医用听觉报警信号采集方法分析

张海明 齐丽晶 李洲

1 天津中新科炬生物制药有限公司（天津 300457）

2 国家食品药品监督管理局天津医疗器械质量监督检验中心(天津 300384)

0.引言

《YY 0709-2009 医用电气设备第 1～8 部分：安全通用要求 并列标准：通用要求，医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南》标准中的一项重要内容是对听觉报警信号的特征的要求。要验证医疗器械的听觉报警系统是否符合这些要求就必须采集听觉报警信号进行分析和测试，那么如何正确采集听觉报警信号以保证测试的准确性就成为一个重要问题。

1.听觉报警信号采集中需要注意的问题

1.1 听觉报警信号采集装置的选择

采集声音常用的装置为麦克风（又称传声器），它实际上是一种将声音转换成电子信号的换能器。从原理上可分为动圈式麦克风、电容式麦克风、铝带式麦克风和碳精麦克风。在选择麦克风时，频率响应及指向性是需要着重考虑的两个问题。

频率响应：由于测试的目标听觉报警信号频率在100Hz～4000Hz 之内，考虑到测试的需要应保证麦克风在50Hz～8000Hz 范围内有较为平坦的频率响应曲线。从麦克风的设计原理上看，电容式麦克风具有更加平坦的频率响应曲线，因此应在不同的电容式麦克风中进行选择作为测试用的采集装置。

指向性：指向性是描述麦克风对于来自不同角度声音灵敏度的一个参数，一般常用指向性特征图（图1）来表示。在每个示意图中，虚线圆形的上方代表麦克风前方，下方则代表麦克风的后方。在听觉报警信号测试过程中，我们需要在采集听觉报警信号的同时减低周围环境噪声的影响。因此应当选取心型指向的麦克风作为采集装置来采集听觉报警信号。

图1.麦克风的指向性特征图

图2.声级计原理图

表1.

1.2 频率计权的选择

在噪声控制工程中，了为使声音的客观物理量与人耳的听觉特性相一致，人们在声级计中设置了三条频率计权网络：A、C 和Z 频率计权。由于人耳对各频段噪声的感知能力是不一样的，对500Hz 到6kHz 左右的中频最灵敏，对低频和高频则差一些。为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性，在声级计内设有一种能够模拟人耳的听觉特性，把电信号修正为与听感近似值的网络，这种网络叫频率计权，其实质就是一些滤波器。

A 计权

A 计权是模拟人耳对声音的响应，使电信号的中、低频段有较大的衰减。A 计权滤波器覆盖频率范围为20Hz 到20KHz。使用 A 计权的测量通常标注dB(A)，例如LAeq，LAFmax，LAE 等，A 表示使用了A 计权。

C 计权

C 计权声级是模拟高强度噪声的频率特性。使用 C 计权的测量通常标注dB(C)，例如LCeq，LCPeak，LCE 等，C 表示使用了C 计权。

Z 计权

Z 计权是对频率范围20Hz 到20KHz 的水平响应，±1.5dB，不包括传声器响应。使用Z 计权的测量通常标注dB(Z)，例如LZeq，LZFmax，LZE 等，Z 表示使用了Z 计权。

YY0709 标准中并未明确规定进行听觉报警信号测试时应采用的频率计权模式，且由表1 可知不同的频率计权模式对所测听觉报警信号的频域特性将产生不同的影响，因此我们应为采集装置提供多种频率计权模式以供选择。

1.3 如何降低信号传输过程中的噪声影响

YY0709 中对听觉报警信号的时域和频域特性有非常详细的要求，这个工作是常规声级计无法完成的，因此就要求我们必须要将采集到的信号传输到分析处理装置中去。而在传输的过程中模拟电信号将产生不可避免的衰减和失真。虽然可以通过控制传输过程中的环境来减少信号失真，但由于标准中要求的时间为毫秒级的，因此我们必须进一步想办法来对信号失真进行控制。在电学中降低信号失真的常用方法就是将模拟信号转化为数字信号进行传输。由于数字信号传输的是简单的1、0，虽然在采样时与原信号不完全相同，但在传输过程中是决对无损的，所以常常更能准确地表现原信号。这里我们需要重点考虑两方面问题：

（1）模数转换卡的采样率：采样率定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫采样时间，它是采样之间的时间间隔。通俗的讲采样频率是指从模拟信号中每秒钟采集多少个数据样本。根据香农采样定理采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍。目标采集的最高频率为4000Hz，因此要求模数转换卡的采样率要高于8000Hz，实际上我们使用的采样率往往高于40000Hz，完全可以满足测试的要求。

（2）模数转换卡的位置：由于信号失真是在模拟信号传输时产生的，因此我们需要在信号传输之前将模拟信号转化为数字信号才有意义（如图3 示意）。

图3.模数转换卡装配位置示意图

2.结论

从上述讨论我们可知，在采集听觉报警信号的过程中，传声器、频率计权模式的选择及模数转换卡采样率及位置都将对测试结果产生一定的影响，在实际测试过程中需要注意这些问题以保证采集和测试的科学性和准确性。对于采集信号后的分析问题，目前正在研究之中。

[1]YY0709-2009 医用电气设备 第1-8 部分：安全通用要求 并列标准：通用要求 医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南

[2]IEC 60601-1-8:2006 Medical electrical equipment -- Part 1-8:General requirements for basic safety and essential performance -- Collateral standard:General requirements,tests and guidance for alarm systems in medical electrical equipment and medical electrical systems

[3]现代声学理论基础 科学出版社2004年3月第一版.吴大猷