带音调的医用听觉报警信号检测方法研究

陈甜甜，张 克，张在爱，蒋 硕

（山东省医疗器械产品质量检验中心，济南250101）

0 引言

为规范医用电气设备的报警系统，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》[1]规定了报警状态的优先级和由其引发的报警信号的特征，以便操作者能快速认识到报警信号的紧急状况并及时采取相应的措施[2-4]。其中，听觉报警信号的主要目的是引起操作者的注意。随着电子技术的发展，产生听觉报警信号的方式越来越多，包括蜂鸣器、扬声器、电子声音发生器等，听觉报警信号特征也日益多样化，甚至使用了音调来区分设备种类。但是带音调的医用听觉报警信号的特征检测需要理解音律、音阶、音调等声乐知识，具有一定难度[5]。本文针对带音调的医用听觉报警信号进行深入研究，提出了有效的检测方法。

1 听觉报警信号特征的标准要求

如果报警系统具有听觉报警信号，那么应至少有一组报警信号满足YY 0709—2009 标准中表203和表204 的要求或使用其他技术并通过验证。符合YY 0709—2009 标准中表203 和表204 要求的听觉报警信号不需要其他验证（如临床或模拟临床可用性测试）。对此，本文将从3 个方面阐述听觉报警信号特征的标准要求。

1.1 脉冲群特征

听觉报警信号脉冲群的特征包含脉冲数、脉冲间隔、脉冲群间期和脉冲振幅差异，可以帮助操作者确定报警系统需要响应的紧急程度，详见表1。其中，高优先级听觉报警信号脉冲数多，脉冲间隔紧密，脉冲群间期短，表现的紧急程度高。中优先级和低优先级听觉报警信号紧急程度依次降低。低优先级听觉报警信号的脉冲群可以不重复，其听觉信号的产生是非强制的。

表1 听觉报警信号脉冲群的特征[1]

1.2 脉冲特征

听觉报警信号的脉冲特征包含脉冲有效持续时间、上升时间、下降时间、脉冲频率、谐波分量数、谐频与基频幅值差异，其有助于帮助操作者确定产生报警信号装置的位置，详见表2。

表2 听觉报警信号的脉冲特征[1]

1.3 音调特征

音调特征是指在同一脉冲群中连续脉冲的音阶的相对不同，特定的音调可以代表特定的设备类型。如果音调的数量有限，则操作者很容易记住特定音调的含义，并能根据音调确定报警源的位置。YY 0709—2009 标准中规定，如果使用了音调，则其含义应符合附录EEE（见表3）的要求，或设计成不会与附录EEE 相混淆的音调[1]。

表3 报警信号预定的音调[1]

2 听觉报警信号特征的检测方法

采 用ISO/IEC 60601-1-8，patterson and other alarms in medical equipment sample alarm sounds-sirens，buzzers and other sounds音调资源库中类别为“Temperature or Delivery of Energy”的高优先级报警声音作为标准声音[6]。图1 为该标准声音的脉冲群和音调示例图，其音调为C4 D4 E4-F4 G4，听觉表现为逐渐上升的音调，代表温度的逐渐升高，属于表3 中的“温度（能量）传输”类设备报警信号预定的音调要求。在消音室中采用同一音频播放设备播放该标准声音，模拟高优先级听觉报警信号。下文将采用声级计结合数字示波器和B&K 耳声分析系统结合音频分析软件2 种方法对该听觉报警信号进行检测和对比分析。

2.1 声级计结合数字示波器

采用声级计作为声音采集装置，通过音频输出接口将采集到的声音信号转换成电信号并输出，然后通过示波器显示该听觉报警时域波形。模拟高优先级听觉报警信号的脉冲群波形，如图2 所示，利用示波器移动标尺功能可进行听觉报警信号各时域特征的测量。采用示波器自带函数功能可分别对各个脉冲进行快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT），进而检测各脉冲的脉冲频率和谐波分量，然后通过脉冲频率判断各脉冲的音调。该听觉报警信号第3脉冲的时域波形和频率分析结果如图3 所示。

图2 声级计结合数字示波器显示脉冲群波形示例

图3 声级计结合数字示波器显示第3 脉冲时域波形及其频率分析结果

2.2 B&K 耳声分析系统结合音频分析软件

采用B&K 耳声分析系统[7]作为声音采集装置，模拟高优先级听觉报警信号录制成.wav 格式的声音文件，然后通过Adobe Audition 软件[8]打开该声音文件进行音频分析。图4 为听觉报警信号脉冲群波形和频谱音调图，利用音频分析软件“选区/视图”功能进行听觉报警信号各时域特征测量，通过“显示频谱音调”功能可直接查看各脉冲音调。另外，音频分析软件“频率分析”功能可对选定区域进行频率分析并读数，进而检测各脉冲的脉冲频率和谐波分量。该听觉报警信号第3 脉冲的频率分析结果如图5 所示。

图4 B&K 耳声分析系统结合音频分析软件显示脉冲群波形和频谱音调图

图5 B&K 耳声分析系统结合音频分析软件显示第3 脉冲的频率分析结果

3 检测结果分析

上述2 种检测方法均在消音室中进行，且采用同一音频播放设备播放标准声音来模拟带音调的高优先级听觉报警信号。2 种方法的区别在于声音采集方式和听觉报警信号特征提取方式不同。声级计结合数字示波器检测方法中，声级计进行声音采集和转换，数字示波器进行特征提取。B&K 耳声分析系统结合音频分析软件检测方法中，B&K 耳声分析系统进行声音采集和录制，Adobe Audition 软件进行特征提取。这2 种方法均能实现听觉报警信号特征的检测，且检测结果相差不大。

对比声级计结合数字示波器的检测方法，B&K耳声分析系统结合音频分析软件检测方法具有以下优势：（1）可连续采集并保存多组听觉报警信号，方便后续编辑分析，不受时间限制；（2）检测效率更高，可一次录制并保存多组信号，无需重复抓取波形，特征提取无需反复移动游标，检测更加快捷；（3）Adobe Audition 软件具有“显示频谱音调”功能，可直接读取音调，不需要通过脉冲频率间接判断音调，检测无需精通音律、音阶、音调等声乐知识；（4）Adobe Audition 软件具有剪切、升调、降调等声音编辑功能，通过该方法反馈检测结果可提高医用电气设备整改速度。

4 结语

本文在相同检测环境中采用2 种不同的方法对听觉报警信号进行检测，均能实现听觉报警信号的特征检测，且检测结果相差不大。针对带音调的医用听觉报警信号，B&K 耳声分析系统结合音频分析软件方法在音调识别、检测效率、便捷程度等方面更具优势。此外，该方法涉及的音调资源库——ISO/IEC 60601-1-8，patterson and other alarms in medical equipment sample alarm sounds-sirens，buzzers and other sounds 和Adobe Audition 数字音频编辑软件对听觉报警信号检测方法的研究大有裨益。通过本文研究，希望能解决带音调的医用听觉报警信号检测难题，促进检验人员提高检验效率和准确性，同时也为医用电气设备报警系统的设计研发提供思路和参考。