真耳内置传声器测试设备研究

巩泉泉，窦丹丹，谢连科，王 坤，张国英

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

火电厂、抽水蓄能电站等都有大量产生高噪声的生产设备［1-5］；产生的噪声可达100 dB 以上，对现场作业人员听力造成严重损伤［6-8］。为了保护处于噪声环境中的作业人员的听力，必须采取适当的听力保护措施［9-10］。佩戴护听器是火电厂、抽水蓄能电站等最常见的听力保护措施［11-12］。护听器通过阻隔噪声进入外耳道，使到达人耳的噪声水平低于职业接触限值，帮助降低噪声危害［13-14］。当作业环境噪声对听力有害但并不强烈时，佩戴合适的护听器既能达到保护听力的目的，也能大大降低生产设备改造成本［15-16］。护听器目前在世界范围内得到广泛应用，在人耳减少噪声影响方面发挥着重要作用［17-18］。

目前，用于验证护听器适用性的方法主要为主观方法和客观方法。声学测试ISO 系列标准是基于护听器声学性能评价的三种方法制定的，分别为真耳听阈衰减（Real Ear Attenuation at Threshold，REAT）、真耳内置传声器（Microphone In Real Ear，MIRE）和专用声学测试装置（Acoustic Test Fixture，ATF）［19-20］。其中，真耳听阈衰减是主观方法，真耳内置传声器和专用声学测试装置是客观方法。本研究中，根据真耳内置传声器法开发了一套可以客观测试护听器插入损失的设备，并探讨其影响因素及可行性。

1 真耳内置传声器法

真耳内置传声器法是在真人耳道内放置麦克风收集声音信号来取代鼓膜的响应，该方法已在实验室中使用了很多年。并在美国国家标准学会（AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE，ANSI）制定的ANSI 标准中进行了描述。目前已在该领域中用作MIRE，大多数情况下用于带电路的护听器在电路开启状态下的性能评价。

MIRE 是与REAT 方法类似的客观评价方法，只是在测试过程中，用麦克风收集耳道内的声量而不是依靠人的感觉。使用MIRE 方法进行测试时，可以使用一个带柔软纤细的探测管的麦克风，或微型内置麦克风，小心地放入耳道内，注意不要影响入耳式护听器的佩戴效果。用这种测试方法可以连续检测一段时间内防护值的变化情况，获取很有参考意义的数据。

MIRE 方法的一个优点是可以用于测试在一个宽范围声压水平情况下某些非线性护听器的声衰减能力。麦克风的放置对操作者要求非常高，既要求不影响护听器的佩戴位置，又不能产生明显的泄漏，因为这些因素会直接影响测试的结果。另外，麦克风的探测管或连接线会产生共振和泄漏。还有一个需要考虑的因素是，当专业的操作人员进行这些操作时，受试者会感到紧张，并且可能会刻意将护听器佩戴得尽可能好，这样有可能得不到有参考意义的数据。

2 测试装置设计

针对MIRE的优缺点，设计的真耳内置传声器测试装置由两个测试传声器、声导管、支架、双通道频谱分析仪组成。耳塞打孔，穿上声导管，声导管安装在测试传声器上，支架将两个测试传声器固定在一起。两个测试传声器接到双通道频谱分析仪上，同时测试耳道内与耳道处的声压级及噪声频谱，两个通道的测试结果相减再加上相应的修正值就可以得到佩戴护听器实际个人接收到的噪声值。如图1所示。

图1 真耳内置传声器测试装置

两只测试传声器戴在头上，固定位置有少许差异，可能会造成参考传声器与测试传声器测到的声压级不相同。将测试支架固定在人工头（假人）上，在混响室及消声室内测试两个传声器测到的声压级差，为了消除传声器及测试系统的误差，应交叉两个传声器的位置重复做一次。计算两次测量到的声压级差的平均值，可以得到因为固定位置引起的误差。

声导管是一个细管，安装在测试传声器上时会对测试传声器的灵敏度造成影响，在不同的频率下也不相同，需要测试出来不同频率下的衰减值。将测试传声器固定在消声室内，距离声源1 m 以上，让声源按1/3 OCT 发出50～10 000 Hz 的纯音，用频谱分析仪记录下每个中心频率点的声压级。再将声导管带上，重复测试50～10 000 Hz 纯音下的声压级，两个声压级相减就可以得到声导管的衰减特性。声导管为一个细硅胶管，隔声能力有限，当它的隔声量小于耳塞时，测试结果就会造成较大误差。

3 设备可靠性分析

3.1 固定位置的影响

为分析两只测试传声器在头上固定位置的影响，设计以下实验过程：在混响室里，将测试支架及测试传声器固在人头上，测量10 s，交换位置后再测10 s，对结果平均，得到两个传声器位置的声压级差见表1和图2。

表1 传声器位置、声导管衰减值及隔声量的影响

图2 不同频率下两个位置传声器之间的声压级差结果

测试结果在2500 Hz 以下重复性较好且声压级差较小。安装方式可以改为上下结构，且两只传声器的位置尽可能接近。

3.2 声导管的频率特性

由于声导管的加入，传声器的灵敏度产生衰减，数据如表1 和图3 所示。由于管子比较细且短，主要衰减发生在高频，总的衰减较低。如果对测试结果要求较高，可以对耳塞隔声测试结果按表1进行补偿。

图3 不同频率下声导管衰减值

3.3 声导管的隔声量

声导管自身的隔声量也会对测试结果造成影响。为测试导管的隔声量，在混响室内，将声导管的入声口堵住，对声导管的隔声量进行测试，测试结果如表1 和图4 所示。声导管隔声量较大，高频区域可达40 dB以上，在真耳测试时需要进行校准。

图4 不同频率下声导管隔声量

4 测试设备与仿真耳、真耳测试比对

插入式耳塞目前还没有标准规定专用声学测试装置，采用IEC711 防真耳进行测试，测试装置如图5所示。耳塞插入仿真耳前后的声压级差作为耳塞的插入损失。

图5 用仿真耳测试耳塞插入损失

分别选择泡棉圆柱型耳塞、泡棉火箭型耳塞、泡棉子弹头耳塞、硅胶圣诞树耳塞等不同类型的耳塞作为测试对象。经测试，不同耳塞的插入损失结果如表2所示。

整理表2 各频段数据如图6 所示。从图6 中可以发现，不同耳塞的插入损失基本类似，只有泡棉子弹头耳塞在高频部分，插入损失明显下降。

图6 仿真耳测试不同耳塞各个频段的插入损失

再利用本测试装置对耳塞插入损失进行测试，如图7 所示。将测试装置上带有声导管的耳塞插入IEC711 仿真耳，测试装置上参考传声器与检测传声器之间的声压级差为耳塞插入损失。

图7 测试耳塞插入损失

同样选择泡棉圆柱型耳塞、泡棉火箭型耳塞、泡棉子弹头耳塞和硅胶圣诞树耳塞作为测试对象。经测试，不同耳塞的插入损失结果如表3所示。

表3 测试装置测试不同耳塞各个频段的插入损失结果

将表3 各频段数据整理如图8 所示。图8 对比图6，发现相比采用仿真耳的测试，本设备的高频插入损失差较小，这主要是声导管隔声量不够造成的。

图8 测试装置不同耳塞各个频段的插入损失

最后，进行真耳测试，将测试装置佩戴在被测人员头上，在消声室内对耳塞的隔声量进行测试，测试结果如表4所示。

表4 真耳测试不同耳塞各个频段的插入损失结果

同样将表4各频段数据整理如图9所示。与使用仿真耳进行测试结果相比，真耳测试的插入损失值要偏小。

图9 真耳测试不同耳塞各个频段的插入损失

5 结语

经过对设备各项对比，研发的检测设备以真耳内置传声器法为理论依据，可以用于耳塞实际佩戴效果的测试；本设备的测试样品在测试过程中会经过穿孔过程，经破坏后的护听器在声衰减值500 Hz以上的差值不超过3 dB，对入耳式护听器的防护效果影响不大；在500 Hz以下，由于测试过程中人耳的轻微动作，会引起低频段插入损失的抖动变化；由于耳塞打孔，声导管隔声量不高的因素，此装置在测试高插入损失的耳塞时，实际会出现测试结果偏低的现象，但是对影响测试插入损失影响不大；总体而言，本设备可以方便地检查出耳塞佩戴不规范引起的耳塞隔声量大幅下降的现象。

但本设备对于提高声导管隔声量、减小体积等方面需要进一步进行研究，以便用于火电厂、抽水蓄能电站等现场作业的人员佩戴耳塞后真耳测量。