听阈测试用声场的构建和零级校准

冀飞

听力学测试多为通过记录声刺激所引出的反应评估听觉系统的功能。为确保各种听力学测试结果的准确性，必须对听力学诊疗、康复、研究所用的测试设备进行校准（calibration）。校准是指，在规定条件下，确定测量仪器或测量系统所指示的量值与对应的标准量值之间关系的一组操作。听力学测试设备的校准，主要是检验所用设备换能器发出的声音信号在频率、强度和时间等方面是否符合相关标准的规定。听力零级的校准是测听设备校准最主要的内容。在听力测试中经常会选用扬声器作为换能器，在声场环境下测试患者双耳聆听由一只或多只扬声器发出的声信号时的听阈[1,2]。声场测听中同样存在零级校准的问题。

1 声场的构建

1.1 声场的类型

用于声场测听的环境有很大变化。ISO标准和国家标准规定了下列三种类型的声场，用户需考虑决定哪种声场更适用[3]。

1.1.1 自由声场 自由声场应满足以下要求：①扬声器应位于坐姿受试者头部的高度，参考轴径直穿过参考点。参考点与扬声器之间的距离应至少为1 m；②当受试者及其座椅不在时，在偏离参考点轴线左右及上下各0.15 m处，扬声器产生的声压级与其在参考点的声压级之差，对小于等于4000 Hz的任意测试频率，应不超过±1 dB，4000 Hz以上的任意测试信号，应不超过±2 dB。参考点轴线左右各0.15 m的两位置声压级之差，对4000 Hz以上的任何频率应不超过3 dB。③当受试者及其座椅不在时，在参考轴上，距离参考点前、后各0.15 m处，与扬声器在参考点产生的声压级之差值，与声压距离反比定律理论值的偏差，对任意测试信号应不超过±1 dB。

自由声场的要求只有在隔声室内才能满足，因此不适用于临床上的声场测听。

1.1.2 扩散声场 扩散声场应满足以下要求：①当受试者及其座椅不在时，用全向性传声器测量，对任意测试信号在偏离参考点轴线前、后、左、右、上、下0.15 cm各位置，与参考点声压级的偏差均不应超过±2.5 dB。参考点轴线左右各0.15 m两位置声压级之差，应不超过3 dB。②在500 Hz及其以上频率，对规定的最大和最小两个测量方向，在参考点的声压级偏差应在5 dB以内。

1.1.3 准自由声场 准自由声场应满足以下要求：①扬声器应位于受试者坐姿头部的高度，参考轴径直穿过参考点。参考点与扬声器的参考点之间的距离应至少为1 m。②当受试者及其座椅不在时，且所有其他正常工作条件保持不变，在偏离参考点轴线左右及上下各0.15 m处位置，扬声器产生的声压级与其在参考点处的声压级之差，对任意测试信号应不超过±2 dB。③当受试者及其座椅不在时，在参考轴上距离参考点前、后各0.10 m处，任意测试信号，扬声器在参考点产生的声压级与声压距离反比定律理论值的偏差，应不超过±1 dB。

事实上，实际测试环境往往难以从理论上满足三种类型中的任意一种。从有利于实践的角度出发，大多实际测试环境更加接近扩散场的标准，因此在声场零级校准中往往采用扩散场的零级。

1.2 声场的最大允许环境声压级

声场测听是在测试室内使用双耳聆听由扬声器发出的测听声信号。其基准听阈声压级比耳机的基准等效阈声压级低。因此，对声场内环境噪声的要求比纯音测听隔声室的最大允许环境声压级低。国家标准《GB/T 4854.7-2008声学校准测听设备的基准零级第7部分：自由场与扩散场测听的基准听阈》规定了声场测听允许的最大环境噪声级[3]。测试室内的环境声压级，应符合表1中所给数值的要求。该表所列数据所测最低听阈为0 dB HL，由于环境噪声引起的最大误差为+2 dB。非专业实验室或者进行耳科正常人测试的声场，可以适当放宽对声场最大允许环境噪声的要求。

1.3 参考点

参考测试点又称参考点，是声场空间中的一个虚拟点，是指受试者在声场中受试的位置，两耳道口连接直线的中点。为便于实施测听，参考点通常选定在声场的几何中央位置，但必须符合相应声场类型的声学特性，须经过测试确定。

参考点通常与受试者坐姿耳部位置、扬声器喇叭中心点等高，且扬声器中心点沿参考轴方向与参考点的距离不少于1 m。无论采用何种入射角度，扬声器的参考轴均应直穿参考点。在校准声场时，传声器务需位于参考点上。

表1 声场测听的最大环境噪声级Lmax，1/3倍频程带

1.4 入射角

入射角是指扬声器矢状参考轴面与受试者矢状面的夹角。根据信号入射方向，主要有0°、90°、45°等3种入射方式（图1）。对不同入射角，自由声场的基准听阈声压级略有差别，需通过入射角修正值进行修正。扩散场的基准听阈声压级受入射角影响很小。

图1 声场测听入射角示意图

2 零级校准依据的标准

与听力学有关的国际标准是由国际标准化组织（ISO）第43分委会——声学技术委员会和国际电工委员会（IEC）第29分会——电声学技术委员会制定的。与听力学有关的国家标准是由全国声学标准化技术委员会和全国电声学标准化技术委员会制定。这两个组织都是ISO和IEC的成员，负责对国际标准的转化和国家标准的制定和修订。全国声学标准化技术委员会等同采用国际标准化组织ISO公布的ISO 389系列标准，形成了关于校准测听设备基准零级的系列标准，包括:①GB/T4854.1-2004压耳式耳机纯音基准等效阈声压级；②GB/T16402-1996插入式耳机纯音基准等效阈声压级；③GB/T4854.3-1998骨振器纯音基准等效阈力级；④GB/T4854.4-1999窄带掩蔽噪声的基准级；⑤GB/T4854.5-2008 8 kHz～16 kHz 频率范围纯音基准等效阈声压级；⑥GB/T4854.6-2014短时程测试信号的基准等效阈声压级；⑦GB/T4854.7-2008自由场与扩散场测听的基准听阈；⑧GB/T4854.8-2007耳罩式耳机纯音基准等效阈声压级[4]。

其中国家标准《GB/T4854.7-2008声学校准测听设备的基准零级第7部分：自由场与扩散场测听的基准听阈》规定了声场测听的基准听阈，如表2所示。

表2 声场测听的基准听阈

3 声场校准设备

3.1 传声器

传声器（microphone）也叫麦克风，是将声信号转换为相应电信号的声电换能器。根据换能原理不同，传声器有动圈、电容、压电等多种类型。相对而言，电容传声器灵敏度高、性能稳定、频响曲线平滑、动态范围大，因此在测量中使用较多。此外，根据传声器本身对于声场的影响，传声器还可分为压力场型（也称声压型）传声器和自由场型（也称声场型）传声器。压力场型传声器适用于测量封闭耦合腔的声压级，此时传声器构成壁面的一部分，测量得到的是壁面自身上的声压级，因此常用于耳机的输出测量。自由场型传声器所测得声压是消除了传声器对声场影响后的声压，其自由场灵敏度平直，具有平坦的频率响应，适用于声场下的校准测量。通常，压力场型传声器的型号尾号为偶数，自由场型传声器的型号尾数为奇数。在校准测量过程中，传声器的安装和摘取务必在声级计关机的情况下进行。

3.2 声级计

声级计是测量声压级的工具，可集成传声器、信号处理器和具有规定动态特性的显示器。信号处理器包括规定的且可控制频率响应的放大器、衰减器、计权网络、时间积分器或时间平均器[5]。

声级计的主要性能参数包括:①检波模式：分为均方根值（RMS）和峰值（peak）；②时间计权：慢档（时间常数1000 ms）、快档（时间常数125 ms）和脉冲（时间常数35 ms）；③频率计权网络：A计权、C计权、线性计权（也称Z计权）和全通。

主要测量参数包括：①声压级（SPL）；②等效连续声压级（leq）；③声暴露级（SEQ）；④测量期间最大声压级（max）；⑤测量期间最小声压级（min）。

4 声场零级的校准过程

4.1 传声器选择

声场零级校准测量应使用自由场型传声器。自由场型传声器所测得声压是消除了传声器对声场影响后的声压，其自由场灵敏度平直，具有平坦频率响应，适用于声场下的校准测量。

4.2 校准信号选择

测试声场应与测听时用的信号相同。使用纯音时，会遇到驻波问题。为克服这一问题，要求施以可减少驻波效应的非相干信号，临床上通常使用窄带噪声或者啭音进行测试和校准[6]。

测试信号级通常选定60 dB HL或70 dB HL，因这一信号级适中，避免了加/减校准因子后出现信号级过高或过低的情况，且受本底噪声影响很小。

4.3 声级计的设置

使用声级计设置为以RMS方式检波、线性频率计权、慢档时间计权，测量结果以声压级（SPL）表示。

4.4 听力计的校准状态

使听力计进入校准状态。在校准状态下选择测试信号为啭音（或窄带噪声），输出换能器设置为扬声器，选择校准侧别及该侧入射角。按下给声持续键发送校准音。

4.5 参照标准值进行零级校准

声场下纯音测听的零级校准过程即是在听力计校准状态下使用声级计在参考点逐频率地测量扬声器的输出声压级，将声级计读数与听力计显示的输出听力级之差和国家标准《GB/T 4854.7-2008声学校准测听设备的基准零级第7部分：自由场与扩散场测听的基准听阈》规定的基准等效阈声压级（即0 dB HL）相对照，如果有较大差别，则进行相应的输出调整，直至符合国家标准的规定。在校准过程中切换频率时，应注意使声级计滤波器的频率与听力计频率同步。

所测量的频率采用优选1/3倍频程频率，从低到高依次为：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 结果存储和验证

完成校准过程后，应将校准结果进行存储。左、右扬声器的校准后数据分别存储。存储后使听力计退出校准状态，仍然保持测量设备的连接，在工作状态下逐频率发送纯音，对照国家标准进行复核，以确保校准数据已正确调整和储存。

[1]于黎明，陈洪文.医用声学计量测试实用技术[M].北京：中国计量出版社，2006.30-109.

[2]陈洪文，于黎明.听力计检查和声场校准[J].中华耳科学杂志,2003,1(4):63-67.

[3]GB/T4854.7-2008.声学校准测听设备的基准零级.第7部分：自由场与扩散场测听的基准听阈[S].

[4]陈洪文，武文明，于黎明.与听力学有关的国家标准[J].中华耳科学杂志,2003,1(1):76-78.

[5]GB/T 3785.1-2010，电声学声级计第1部分：规范[S].

[6]韩东一，翟所强，韩维举.临床听力学[M].北京：中国协和医科大学出版社，2008.40-62.