高性能听力测试系统的研制

【作者】曹俐，李勇，黄海萍，邓振进，吴碧涛，刘鹏举，彭再明

1 湖南省医疗器械检验检测所，长沙市，410001

2 湖南可孚听力技术有限公司，长沙市，410007

0 引言

纯音听力计是一种用于测量人耳听阈的计量器具，为诊断听觉疾病提供依据，其测量准确性直接关系到医疗诊断结果的有效性和可靠性[1]。目前已有的纯音听力计体积大、不易携带，采用模拟电路发声，产生的信号质量差，利用机械电位器设计的衰减电路精度和准确性较差，而且易受环境影响大，可靠性低[2-3]。

纯音信号的实现方法复杂多样[4-7]，但听力测试系统对信号源声音质量要求高、可控性强，因此产生稳定高质的听力测试信号是听力计系统开发的重点和难点。针对已有听力计的不足，提出一种高性能听力测试系统设计方法，通过采用优化的随机算法、精密的后期处理、高效的D/A转换电路等手段输出符合国标要求的声音信号，同时融合言语测听功能。本设计方法在实际应用中已取得了良好的效果。

1 设计原理与方法

本系统设计包括硬件设计和软件设计，其中硬件设计主要包括信号产生和音量控制两个模块，软件设计主要包括产生不同频率、不同幅值的正弦信号，以及系统工作流程。

1.1 硬件总体设计

根据国标GB/T 7341.1[8]和国家计量检定规程JJG 388[9]的规定，系统需要生成频率范围在125 Hz～8 kHz、误差小于±2%，幅值范围为-10～-120 dB、偏差在±3 dB以内的高质量纯音信号。本系统硬件组成，如图1所示。

图1 听力测试系统硬件组成架构Fig.1 Block diagram for the hardware composition of the hearing test system

本系统选用32位高性能单片机（microcontroller unit，MCU）作为主控单元，控制信号处理模块、指示灯、按键、显示器和打印模块等。DSP信号处理模块将信号传输至外部换能器气导耳机和骨导耳机，换能器发出声音。LED显示模块采用7 in的800×480高分辨率全彩色屏幕，按键阵列使用专用按键阵列驱动IC。本测试系统两个关键模块为DSP音频信号产生模块和高精度音量控制模块。音频信号部分使用AD公司的专用DSP芯片，音控模块采用Bur-Brown公司的高保真音量控制IC。

1.1.1 DSP信号生成模块

由于系统对纯音信号的频率精度、切换速度和信噪比等质量参数要求很高[10]，设计时为简化电路结构，提高可靠性，系统采用新型DSP处理器来实现生成纯音、啭音信号，控制频率和幅度等核心功能。

本DSP芯片音频系统包含28/56 bit音频DSP、ADC、DAC以及类似微控制器的控制接口。DSP信号处理模块，如图2所示。这款可编程数字信号处理器可以同高端立体声设备中的信号处理相媲美，允许用户利用双二阶滤波器、信号发生器、信号调制器、动态处理器、电平控制以及GPIO接口控制通用等手段，配置用户定制的信号处理流程。信号处理包括平衡、混音、低音增强、多波段动态处理、延迟补偿以及立体声扩展等，可以根据特殊需要对各种音频波形生成、整形、滤波等操作，对需要的调制、带宽等进行补偿，对感受到的音频质量进行动态处理。大多数处理是由完全的56 bit双精度模式完成的，因此带来非常优良的低电平信号性能。

图2 DSP信号处理模块Fig.2 DSP signal processing module

DSP处理器中带有两个ADC与四个DAC可提供98.5 dB动态的模拟输出及模拟输入。每个ADC的总谐波失真+噪声（THD+N）为-83 dB，每个DAC的总谐波失真+噪声（THD+N）为-90 dB。数字输入与输出端口允许与额外ADC与DAC的无缝连接。DSP通过I2C总线端口和MCU通信。同时，DSP作为全机的音频中枢，还负责接收客户麦克风和言语测听模块的输入切换和信号处理功能。言语测听模块由一个通用音频模块组成，可以存储各种音频格式文件，内存可通过TF卡扩展，负责储存语言、音乐等各种实时波形，由MCU主控单元控制播放，并通过DSP进行音频调节，以实现各种实时信号的检测需要。

1.1.2 音量控制模块

DSP输出的音频信号通过Bur-Brown公司的高保真音量控制IC进行精细调节，这是一片内部精密激光校准电阻的音量控制IC，控制范围达到127 dB，信号增益和衰减范围宽为+31.5 dB至-95.5 dB，步距为0.5 dB，具有极低噪声和失真，在1 kHz时仅为2×10-6，拥有120 dB动态范围。模块由单片机MCU直接控制模拟音量，两个音频通道采用串行接口，可独立控制输出，方便左右耳的测试。该模块具有过零检测功能，能够在音频信号过零点后再变化音量，消除音量变化时的突变。

因为听力计要求的音量控制范围大于127 dB，因此同时使用了DSP的40 dB增益控制，使得总控制范围达到167 dB，以满足后期对声强校准时不同频率听觉阈值带来的宽衰减范围要求。音频推动使用了高压高保真耳机推动芯片TPA6120以获得高质量的音频输出和高的功率驱动，这片耳机功放能够在驱动16 Ω负载时输出大于0.5 W的功率同时还能保持极低的失真，并且功放部分信噪比值可到128 dB。

1.1.3 其他功能模块

本系统还需显示、按键输入、打印等功能。显示屏采用带128 MB显存的800×480全彩屏，字库和图片直接存储在屏幕芯片并自行驱动显示，减少了MCU的显示运算能力要求，提高了整机的程序运行效率。

本机按键比较多，所以使用一片按键处理芯片，把按键阵列的变化通过串行方式回传给单片机主控中心，并根据指令控制对应的指示灯。机器带有三个数字编码器，分别控制左右声强和频率，方便快捷且保证全使用寿命期内的耐用性。

本系统带有EEPROM，可储存受试者验配数据以及客户信息，掉电不会丢失，方便下次查验时回看并可以打印。打印模块采用驱动热敏打印机，可直接打印输出测试结果，方便快捷而且占用空间更小。

为满足声场测试需要，本系统还内置声场驱动功放模块，功率足够推动两个30 W的外置扬声器，无需外接功放。

1.2 软件总体设计

听力测试系统配套有纯音测听、言语测听、用户信息存储、查询和打印等功能。当系统开机，进行DSP初始化，加载校准参数，初始化UI界面。判断是否有啭音标志，是则生成啭音，若无则进入判断是否有脉冲给声标志，有则进行脉冲处理，判断用户是否按下应答键，如果按下，则屏幕灰色圆圈亮绿灯。当用户旋转旋钮时，显示屏界面数值出现变化，进行参数的调整。当检测到有按键动作，则执行相应的功能处理。

2 听力计测试

2.1 纯音信号频率准确度

固定频率听力计应具有国标GB/T 7341.1规定的测试频率，对于1型和2型听力计，其频率允差为±1%，对于3型和4型听力计，其频率允差为±2%。本系统属于3型听力计，各频率点允差测试满足国标要求。新型DSP具有很好的频率响应平坦度，可以很好地控制听力计的频响特性。示波器测量听力计耳机在1 kHz的输出接口波形，纯音信号可判定为正弦波，频率误差为0.0057%。

2.2 纯音信号总谐波失真

总谐波失真分为气导总谐波失真和骨导总谐波失真。在纯音信号各频率点上，通过改变带通滤波器的频率，依次测出气导耳机或骨导耳机输出接口各次谐波电压值，根据式(1)计算各频率点的总谐波失真D：

式中，V2、V3、V4分别为二次、三次、四次谐波电压值，V为总信号谐波电压值。

表1为各频率点气导和骨导总谐波失真测试结果，可以看出最大总谐波失真都没超过国标要求，而且性能远优于国标规定值。

表1 气导和骨导总谐波失真测试Tab.1 Total harmonic distortion test for using air conduction and bone conduction

此外，还测试了高频信号的总谐波失真，当信号为6 kHz时，耳机输出的总谐波失真THD=0.0247%。8 kHz时，耳机输出的总谐波失真，THD=0.0616%。

2.3 纯音信号缓升缓降测试

根据GB/T 7341.1的要求，电声学测听设备纯音信号需要缓升缓降（亦称之为淡入淡出）。DSP的增益调整单元很容易实现这个功能，在送音开始和结束时，信号的缓升缓降以±1 dB为增益步进单位，以0.8 ms为时间间隔对输出增益进行调整，即可实现声音信号的缓升缓降。

2.4 掩蔽声测试

DSP内部自带的白噪声发生器是一个宽带的随机噪声发生器，本系统听力计测试信号需要窄带频谱，可通过添加一级带通滤波器来实现窄带的需求。当调整纯音信号频率时，掩蔽噪声的频率也需要跟踪变化，调整带通滤波器的相关参数即可实现掩蔽噪声中心频率的切换。中心频率分别为500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz时的窄带带通滤波器的实测频谱，如图3所示，可以看出以测试频率为几何中心，每倍频程以至少12 dB的速率下降，满足掩蔽声的测试要求。

图3 掩蔽声测试结果Fig.3 Masking sound test results

2.5 系统底噪测试

对于听力测试系统能否正常工作，不仅取决于纯音信号的大小，而且也与听力测试系统内部噪声大小有关。将音频分析仪连接听力计输出端，听力计发出指定频率和声压级的测试信号，计算信号能量值与噪声能量值的比值，也就是信噪比。1 kHz、100 dB的测试信号在分析仪输出频谱中有一能量最高值，约为-19 dBr，而频谱中水平处噪声值大致平均在-100 dBr，因此听力计整体信噪比约为80 dBr。听力计信噪比数值越高，底噪越小，听力计性能就越好。

3 结论

本测试系统采用32位单片机，自带大尺寸彩色LCD，不需依靠上位机，可独立运行，可靠性强，高度集成，安装简易；音频模块采用SigmaDSP芯片来实现，相比其他同类产品而言，很大程度上简化了设计过程，具有高线性度，低谐波失真的性能，软件方面采用图形化的界面，操作方便，可直接在听力计上显示香蕉曲线图，并有言语测听、用户管理、打印等功能。系统加入时钟模块与物联网模块，可通过物联网自动更新当前时间并标记到用户数据里，并且能够使测试数据通过云中转，听力测试结果可以跨平台共享，实现测听结果的大数据。听力数据是下一步助听器验配和选型的依据，在大数据的基础上，验配师可以直接调用测试结果，避免了可能的人为误操作，实现了闭环通信结构，这是产品的一大创新点。

此外，本听力测量系统本底噪声小，发音准确，纯音开关的缓升缓降，纯音，啭音、窄带噪声都使用DSP发声，不需要频繁校准，使用B＆K校准。高精准音量控制模块可实现连续衰减/步进5 dB/2 dB/1 dB，误差仅为0.5 dB；气导125～ 8000 Hz，骨导250～6000 Hz，频率准确度高，误差小于±1%。气导总谐波失真度小于1%，骨导失真度小于1%。目前系统正得到较好应用，低成本实现高性能。同时，本系统可集成言语测听功能，并且独立开发噪声下的言语测听，使评测结果更精确。