利用虚拟教学听力计测量人耳听阈曲线

冀 敏，姚红英，苏卫锋

(复旦大学 物理系，上海 200433)

利用虚拟教学听力计测量人耳听阈曲线

冀 敏，姚红英，苏卫锋

(复旦大学 物理系，上海 200433)

为检验虚拟教学听力计的性能及测试效果,利用示波器测量了各纯音信号的频率和电压峰峰值，通过耳机测试听阈曲线表明：各纯音信号频率的相对误差小于0.3%，界面显示的分贝值与计算得出测试点纯音分贝值的相对误差小于5%，被测试者的听阈曲线与参考曲线基本一致. 由此可知：所用虚拟教学听力计与实际听力计性能基本相同.

听阈曲线;Adobe Audition 3.0;虚拟听力计;纯音；频率

在针对医学生的医学物理实验教学中，听觉听阈实验有着重要的教学和临床意义，不仅加深了学生对声学知识的理解，还使学生对听觉物理和听觉功能诊断有了一定的掌握. 跨入21世纪之后，国内高校相继对医学生开设了听觉听阈测量实验，且有较好的实验效果，但普遍就以下问题：仪器少学生多，缺少教学预习环节，常常因对纯音的识别不足，导致实验时间过长引起耳朵不适. 为解决学生预习及相关问题，有兄弟院校曾尝试编写听力软件，例如利用Cool Edit软件产生音频信号进行听阈曲线测量[1]等. 我们先后组织编写了3款虚拟听力软件，但是这些软件是否达到与真实仪器相同的测试效果、其性能指标是否合乎教学实验要求，还需要通过实验进行检验. 作者曾经采用仪器和实验模拟，对不同虚拟听力测试软件进行过检验，其中不乏与真实仪器媲美的实验效果. 以下介绍我校曾用于实验预习的听力测试软件Adobe Audition 3.0的检测和实验结果.

1 实验原理

1.1 人耳生理结构

人耳器官由外耳、中耳、内耳组成. 声波在外耳以气体传导，外耳会对一定频率的声音产生较明显的共振，使得声强得到增益. 外耳道内端的尽头就是鼓膜，声振动在此从气体传入固体. 中耳是一个不规则的腔体，称为鼓室. 声波在中耳是以固体传导，通过3根听小滑使声压增大，以利于声波在内耳的液体传导.

1.2 声强与声强级

能够在听觉器官引起声音感觉的机械波称为声波，其频率范围为20 Hz～20 kHz. 描述声波能量的大小常用声强和声强级2个物理量. 声强是单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量，用符号I表示，其单位为W/m2. 而声强级是声强的对数标度，它是根据人耳对声音强弱变化的分辨能力来定义的，用符号L表示，其单位为dB，L与I的关系为

(1)

式中，I0为基准声强[2]，其频率为1 kHz,声强为1012W/m2.

1.3 纯音

在声学中，纯音指声压的时间波形为正弦函数的声音. 纯音的主要参量为频率、声强级，可用示波器测量纯音信号频率以及比对虚拟听力计与标准信号发生器所产生的正弦同频率波形(也可通过频谱分析判断纯音质量)；用示波器测量纯音信号电压峰峰值，相对分贝值为

(2)

式中,U0为1 kHz声音听阈对应的电压峰峰值.

1.4 听阈曲线

人耳所能听到的最小声强值或声强级值称为听阈，人耳对不同频率的声音的听阈不同. 听阈与频率的关系曲线即听阈曲线. 不同频率的声音与1 kHz的标准声音等响时(声音的响度级等于1 kHz声音的声强级)，其声强级与频率的关系曲线称为等响曲线. 听阈曲线是响度级为0昉(phon)的等响曲线[3].

1.5 虚拟教学听力计软件描述

该软件由Adobe Audition 3.0生成不同频率、强度渐变的单声道纯音. 信号频率从100 Hz至17 kHz几何级数变化，信号声强级从0 dB变化至-80 dB(此处的0 dB为软件默认，不是标准0 dB，并且随声卡音量的变化而变化).

软件编排顺序为：播放音频—音频从无到有播放—听者听到声音时给出信号—软件记录时间并转换成声强级值. 其主要功能：1)根据精度要求，自主选择所要测量的频率取值范围及频率变化幅度；2)实验者可以重复测量不同频率的听阈值；3)根据声强级与时间成对数关系，软件自动记录并换算被测者的听阈值，测量结束后直接导出记载数据的Excel文件.

2 实验仪器及对象

实验所需的实验仪器为：自制虚拟教学听力计、XJ4318示波器、信号发生器、台式电脑和sumsungEP380型耳机. 利用虚拟教学听力计对8名20岁左右男女青年和1名59岁女教师进行听阈检测，被测耳朵统一为左耳.

3 实验步骤

3.1 安装虚拟教学听力计软件

点击软件图标可见电脑荧光屏显示虚拟听力计操作界面，如图1所示.

图1 虚拟教学听力计软件界面

利用EasyVol软件[2]调节主机声卡分贝值，使得软件自带频率为1 kHz的音频和3～4 kHz的音频的强度从无到有变化，记录EasyVol的参量值，并且保持之后的这一组数值不变化.

3.2 虚拟教学听力计输出纯音检测

把导线一端接电脑耳机插孔,另一端接示波器,观察和测量0.1～10 kHz按倍频递增的纯音信号的波形和频率；测量1 kHz纯音在界面上分别显示-70,-60,-50,-40,-30,-20 dB时的电压峰峰值，并用(2)式检验. 需要说明的是，该软件系统将-60 dB作为1 kHz纯音的听阈值，式中U0此时应为-60 dB的1 kHz纯音信号的电压峰峰值.

3.3 用虚拟教学听力计测量听阈曲线

1)带上专用耳机，点击试听按钮，试听各个频率音频，确认被测的耳朵为左耳.

2)图1中选择测量精度(粗略测量、一般测量、精细测量分别为10,16,30个数据点).

3)正式开始测量，每个音频测量3次，音频响度从无到有，被测者在突然听见信号的瞬间点“停止”按钮，软件记录数据. 测量过程中点“试听”按钮可试听不同频率对应的音频，点“当前频率重测”按钮可重测这一频率对应的3个数据点，点“上个音频重测”按钮可重测之前测完的数据点.

4)完成测量后，被测者输入个人信息(姓名和年龄)，软件记录信息并输出Excel文件.

4 实验结果及分析

4.1 纯音信号检测结果及分析

0.1～10kHz按倍频递增的纯音信号的各个频率的相对误差均小于0.3%，波形与信号发生器等频率信号正弦波形吻合得较好；1kHz纯音在界面上分别显示-70,-60,-50,-40,-30,-20dB时，利用(2)式计算可得其相对误差小于2.5%.

4.2 所有测试者左耳听阈曲线

图2是所有9位测试者左耳听阈曲线，除频率为1.2kHz听阈出现小峰值外,其余的曲线走势与参考曲线相比基本吻合. 在低频区，人耳听阈的相对分贝值较大，随着频率的增加，该值逐渐减小；在3～4kHz的范围内，听阈的相对分贝值出现低谷，即人耳听阈最灵敏处在3～4kHz之间；随着频率的增大，听阈陡然上升，在14kHz左右，部分被测者出现无法听见的现象.

图2 个体左耳听阈曲线

根据人耳的结构可以发现，人耳的外耳道如同一端封闭的管状共振腔，会对通过的一定频率的声波进行放大. 根据驻波原理，其共振频率为

f=v(2n-1)/4l，

(3)

v为声波在空气中传播的速度，l是外耳道的长度. 据统计，中国人耳外耳道平均长度[4]为2.5cm，代入(3)式计算出共振频率为3.44kHz，与实验结果相符合.

所有测试者在1.2kHz听阈的小峰值，可能是声卡转换失真或者耳机频响特性所致.

4.3 男女听阈对比及分析

图3是年龄20岁左右的男性和女性听阈曲线，数据点由4男4女的实验数据做平均值所得. 纵观全图，男性听力普遍比女性好；但在高频段，女性的听力好于男性，这与男女性耳朵生理结构差异有关，特别是女性发声的频率要高于男生，导致女性在高频阶段其听阈好于男性.

图3 年龄20岁左右的男性和女性听阈曲线

观察人耳听阈听力最灵敏处，发现女性最灵敏的频率略高于男性. 分析原因是女性外耳道平均长为24.1 mm，而男性外耳道平均长为25.6 mm[5]，分别代入式(3)可得，男性平均共振频率值为3.359 kHz，女性为3.568 kHz，实验结果基本符合理论值.

4.4 年龄与听阈关系

图4是年龄分别为20岁和59岁女性的听阈曲线. 年龄较大的女性听阈相对分贝值普遍高于年龄较小的女性，特别是在10 kHz以上的高频区域，年龄较大的女性开始出现无法听见的现象，且与较为年轻女性的相对分贝的差值随着频率的增大而逐渐增大. 研究表明[6]，人耳老化是渐进过程，随年龄增高，听阈升高，频率越高影响越明显，较高频测听能更敏感地反映老年听力减退[7]. 实验的结果与人耳生理功能老化现象相符合.

图4 20岁和59岁女性的听阈曲线

4.5 实验结论

根据4.1可知，该虚拟听力计的频率误差及所显示声强级分贝值误差均达到真实听力计要求；根据4.2～4.4可知，所测试人耳的听阈曲线走形与参考曲线基本一致，男性和女性的听阈差别及年老与年少的听阈差别符合临床表现. 综上所述，本试验所用虚拟听力计的性能可以满足教学预习的要求，可用于学生的听觉、听阈曲线实验的教学预习.

5 结束语

该虚拟听力计可方便快捷地进行纯音试听练习及听阈曲线测试，具有教学预习功能. 但尚有需要加以改进的方面:1)基准频率“0 dB”的确定可通过本校众多青年人的基准频率听阈的统计结果给出，这样可加深学生对0 dB定义的理解；2)听阈曲线中的小峰尚需通过检测耳机的频响特性判断误差所在；3)操作界面偏小且不够醒目. 若以上问题解决后，该虚拟听力计与真实仪器的功能将更加接近.

[1] 郝乃澜，王双维，李光，等. 基于Cool Edit Pro 2.0的人耳听阈曲线测定实验[J]. 物理实验，2007，27(12)：11-12.

[2] 王磊，冀敏. 医学物理学[M]. 北京：人民卫生出版社，2013：64-66.

[3] 冀敏,陆申龙. 医学物理学实验[M]. 北京：人民卫生出版社，2009：61-64.

[4] 谢鼎华，杨伟炎. 耳聋的基础与临床[M]. 长沙：湖南科学技术出版社，2004：8-12.

[5] 郗昕,张微,邹玲,等. 中国幼儿外耳道声学共振特性的真耳测量[J]. 声学学报，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,顾瑞. 高频测听临床应用初步报告[J]. 中华耳鼻咽喉科杂志,1992,27(5):271-273.

[责任编辑：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，河南洛阳人，复旦大学物理系副教授，从事医学物理教学及研究工作.

R312

A

1005-4642(2017)04-0019-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文