高性能聽力測試系統(tǒng)的研制

【作者】曹俐，李勇，黃海萍，鄧振進(jìn)，吳碧濤，劉鵬舉，彭再明

1 湖南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測所，長沙市，410001

2 湖南可孚聽力技術(shù)有限公司，長沙市，410007

0 引言

純音聽力計(jì)是一種用于測量人耳聽閾的計(jì)量器具，為診斷聽覺疾病提供依據(jù)，其測量準(zhǔn)確性直接關(guān)系到醫(yī)療診斷結(jié)果的有效性和可靠性[1]。目前已有的純音聽力計(jì)體積大、不易攜帶，采用模擬電路發(fā)聲，產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量差，利用機(jī)械電位器設(shè)計(jì)的衰減電路精度和準(zhǔn)確性較差，而且易受環(huán)境影響大，可靠性低[2-3]。

純音信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜多樣[4-7]，但聽力測試系統(tǒng)對(duì)信號(hào)源聲音質(zhì)量要求高、可控性強(qiáng)，因此產(chǎn)生穩(wěn)定高質(zhì)的聽力測試信號(hào)是聽力計(jì)系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對(duì)已有聽力計(jì)的不足，提出一種高性能聽力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過采用優(yōu)化的隨機(jī)算法、精密的后期處理、高效的D/A轉(zhuǎn)換電路等手段輸出符合國標(biāo)要求的聲音信號(hào)，同時(shí)融合言語測聽功能。本設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中已取得了良好的效果。

1 設(shè)計(jì)原理與方法

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)產(chǎn)生和音量控制兩個(gè)模塊，軟件設(shè)計(jì)主要包括產(chǎn)生不同頻率、不同幅值的正弦信號(hào)，以及系統(tǒng)工作流程。

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)國標(biāo)GB/T 7341.1[8]和國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 388[9]的規(guī)定，系統(tǒng)需要生成頻率范圍在125 Hz～8 kHz、誤差小于±2%，幅值范圍為-10～-120 dB、偏差在±3 dB以內(nèi)的高質(zhì)量純音信號(hào)。本系統(tǒng)硬件組成，如圖1所示。

圖1 聽力測試系統(tǒng)硬件組成架構(gòu)Fig.1 Block diagram for the hardware composition of the hearing test system

本系統(tǒng)選用32位高性能單片機(jī)（microcontroller unit，MCU）作為主控單元，控制信號(hào)處理模塊、指示燈、按鍵、顯示器和打印模塊等。DSP信號(hào)處理模塊將信號(hào)傳輸至外部換能器氣導(dǎo)耳機(jī)和骨導(dǎo)耳機(jī)，換能器發(fā)出聲音。LED顯示模塊采用7 in的800×480高分辨率全彩色屏幕，按鍵陣列使用專用按鍵陣列驅(qū)動(dòng)IC。本測試系統(tǒng)兩個(gè)關(guān)鍵模塊為DSP音頻信號(hào)產(chǎn)生模塊和高精度音量控制模塊。音頻信號(hào)部分使用AD公司的專用DSP芯片，音控模塊采用Bur-Brown公司的高保真音量控制IC。

1.1.1 DSP信號(hào)生成模塊

由于系統(tǒng)對(duì)純音信號(hào)的頻率精度、切換速度和信噪比等質(zhì)量參數(shù)要求很高[10]，設(shè)計(jì)時(shí)為簡化電路結(jié)構(gòu)，提高可靠性，系統(tǒng)采用新型DSP處理器來實(shí)現(xiàn)生成純音、囀音信號(hào)，控制頻率和幅度等核心功能。

本DSP芯片音頻系統(tǒng)包含28/56 bit音頻DSP、ADC、DAC以及類似微控制器的控制接口。DSP信號(hào)處理模塊，如圖2所示。這款可編程數(shù)字信號(hào)處理器可以同高端立體聲設(shè)備中的信號(hào)處理相媲美，允許用戶利用雙二階濾波器、信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)調(diào)制器、動(dòng)態(tài)處理器、電平控制以及GPIO接口控制通用等手段，配置用戶定制的信號(hào)處理流程。信號(hào)處理包括平衡、混音、低音增強(qiáng)、多波段動(dòng)態(tài)處理、延遲補(bǔ)償以及立體聲擴(kuò)展等，可以根據(jù)特殊需要對(duì)各種音頻波形生成、整形、濾波等操作，對(duì)需要的調(diào)制、帶寬等進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)感受到的音頻質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理。大多數(shù)處理是由完全的56 bit雙精度模式完成的，因此帶來非常優(yōu)良的低電平信號(hào)性能。

圖2 DSP信號(hào)處理模塊Fig.2 DSP signal processing module

DSP處理器中帶有兩個(gè)ADC與四個(gè)DAC可提供98.5 dB動(dòng)態(tài)的模擬輸出及模擬輸入。每個(gè)ADC的總諧波失真+噪聲（THD+N）為-83 dB，每個(gè)DAC的總諧波失真+噪聲（THD+N）為-90 dB。數(shù)字輸入與輸出端口允許與額外ADC與DAC的無縫連接。DSP通過I2C總線端口和MCU通信。同時(shí)，DSP作為全機(jī)的音頻中樞，還負(fù)責(zé)接收客戶麥克風(fēng)和言語測聽模塊的輸入切換和信號(hào)處理功能。言語測聽模塊由一個(gè)通用音頻模塊組成，可以存儲(chǔ)各種音頻格式文件，內(nèi)存可通過TF卡擴(kuò)展，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存語言、音樂等各種實(shí)時(shí)波形，由MCU主控單元控制播放，并通過DSP進(jìn)行音頻調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)信號(hào)的檢測需要。

1.1.2 音量控制模塊

DSP輸出的音頻信號(hào)通過Bur-Brown公司的高保真音量控制IC進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，這是一片內(nèi)部精密激光校準(zhǔn)電阻的音量控制IC，控制范圍達(dá)到127 dB，信號(hào)增益和衰減范圍寬為+31.5 dB至-95.5 dB，步距為0.5 dB，具有極低噪聲和失真，在1 kHz時(shí)僅為2×10-6，擁有120 dB動(dòng)態(tài)范圍。模塊由單片機(jī)MCU直接控制模擬音量，兩個(gè)音頻通道采用串行接口，可獨(dú)立控制輸出，方便左右耳的測試。該模塊具有過零檢測功能，能夠在音頻信號(hào)過零點(diǎn)后再變化音量，消除音量變化時(shí)的突變。

因?yàn)槁犃τ?jì)要求的音量控制范圍大于127 dB，因此同時(shí)使用了DSP的40 dB增益控制，使得總控制范圍達(dá)到167 dB，以滿足后期對(duì)聲強(qiáng)校準(zhǔn)時(shí)不同頻率聽覺閾值帶來的寬衰減范圍要求。音頻推動(dòng)使用了高壓高保真耳機(jī)推動(dòng)芯片TPA6120以獲得高質(zhì)量的音頻輸出和高的功率驅(qū)動(dòng)，這片耳機(jī)功放能夠在驅(qū)動(dòng)16 Ω負(fù)載時(shí)輸出大于0.5 W的功率同時(shí)還能保持極低的失真，并且功放部分信噪比值可到128 dB。

1.1.3 其他功能模塊

本系統(tǒng)還需顯示、按鍵輸入、打印等功能。顯示屏采用帶128 MB顯存的800×480全彩屏，字庫和圖片直接存儲(chǔ)在屏幕芯片并自行驅(qū)動(dòng)顯示，減少了MCU的顯示運(yùn)算能力要求，提高了整機(jī)的程序運(yùn)行效率。

本機(jī)按鍵比較多，所以使用一片按鍵處理芯片，把按鍵陣列的變化通過串行方式回傳給單片機(jī)主控中心，并根據(jù)指令控制對(duì)應(yīng)的指示燈。機(jī)器帶有三個(gè)數(shù)字編碼器，分別控制左右聲強(qiáng)和頻率，方便快捷且保證全使用壽命期內(nèi)的耐用性。

本系統(tǒng)帶有EEPROM，可儲(chǔ)存受試者驗(yàn)配數(shù)據(jù)以及客戶信息，掉電不會(huì)丟失，方便下次查驗(yàn)時(shí)回看并可以打印。打印模塊采用驅(qū)動(dòng)熱敏打印機(jī)，可直接打印輸出測試結(jié)果，方便快捷而且占用空間更小。

為滿足聲場測試需要，本系統(tǒng)還內(nèi)置聲場驅(qū)動(dòng)功放模塊，功率足夠推動(dòng)兩個(gè)30 W的外置揚(yáng)聲器，無需外接功放。

1.2 軟件總體設(shè)計(jì)

聽力測試系統(tǒng)配套有純音測聽、言語測聽、用戶信息存儲(chǔ)、查詢和打印等功能。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)，進(jìn)行DSP初始化，加載校準(zhǔn)參數(shù)，初始化UI界面。判斷是否有囀音標(biāo)志，是則生成囀音，若無則進(jìn)入判斷是否有脈沖給聲標(biāo)志，有則進(jìn)行脈沖處理，判斷用戶是否按下應(yīng)答鍵，如果按下，則屏幕灰色圓圈亮綠燈。當(dāng)用戶旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí)，顯示屏界面數(shù)值出現(xiàn)變化，進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)檢測到有按鍵動(dòng)作，則執(zhí)行相應(yīng)的功能處理。

2 聽力計(jì)測試

2.1 純音信號(hào)頻率準(zhǔn)確度

固定頻率聽力計(jì)應(yīng)具有國標(biāo)GB/T 7341.1規(guī)定的測試頻率，對(duì)于1型和2型聽力計(jì)，其頻率允差為±1%，對(duì)于3型和4型聽力計(jì)，其頻率允差為±2%。本系統(tǒng)屬于3型聽力計(jì)，各頻率點(diǎn)允差測試滿足國標(biāo)要求。新型DSP具有很好的頻率響應(yīng)平坦度，可以很好地控制聽力計(jì)的頻響特性。示波器測量聽力計(jì)耳機(jī)在1 kHz的輸出接口波形，純音信號(hào)可判定為正弦波，頻率誤差為0.0057%。

2.2 純音信號(hào)總諧波失真

總諧波失真分為氣導(dǎo)總諧波失真和骨導(dǎo)總諧波失真。在純音信號(hào)各頻率點(diǎn)上，通過改變帶通濾波器的頻率，依次測出氣導(dǎo)耳機(jī)或骨導(dǎo)耳機(jī)輸出接口各次諧波電壓值，根據(jù)式(1)計(jì)算各頻率點(diǎn)的總諧波失真D：

式中，V2、V3、V4分別為二次、三次、四次諧波電壓值，V為總信號(hào)諧波電壓值。

表1為各頻率點(diǎn)氣導(dǎo)和骨導(dǎo)總諧波失真測試結(jié)果，可以看出最大總諧波失真都沒超過國標(biāo)要求，而且性能遠(yuǎn)優(yōu)于國標(biāo)規(guī)定值。

表1 氣導(dǎo)和骨導(dǎo)總諧波失真測試Tab.1 Total harmonic distortion test for using air conduction and bone conduction

此外，還測試了高頻信號(hào)的總諧波失真，當(dāng)信號(hào)為6 kHz時(shí)，耳機(jī)輸出的總諧波失真THD=0.0247%。8 kHz時(shí)，耳機(jī)輸出的總諧波失真，THD=0.0616%。

2.3 純音信號(hào)緩升緩降測試

根據(jù)GB/T 7341.1的要求，電聲學(xué)測聽設(shè)備純音信號(hào)需要緩升緩降（亦稱之為淡入淡出）。DSP的增益調(diào)整單元很容易實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在送音開始和結(jié)束時(shí)，信號(hào)的緩升緩降以±1 dB為增益步進(jìn)單位，以0.8 ms為時(shí)間間隔對(duì)輸出增益進(jìn)行調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的緩升緩降。

2.4 掩蔽聲測試

DSP內(nèi)部自帶的白噪聲發(fā)生器是一個(gè)寬帶的隨機(jī)噪聲發(fā)生器，本系統(tǒng)聽力計(jì)測試信號(hào)需要窄帶頻譜，可通過添加一級(jí)帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)窄帶的需求。當(dāng)調(diào)整純音信號(hào)頻率時(shí)，掩蔽噪聲的頻率也需要跟蹤變化，調(diào)整帶通濾波器的相關(guān)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)掩蔽噪聲中心頻率的切換。中心頻率分別為500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz時(shí)的窄帶帶通濾波器的實(shí)測頻譜，如圖3所示，可以看出以測試頻率為幾何中心，每倍頻程以至少12 dB的速率下降，滿足掩蔽聲的測試要求。

圖3 掩蔽聲測試結(jié)果Fig.3 Masking sound test results

2.5 系統(tǒng)底噪測試

對(duì)于聽力測試系統(tǒng)能否正常工作，不僅取決于純音信號(hào)的大小，而且也與聽力測試系統(tǒng)內(nèi)部噪聲大小有關(guān)。將音頻分析儀連接聽力計(jì)輸出端，聽力計(jì)發(fā)出指定頻率和聲壓級(jí)的測試信號(hào)，計(jì)算信號(hào)能量值與噪聲能量值的比值，也就是信噪比。1 kHz、100 dB的測試信號(hào)在分析儀輸出頻譜中有一能量最高值，約為-19 dBr，而頻譜中水平處噪聲值大致平均在-100 dBr，因此聽力計(jì)整體信噪比約為80 dBr。聽力計(jì)信噪比數(shù)值越高，底噪越小，聽力計(jì)性能就越好。

3 結(jié)論

本測試系統(tǒng)采用32位單片機(jī)，自帶大尺寸彩色LCD，不需依靠上位機(jī)，可獨(dú)立運(yùn)行，可靠性強(qiáng)，高度集成，安裝簡易；音頻模塊采用SigmaDSP芯片來實(shí)現(xiàn)，相比其他同類產(chǎn)品而言，很大程度上簡化了設(shè)計(jì)過程，具有高線性度，低諧波失真的性能，軟件方面采用圖形化的界面，操作方便，可直接在聽力計(jì)上顯示香蕉曲線圖，并有言語測聽、用戶管理、打印等功能。系統(tǒng)加入時(shí)鐘模塊與物聯(lián)網(wǎng)模塊，可通過物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)更新當(dāng)前時(shí)間并標(biāo)記到用戶數(shù)據(jù)里，并且能夠使測試數(shù)據(jù)通過云中轉(zhuǎn)，聽力測試結(jié)果可以跨平臺(tái)共享，實(shí)現(xiàn)測聽結(jié)果的大數(shù)據(jù)。聽力數(shù)據(jù)是下一步助聽器驗(yàn)配和選型的依據(jù)，在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，驗(yàn)配師可以直接調(diào)用測試結(jié)果，避免了可能的人為誤操作，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)通信結(jié)構(gòu)，這是產(chǎn)品的一大創(chuàng)新點(diǎn)。

此外，本聽力測量系統(tǒng)本底噪聲小，發(fā)音準(zhǔn)確，純音開關(guān)的緩升緩降，純音，囀音、窄帶噪聲都使用DSP發(fā)聲，不需要頻繁校準(zhǔn)，使用B＆K校準(zhǔn)。高精準(zhǔn)音量控制模塊可實(shí)現(xiàn)連續(xù)衰減/步進(jìn)5 dB/2 dB/1 dB，誤差僅為0.5 dB；氣導(dǎo)125～ 8000 Hz，骨導(dǎo)250～6000 Hz，頻率準(zhǔn)確度高，誤差小于±1%。氣導(dǎo)總諧波失真度小于1%，骨導(dǎo)失真度小于1%。目前系統(tǒng)正得到較好應(yīng)用，低成本實(shí)現(xiàn)高性能。同時(shí)，本系統(tǒng)可集成言語測聽功能，并且獨(dú)立開發(fā)噪聲下的言語測聽，使評(píng)測結(jié)果更精確。