固定式声场测听设备校准方法

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着医疗事业的不断发展，固定式声场测听设备（以下简称测听设备）在北京、上海等地区的医院和助听器验配机构得到了广泛的使用，主要用于在各类声场中进行听力测试。它的特点在于既可对各类人群进行基本的听力测量，也可对佩戴助听器或人工耳蜗的听力受损者及残障人士进行声场测听。测听设备一般由信号源、功率放大器、信号级控制器和一个或多个固定放置在测听室内的扬声器等部分组成。由于测听设备的声场使用特性和信号特性，现有的规程及文献所涉及的校准方法对于其均不适用，JJG338-2012只涉及使用气导耳机和骨导耳机的校准[1]，JJF1581-2016[2]只涉及可移动的手持式一体化设备的校准[3]，冀飞的文章《听阈测试用声场的构建和零级校准》只涉及了声场听阈的零级校准[4]。因此，本文分别介绍测听设备的基本工作原理及其声音信号的特点，再结合GB/T 4854.7-2008[5]和 GB/T16296.2-2016[6]对声场测听的具体要求，对不同的声场类型和声音信号类型给出相应的校准方法。

2 测听设备的校准方法

听力测试，一般是在声场内发出特定的测试声音信号，由身在其中的被试进行感知和判断，完成测试过程。故而，测听设备的计量主要在于对不同类型声场与其发出的测试声音信号的联动校准。表1给出了不同测听室的声场类型[7]以及不同声场类型可选用的声场测听信号[6]。在自由场或者准自由场中使用啭声进行自由场声场测听是目前使用最广泛的声场测听方式，这里重点介绍进行此类声场测听时的校准方法，其他声场测听方式的校准方法与此类似。

表1 声场测听信号与声场类型的组合类型

2.1 啭声的校准

啭声是频率作正弦式调制的纯音[4]，它的频率围绕某个中心频率进行周期性变化，使用啭声可以有效避免在声场中产生驻波。本文对啭声的校准从啭声自由场测听的声压级误差、谐波失真和级线性误差三个方面进行分析介绍。

2.1.1 啭声自由场测听的声压级误差

啭声自由场测听的基准听阈声压级在GB/T 4854.7-2008中进行了规定。对于啭声自由场测听的声压级误差的校准测量装置如图1所示，在测听室（自由场或者准自由场）内进行。测听设备的信号源等部分放置在测听室外，扬声器部分固定放置在测听室内，测量传声器放置在测听室的参考点处，测量传声器与扬声器参考轴的夹角和受试者进行声场测听时的声音入射角度一致（即0°、45°或90°入射）。

啭声输出为稳态信号，因此，可以通过10s的平均值来获得啭声输出大小。以1kHz持续啭声信号的校准为例，听力级输出值设置为b，在声分析仪上得到的1/3倍频程分析图如图2所示，可以得到1kHz处的声压级输出值Lf，根据式（1）计算啭声自由场测听的声压级误差。

图1 测听设备校准的测量装置

式中：δf——啭声自由场测听的声压级误差，dB；

b——校准时测听设备设置的听力级，dB；

Lf——用声分析仪测得的啭声自由场测听的声压级，dB；

Lfrtspl——自由场测听的基准听阈声压级，dB

图2 1kHz啭声信号的1/3倍频程分析

2.1.2 啭声谐波失真

啭声作为一种频率一直变化的测试信号，无法使用传统的失真度仪进行谐波失真校准，因此，本文参考纯音听力计的校准方法，采用了测量谐波电压的校准方法[1]。在测试频率点啭声输出的声压级越大，其所引入的谐波失真越大，过大的谐波失真会引入其他频率点的啭声从而影响声场测听的准确性。GB/T16296.2-2016中建议测听设备在125Hz的谐波失真一般不大于5.0%，125Hz以上频率点的谐波失真一般不大于3.0%，所以为保证声场测听的准确性，应找到每个频率点可用于声场测听的最大听力级设置。

谐波失真的测量装置见图1，为避免过高的声压级输出（特别是低频输出）对测听设备的扬声器带来损坏，校准应从较低的听力级设置值开始。本实验初始听力级设置为50dB，逐次改变测听设备输出频率，在声分析仪上测出各次谐波电压值，用式（2）计算各频率的谐波失真d，逐档增加测听设备的输出听力级，记录各频率使得d满足技术要求的最大听力级档位

式中：u2——二次谐波电压值，mV；

u3——三次谐波电压值，mV；

u4——四次谐波电压值，mV；

u——总信号（含基波）电压值，mV

2.1.3 啭声声压级级线性误差

因为被试在测听室内会受到环境噪声和测试信号谐波失真的影响，因此，需要通过校准来明确测听设备可用的听力级范围，并在该范围内校准啭声声压级级线性误差。

校准时，首先将测听设备设置为不发声，记录在声分析仪上显示的环境噪声。然后将测听设备设置为持续发声，听力级设置谐波失真校准时得到的最大听力级档位，采用标称步进值向下逐档降低测听设备听力级输出值，记录在每一输出档位上声分析仪显示的三分之一倍频带声压级，然后计算相邻档位的衰减值，最后计算标称步进值与衰减值之差。声分析仪输出声压级的信噪比小于10dB的档位不予校准，但予以记录，最大允许误差一般不超过步进值的 ±3/10dB 或 ±2.0dB（两者取其较小者），从而可以确定最小听力级档位。应在1kHz频率点进行校准。

2.2 其他类型声音信号的校准

测听设备除了发出啭声信号之外还会发出纯音和窄带噪声，其校准与啭声类似。其中纯音只能在自由场中使用，而窄带噪声只能在混响室（扩散场）中使用。进行窄带噪声扩散场测听的声压级误差的校准时，应使用扩散场测听的基准等效声压级作为标准值。

3 测听设备的校准实例

如图3和图4所示，本文以GNOTOMETRICS A/S公司MADSEN品牌固定式声场测听设备（Astera型听力计外接扬声器）为测试样品，在准自由场条件下的测听室内进行，测试信号为啭声，采集设备为丹麦B&K公司3160型多通道声分析仪和4190型工作标准传声器，级线性校准时采用1kHz信号，采用本文的校准方法，得到的校准结果如表2、表3和表4所示。从测量结果可以看出，不同频率点能使用的最大听力级不同，125Hz的谐波失真较大，1kHz频率下满足要求的听力级范围为20～105dB。

图3 测听设备校准现场（测听室内）

图4 测听设备校准现场（测听室外）

表2 测听设备校准结果

表3 测听设备不同听力级档的自由场测听声压级(1kHz)

表4 测听设备级线性校准结果(1kHz)

4 结语

本文介绍了测听设备的应用范围和工作原理，重点分析了此类设备所使用的声音信号及其特点，在此基础上给出了切实可行的校准方法，最后给出了一个校准实例。通过本文的分析，一方面为测听设备的校准提供了新的方法，填补了该方面的空白，另一方面也为测听设备的研发、生产和使用提供了更为全面的评价参数。