仿真耳的高频校准

许欢，白滢，牛锋，何龙标，钟波



仿真耳的高频校准

许欢，白滢，牛锋，何龙标，钟波

(中国计量科学研究院，北京 100013)

仿真耳是听力计量的主要仪器之一，为满足听力计在8~16 kHz高频范围内的计量需求，须对仿真耳进行高频校准。通过适配器的使用，解决了仿真耳高频校准中存在的测量结果不稳定的问题。同时，针对仿真耳中传声器声压灵敏度级和仿真耳声耦合腔声学特性这两项主要技术指标，建立了8~16 kHz频率范围内的自动测量系统，对其进行测量。测量结果表明声压灵敏度级的标准偏差小于0.2 dB，表征耦合腔声学特性的频响测量标准偏差小于0.3 dB。

仿真耳；高频校准；纯音听力计

0 引言

听力测量是研究听力损失、听阈和听力测量方法的科学技术。人耳听力状况一般是用听力计[1,2]进行测量。听力计是用于测定个体对各种频率感受性大小的仪器，通过与正常听觉阈值相比，可以确定被试的听力损失情况。按传播方式分为气导和骨导两种听力计，对应为纯音听力计和阻抗听力计。在听力计的检定过程中，最常用的耳模拟器是仿真耳和仿真乳突。仿真耳用于检定使用气导耳机的纯音听力计，仿真乳突用于检定使用骨导耳机的阻抗听力计。因此，为了对听力计进行检定或者校准，须解决标准仿真耳[3]和标准仿真乳突[4]的计量问题。已有的仿真耳和仿真乳突的声学特性测量和研究[5-9]，主要集中在125 Hz~8 kHz的常用测听范围。近年来，高频听力损伤问题日益突出，测听设备高频段的技术指标也显得尤为重要。ISO和IEC等也相应出台了关于把测听设备频率范围从8 kHz延伸到16 kHz的标准[10-12]。

为满足当前听力计量的高频校准需要，需要对仿真耳和仿真乳突进行高频扩展。在高频段，中国计量科学研究院现有的测量装置存在测量结果不稳定、重复性较差的问题。本文通过使用高频扩展配件解决了其稳定性和重复性差的问题。同时，搭建了自动测量系统对其两项主要技术指标：声耦合腔声学特性和传声器声压灵敏度级进行测量。测量结果的标准偏差分别小于0.3 dB和0.2 dB。

1 实验方法与装置

仿真耳是模拟人耳物理特性的装置，包括一个传声器和一个结构接近于人外耳声学特性的声网络。它用于代替人耳感知声音信号，从而对听力设备的性能做出客观评价。根据仿真耳的不同用途，仿真耳划分为五类：用于测听耳机校准的简便式仿真耳、电话耳机用仿真耳、测听耳机和其他宽频带耳机用仿真耳、助听器等耳塞机用仿真耳、完全模拟人耳特性的实验室用仿真耳。

本文使用的是符合IEC60318-1规定的仿真耳，其结构如图1所示。仿真耳由三个声耦合腔组成，体积分别为1、2、3。主级腔为锥形，且底面装有传声器，两个次级腔耦合到主级腔。这三个声耦合腔的尺寸如图1所示。

在现有校准装置中，将耳机直接放置在仿真耳上，在高频段校准听力计时，由于耳机与仿真耳耦合状态的差异，使得测量结果存在不稳定、重复性较差的问题。由于高频声信号的波长较短，与仿真耳耦合腔尺寸可比，所以气导耳机和仿真耳间的耦合位置稍有偏移，传声器测量的声压级会存在较大偏差。因此，需要固定耳机位置，本文使用适配器和锥形环对仿真耳的声耦合腔进行高频扩展。综合考虑固定耳机、减少耳机和仿真耳间耦合产生的声泄漏，适配器和锥形环的尺寸规格如图2和图3所示，其尺寸误差不超过±0.3 mm，角度误差不超过±2°。将适配器、锥形环按图4所示的顺序摆放：适配器置于仿真耳上方，锥形环置于适配器上方，耳机对称的放在锥形环上。通过该装置可实现仿真耳在8~16 kHz高频段的校准。同时，适配器的存在增加了仿真耳的声阻抗，这也符合人耳对高频信号感知能力较弱这一规律。

在自由场条件下，传声器的保护栅由于其散射作用会影响其频率响应。虽然在仿真耳腔体内可近似等效为压力场条件，但在高频条件下，波长较短，保护栅对传声器测量结果影响较为复杂。因此在仿真耳的校准或应用中，需要取掉传声器的保护栅并装上适配环。

仿真耳测量的主要技术指标包括两项，一是仿真耳中传声器声压灵敏度级测量，二是仿真耳声耦合腔声学特性测量。在利用适配器解决其重复性和稳定性差的问题后，建立了自动测量系统，对这两项指标进行测量，并评估其标准偏差。

1.1 声耦合腔声学特性测量

声耦合腔声学特性测量装置如图5所示，将高阻抗标准耳机作为声源正向耦合于仿真耳上，并在耳机上作用(4.5±0.5) N的静态力，避免耳机耦合状态不佳产生声泄露。计算机控制信号发生器产生50 Hz~16 kHz的正弦信号，输出至互易校准仪(提供200 V直流极化电压，同时给交流信号提供6 dB增益)，进而激励高阻抗标准耳机，使其产生声信号。仿真耳中的标准传声器将接收到的声信号转化为电信号，并通过前置放大器将信号送至测量放大器，测量放大器与计算机通过GPIB接口连接，采集不同频率下的信号，最终得到仿真耳在标准阻抗耳机作为声源作用时的频率响应曲线。

1.2 传声器声压灵敏度级测量

用耦合腔比较法[13]测量仿真耳中传声器的声压灵敏度级。仿真耳中传声器声压灵敏度级测量装置如图6所示，将经过耦合腔互易法校准[14]的实验室标准传声器(参考传声器)与仿真耳中的传声器(被测传声器)同时或顺时暴露于相同声场中，它们的灵敏度之比由两者的开路电压之比给出。参考传声器的声压灵敏度已由耦合腔互易法测得。用公式(1)[13]就可算出被测传声器的灵敏度。

式中：为被测传声器的声压灵敏度，mV/Pa；为参考传声器的声压灵敏度，mV/Pa；为被测传声器与参考传声器的输出之比；为作用在被测传声器与参考传声器上的有效声压之比。

为了消去两个通道增益的所有差别(包括其它系统影响)，减小测量误差，被测或参考传声器的输出测量可通过在两个测量通道之间交换传声器并重复进行测量。

当两个传声器的膜片面对面相互紧密接近，在两个测量通道上测量它们的输出，并读出两个通道之差[13]，用级表示：

公式(2)中假定传声器的灵敏度不相同，但其它机械和电性能相同。传声器交换后，读出的两通道之差[13]为：

用式(2)减去式(3)，两传声器的灵敏度级之差为：

2 实验结果

2.1 声耦合腔声学特性测量结果

对 4153型仿真耳耦合腔进行10次测量，测出仿真耳声耦合腔的频率响应(参考频率1 kHz)。计算出10次测量的平均值和标准偏差，结果见表1。由表1可知，在8~16 kHz高频范围内，其频率响应测试结果的标准偏差最大值出现在16 kHz处，为0.29 dB，说明适配器和锥形环的引入能够控制其测量重复性。

表1 声耦合腔声学特性

2.2 传声器声压灵敏度级测量结果

测量10次被测传声器与参考传声器的声压灵敏度级差值，加上实验室标准传声器的已知声压灵敏度级，即为仿真耳中传声器的声压灵敏度级(见表2)，标准偏差的最大值为0.14 dB。

表2 传声器声压灵敏度级

3 结论

本文参考IEC 60318-1和IEC 60645-4的技术要求，对仿真耳的校准进行高频扩展。采用适配器和锥形环约束高阻抗耳机的声耦合位置和状态，使测量结果稳定、具有重复性，同时适配器引入的额外体积，改变了仿真耳声耦合腔的声阻抗特性，使之更符合人耳的高频特性；同时为避免传声器保护栅对声场的影响，用适配环代替保护栅。

为了验证仿真耳高频校准结果的重复性，对仿真耳中传声器声压灵敏度级和仿真耳声耦合腔声学特性进行测量，测量结果表明其标准偏差分别小于0.2 dB和0.3 dB。仿真耳高频校准能力的扩展，可用于纯音听力计的高频段校准，提高高频听力损伤的诊断能力。

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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

许欢(1984－), 女, 北京人, 硕士研究生, 研究方向为声学计量。

许欢, E-mail: xuhuan@nim.ac.cn