益. 外耳道內(nèi)端的盡頭就是鼓膜，聲振動在此從氣體傳入固體. 中耳是一個不規(guī)則的腔體，稱為鼓室. 聲波在中耳是以固體傳導，通過3根聽小滑使聲壓增大，以利于聲波在內(nèi)耳的液體傳導.

1.2 聲強與聲強級

能夠在聽覺器官引起聲音感覺的機械波稱為聲波，其頻率范圍為20 Hz～20 kHz. 描述聲波能量的大小常用聲強和聲強級2個物理量. 聲強是單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量，用符號I表示，其單位為W/m2. 而聲強級是聲強的對數(shù)標度，它是根據(jù)人耳對聲音強弱變化的分辨能力來定義的，用符號L表示，其單位為dB，L與I的關(guān)系為

(1)

式中，I0為基準聲強[2]，其頻率為1 kHz,聲強為1012W/m2.

1.3 純音

在聲學中，純音指聲壓的時間波形為正弦函數(shù)的聲音. 純音的主要參量為頻率、聲強級，可用示波器測量純音信號頻率以及比對虛擬聽力計與標準信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦同頻率波形(也可通過頻譜分析判斷純音質(zhì)量)；用示波器測量純音信號電壓峰峰值，相對分貝值為

(2)

式中,U0為1 kHz聲音聽閾對應(yīng)的電壓峰峰值.

1.4 聽閾曲線

人耳所能聽到的最小聲強值或聲強級值稱為聽閾，人耳對不同頻率的聲音的聽閾不同. 聽閾與頻率的關(guān)系曲線即聽閾曲線. 不同頻率的聲音與1 kHz的標準聲音等響時(聲音的響度級等于1 kHz聲音的聲強級)，其聲強級與頻率的關(guān)系曲線稱為等響曲線. 聽閾曲線是響度級為0昉(phon)的等響曲線[3].

1.5 虛擬教學聽力計軟件描述

該軟件由Adobe Audition 3.0生成不同頻率、強度漸變的單聲道純音. 信號頻率從100 Hz至17 kHz幾何級數(shù)變化，信號聲強級從0 dB變化至-80 dB(此處的0 dB為軟件默認，不是標準0 dB，并且隨聲卡音量的變化而變化).

軟件編排順序為：播放音頻—音頻從無到有播放—聽者聽到聲音時給出信號—軟件記錄時間并轉(zhuǎn)換成聲強級值. 其主要功能：1)根據(jù)精度要求，自主選擇所要測量的頻率取值范圍及頻率變化幅度；2)實驗者可以重復測量不同頻率的聽閾值；3)根據(jù)聲強級與時間成對數(shù)關(guān)系，軟件自動記錄并換算被測者的聽閾值，測量結(jié)束后直接導出記載數(shù)據(jù)的Excel文件.

2 實驗儀器及對象

實驗所需的實驗儀器為：自制虛擬教學聽力計、XJ4318示波器、信號發(fā)生器、臺式電腦和sumsungEP380型耳機. 利用虛擬教學聽力計對8名20歲左右男女青年和1名59歲女教師進行聽閾檢測，被測耳朵統(tǒng)一為左耳.

3 實驗步驟

3.1 安裝虛擬教學聽力計軟件

點擊軟件圖標可見電腦熒光屏顯示虛擬聽力計操作界面，如圖1所示.

圖1 虛擬教學聽力計軟件界面

利用EasyVol軟件[2]調(diào)節(jié)主機聲卡分貝值，使得軟件自帶頻率為1 kHz的音頻和3～4 kHz的音頻的強度從無到有變化，記錄EasyVol的參量值，并且保持之后的這一組數(shù)值不變化.

3.2 虛擬教學聽力計輸出純音檢測

把導線一端接電腦耳機插孔,另一端接示波器,觀察和測量0.1～10 kHz按倍頻遞增的純音信號的波形和頻率；測量1 kHz純音在界面上分別顯示-70,-60,-50,-40,-30,-20 dB時的電壓峰峰值，并用(2)式檢驗. 需要說明的是，該軟件系統(tǒng)將-60 dB作為1 kHz純音的聽閾值，式中U0此時應(yīng)為-60 dB的1 kHz純音信號的電壓峰峰值.

3.3 用虛擬教學聽力計測量聽閾曲線

1)帶上專用耳機，點擊試聽按鈕，試聽各個頻率音頻，確認被測的耳朵為左耳.

2)圖1中選擇測量精度(粗略測量、一般測量、精細測量分別為10,16,30個數(shù)據(jù)點).

3)正式開始測量，每個音頻測量3次，音頻響度從無到有，被測者在突然聽見信號的瞬間點“停止”按鈕，軟件記錄數(shù)據(jù). 測量過程中點“試聽”按鈕可試聽不同頻率對應(yīng)的音頻，點“當前頻率重測”按鈕可重測這一頻率對應(yīng)的3個數(shù)據(jù)點，點“上個音頻重測”按鈕可重測之前測完的數(shù)據(jù)點.

4)完成測量后，被測者輸入個人信息(姓名和年齡)，軟件記錄信息并輸出Excel文件.

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 純音信號檢測結(jié)果及分析

0.1～10kHz按倍頻遞增的純音信號的各個頻率的相對誤差均小于0.3%，波形與信號發(fā)生器等頻率信號正弦波形吻合得較好；1kHz純音在界面上分別顯示-70,-60,-50,-40,-30,-20dB時，利用(2)式計算可得其相對誤差小于2.5%.

4.2 所有測試者左耳聽閾曲線

圖2是所有9位測試者左耳聽閾曲線，除頻率為1.2kHz聽閾出現(xiàn)小峰值外,其余的曲線走勢與參考曲線相比基本吻合. 在低頻區(qū)，人耳聽閾的相對分貝值較大，隨著頻率的增加，該值逐漸減?。辉?～4kHz的范圍內(nèi)，聽閾的相對分貝值出現(xiàn)低谷，即人耳聽閾最靈敏處在3～4kHz之間；隨著頻率的增大，聽閾陡然上升，在14kHz左右，部分被測者出現(xiàn)無法聽見的現(xiàn)象.

圖2 個體左耳聽閾曲線

根據(jù)人耳的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，人耳的外耳道如同一端封閉的管狀共振腔，會對通過的一定頻率的聲波進行放大. 根據(jù)駐波原理，其共振頻率為

f=v(2n-1)/4l，

(3)

v為聲波在空氣中傳播的速度，l是外耳道的長度. 據(jù)統(tǒng)計，中國人耳外耳道平均長度[4]為2.5cm，代入(3)式計算出共振頻率為3.44kHz，與實驗結(jié)果相符合.

所有測試者在1.2kHz聽閾的小峰值，可能是聲卡轉(zhuǎn)換失真或者耳機頻響特性所致.

4.3 男女聽閾對比及分析

圖3是年齡20歲左右的男性和女性聽閾曲線，數(shù)據(jù)點由4男4女的實驗數(shù)據(jù)做平均值所得. 縱觀全圖，男性聽力普遍比女性好；但在高頻段，女性的聽力好于男性，這與男女性耳朵生理結(jié)構(gòu)差異有關(guān)，特別是女性發(fā)聲的頻率要高于男生，導致女性在高頻階段其聽閾好于男性.

圖3 年齡20歲左右的男性和女性聽閾曲線

觀察人耳聽閾聽力最靈敏處，發(fā)現(xiàn)女性最靈敏的頻率略高于男性. 分析原因是女性外耳道平均長為24.1 mm，而男性外耳道平均長為25.6 mm[5]，分別代入式(3)可得，男性平均共振頻率值為3.359 kHz，女性為3.568 kHz，實驗結(jié)果基本符合理論值.

4.4 年齡與聽閾關(guān)系

圖4是年齡分別為20歲和59歲女性的聽閾曲線. 年齡較大的女性聽閾相對分貝值普遍高于年齡較小的女性，特別是在10 kHz以上的高頻區(qū)域，年齡較大的女性開始出現(xiàn)無法聽見的現(xiàn)象，且與較為年輕女性的相對分貝的差值隨著頻率的增大而逐漸增大. 研究表明[6]，人耳老化是漸進過程，隨年齡增高，聽閾升高，頻率越高影響越明顯，較高頻測聽能更敏感地反映老年聽力減退[7]. 實驗的結(jié)果與人耳生理功能老化現(xiàn)象相符合.

圖4 20歲和59歲女性的聽閾曲線

4.5 實驗結(jié)論

根據(jù)4.1可知，該虛擬聽力計的頻率誤差及所顯示聲強級分貝值誤差均達到真實聽力計要求；根據(jù)4.2～4.4可知，所測試人耳的聽閾曲線走形與參考曲線基本一致，男性和女性的聽閾差別及年老與年少的聽閾差別符合臨床表現(xiàn). 綜上所述，本試驗所用虛擬聽力計的性能可以滿足教學預習的要求，可用于學生的聽覺、聽閾曲線實驗的教學預習.

5 結(jié)束語

該虛擬聽力計可方便快捷地進行純音試聽練習及聽閾曲線測試，具有教學預習功能. 但尚有需要加以改進的方面:1)基準頻率“0 dB”的確定可通過本校眾多青年人的基準頻率聽閾的統(tǒng)計結(jié)果給出，這樣可加深學生對0 dB定義的理解；2)聽閾曲線中的小峰尚需通過檢測耳機的頻響特性判斷誤差所在；3)操作界面偏小且不夠醒目. 若以上問題解決后，該虛擬聽力計與真實儀器的功能將更加接近.

[1] 郝乃瀾，王雙維，李光，等. 基于Cool Edit Pro 2.0的人耳聽閾曲線測定實驗[J]. 物理實驗，2007，27(12)：11-12.

[2] 王磊，冀敏. 醫(yī)學物理學[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，2013：64-66.

[3] 冀敏,陸申龍. 醫(yī)學物理學實驗[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，2009：61-64.

[4] 謝鼎華，楊偉炎. 耳聾的基礎(chǔ)與臨床[M]. 長沙：湖南科學技術(shù)出版社，2004：8-12.

[5] 郗昕,張微,鄒玲,等. 中國幼兒外耳道聲學共振特性的真耳測量[J]. 聲學學報，2003(5)：453-456.

[6] Reuter W, Schonfeld U, Mansmann U, et al. Extended high-frequency audiometryinpre-school children [J]. Audiology, 1998,37(5):285-294.

[7] 仇春燕,顧瑞. 高頻測聽臨床應(yīng)用初步報告[J]. 中華耳鼻咽喉科雜志,1992,27(5):271-273.

[責任編輯：尹冬梅]

Measuring the hearing threshold curve usingvirtual educational audiometer

JI Min, YAO Hong-ying, SU Wei-feng

(Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China)

To test the performance of a virtual audiometer for teaching, an oscilloscope was used to measure the frequency and peak voltage of a series of pure tone signals. With a headset, the hearing threshold curves of eight students and a 50-year-old female teacher were recorded. The results showed that the relative error of the frequency of each pure tone signal was less than 0.3%, the disagreement between the displayed intensity in decibels and the calculated one of each pure tone was less than 5% for all the test points, and the hearing threshold curves of all nine tested persons were in consistent with the reference curve. The performance of the virtual audiometer for teaching was basically the same as that of the audiometers used in practice.

hearing threshold curve; Adobe Audition 3.0; virtual audiometer; pure tone

2016-05-30

冀 敏(1956-)，女，河南洛陽人，復旦大學物理系副教授，從事醫(yī)學物理教學及研究工作.

R312

A

1005-4642(2017)04-0019-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文