許歡，白瀅，牛鋒，何龍標，鐘波

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仿真耳的高頻校準

許歡，白瀅，牛鋒，何龍標，鐘波

(中國計量科學研究院，北京 100013)

仿真耳是聽力計量的主要儀器之一，為滿足聽力計在8~16 kHz高頻范圍內的計量需求，須對仿真耳進行高頻校準。通過適配器的使用，解決了仿真耳高頻校準中存在的測量結果不穩(wěn)定的問題。同時，針對仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級和仿真耳聲耦合腔聲學特性這兩項主要技術指標，建立了8~16 kHz頻率范圍內的自動測量系統(tǒng)，對其進行測量。測量結果表明聲壓靈敏度級的標準偏差小于0.2 dB，表征耦合腔聲學特性的頻響測量標準偏差小于0.3 dB。

仿真耳；高頻校準；純音聽力計

0 引言

聽力測量是研究聽力損失、聽閾和聽力測量方法的科學技術。人耳聽力狀況一般是用聽力計[1,2]進行測量。聽力計是用于測定個體對各種頻率感受性大小的儀器，通過與正常聽覺閾值相比，可以確定被試的聽力損失情況。按傳播方式分為氣導和骨導兩種聽力計，對應為純音聽力計和阻抗聽力計。在聽力計的檢定過程中，最常用的耳模擬器是仿真耳和仿真乳突。仿真耳用于檢定使用氣導耳機的純音聽力計，仿真乳突用于檢定使用骨導耳機的阻抗聽力計。因此，為了對聽力計進行檢定或者校準，須解決標準仿真耳[3]和標準仿真乳突[4]的計量問題。已有的仿真耳和仿真乳突的聲學特性測量和研究[5-9]，主要集中在125 Hz~8 kHz的常用測聽范圍。近年來，高頻聽力損傷問題日益突出，測聽設備高頻段的技術指標也顯得尤為重要。ISO和IEC等也相應出臺了關于把測聽設備頻率范圍從8 kHz延伸到16 kHz的標準[10-12]。

為滿足當前聽力計量的高頻校準需要，需要對仿真耳和仿真乳突進行高頻擴展。在高頻段，中國計量科學研究院現有的測量裝置存在測量結果不穩(wěn)定、重復性較差的問題。本文通過使用高頻擴展配件解決了其穩(wěn)定性和重復性差的問題。同時，搭建了自動測量系統(tǒng)對其兩項主要技術指標：聲耦合腔聲學特性和傳聲器聲壓靈敏度級進行測量。測量結果的標準偏差分別小于0.3 dB和0.2 dB。

1 實驗方法與裝置

仿真耳是模擬人耳物理特性的裝置，包括一個傳聲器和一個結構接近于人外耳聲學特性的聲網絡。它用于代替人耳感知聲音信號，從而對聽力設備的性能做出客觀評價。根據仿真耳的不同用途，仿真耳劃分為五類：用于測聽耳機校準的簡便式仿真耳、電話耳機用仿真耳、測聽耳機和其他寬頻帶耳機用仿真耳、助聽器等耳塞機用仿真耳、完全模擬人耳特性的實驗室用仿真耳。

本文使用的是符合IEC60318-1規(guī)定的仿真耳，其結構如圖1所示。仿真耳由三個聲耦合腔組成，體積分別為1、2、3。主級腔為錐形，且底面裝有傳聲器，兩個次級腔耦合到主級腔。這三個聲耦合腔的尺寸如圖1所示。

在現有校準裝置中，將耳機直接放置在仿真耳上，在高頻段校準聽力計時，由于耳機與仿真耳耦合狀態(tài)的差異，使得測量結果存在不穩(wěn)定、重復性較差的問題。由于高頻聲信號的波長較短，與仿真耳耦合腔尺寸可比，所以氣導耳機和仿真耳間的耦合位置稍有偏移，傳聲器測量的聲壓級會存在較大偏差。因此，需要固定耳機位置，本文使用適配器和錐形環(huán)對仿真耳的聲耦合腔進行高頻擴展。綜合考慮固定耳機、減少耳機和仿真耳間耦合產生的聲泄漏，適配器和錐形環(huán)的尺寸規(guī)格如圖2和圖3所示，其尺寸誤差不超過±0.3 mm，角度誤差不超過±2°。將適配器、錐形環(huán)按圖4所示的順序擺放：適配器置于仿真耳上方，錐形環(huán)置于適配器上方，耳機對稱的放在錐形環(huán)上。通過該裝置可實現仿真耳在8~16 kHz高頻段的校準。同時，適配器的存在增加了仿真耳的聲阻抗，這也符合人耳對高頻信號感知能力較弱這一規(guī)律。

在自由場條件下，傳聲器的保護柵由于其散射作用會影響其頻率響應。雖然在仿真耳腔體內可近似等效為壓力場條件，但在高頻條件下，波長較短，保護柵對傳聲器測量結果影響較為復雜。因此在仿真耳的校準或應用中，需要取掉傳聲器的保護柵并裝上適配環(huán)。

仿真耳測量的主要技術指標包括兩項，一是仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級測量，二是仿真耳聲耦合腔聲學特性測量。在利用適配器解決其重復性和穩(wěn)定性差的問題后，建立了自動測量系統(tǒng)，對這兩項指標進行測量，并評估其標準偏差。

1.1 聲耦合腔聲學特性測量

聲耦合腔聲學特性測量裝置如圖5所示，將高阻抗標準耳機作為聲源正向耦合于仿真耳上，并在耳機上作用(4.5±0.5) N的靜態(tài)力，避免耳機耦合狀態(tài)不佳產生聲泄露。計算機控制信號發(fā)生器產生50 Hz~16 kHz的正弦信號，輸出至互易校準儀(提供200 V直流極化電壓，同時給交流信號提供6 dB增益)，進而激勵高阻抗標準耳機，使其產生聲信號。仿真耳中的標準傳聲器將接收到的聲信號轉化為電信號，并通過前置放大器將信號送至測量放大器，測量放大器與計算機通過GPIB接口連接，采集不同頻率下的信號，最終得到仿真耳在標準阻抗耳機作為聲源作用時的頻率響應曲線。

1.2 傳聲器聲壓靈敏度級測量

用耦合腔比較法[13]測量仿真耳中傳聲器的聲壓靈敏度級。仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級測量裝置如圖6所示，將經過耦合腔互易法校準[14]的實驗室標準傳聲器(參考傳聲器)與仿真耳中的傳聲器(被測傳聲器)同時或順時暴露于相同聲場中，它們的靈敏度之比由兩者的開路電壓之比給出。參考傳聲器的聲壓靈敏度已由耦合腔互易法測得。用公式(1)[13]就可算出被測傳聲器的靈敏度。

式中：為被測傳聲器的聲壓靈敏度，mV/Pa；為參考傳聲器的聲壓靈敏度，mV/Pa；為被測傳聲器與參考傳聲器的輸出之比；為作用在被測傳聲器與參考傳聲器上的有效聲壓之比。

為了消去兩個通道增益的所有差別(包括其它系統(tǒng)影響)，減小測量誤差，被測或參考傳聲器的輸出測量可通過在兩個測量通道之間交換傳聲器并重復進行測量。

當兩個傳聲器的膜片面對面相互緊密接近，在兩個測量通道上測量它們的輸出，并讀出兩個通道之差[13]，用級表示：

公式(2)中假定傳聲器的靈敏度不相同，但其它機械和電性能相同。傳聲器交換后，讀出的兩通道之差[13]為：

用式(2)減去式(3)，兩傳聲器的靈敏度級之差為：

2 實驗結果

2.1 聲耦合腔聲學特性測量結果

對 4153型仿真耳耦合腔進行10次測量，測出仿真耳聲耦合腔的頻率響應(參考頻率1 kHz)。計算出10次測量的平均值和標準偏差，結果見表1。由表1可知，在8~16 kHz高頻范圍內，其頻率響應測試結果的標準偏差最大值出現在16 kHz處，為0.29 dB，說明適配器和錐形環(huán)的引入能夠控制其測量重復性。

表1 聲耦合腔聲學特性

2.2 傳聲器聲壓靈敏度級測量結果

測量10次被測傳聲器與參考傳聲器的聲壓靈敏度級差值，加上實驗室標準傳聲器的已知聲壓靈敏度級，即為仿真耳中傳聲器的聲壓靈敏度級(見表2)，標準偏差的最大值為0.14 dB。

表2 傳聲器聲壓靈敏度級

3 結論

本文參考IEC 60318-1和IEC 60645-4的技術要求，對仿真耳的校準進行高頻擴展。采用適配器和錐形環(huán)約束高阻抗耳機的聲耦合位置和狀態(tài)，使測量結果穩(wěn)定、具有重復性，同時適配器引入的額外體積，改變了仿真耳聲耦合腔的聲阻抗特性，使之更符合人耳的高頻特性；同時為避免傳聲器保護柵對聲場的影響，用適配環(huán)代替保護柵。

為了驗證仿真耳高頻校準結果的重復性，對仿真耳中傳聲器聲壓靈敏度級和仿真耳聲耦合腔聲學特性進行測量，測量結果表明其標準偏差分別小于0.2 dB和0.3 dB。仿真耳高頻校準能力的擴展，可用于純音聽力計的高頻段校準，提高高頻聽力損傷的診斷能力。

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Calibration of artificial ear in the high-frequency range

XU Huan, BAI Ying, NIU Feng, HE Long-biao, ZHONG Bo

(National Institute of Metrology, Beijing 100013, China)

Artificial ear is the main measurement instrument for audiometry. To satisfy the demand for the value traceability of audiometers in a high-frequency range of 8~16 kHz, It is necessary to calibrate the artificial ear in the corresponding frequency range. Here, the utilization of adaptors provides an effective solution to the problem of instability existing in the high-frequency calibration.Furthermore, anautomatic calibration system is developed for the artificial ear system to measure both the sound pressure sensitivity levels of the microphone and the acoustic characteristic of the coupler in the range between 8~16 kHz. The experimental results show that the standard deviations measured for these two parameters are lower than 0.3 dB and 0.2 dB, respectively.

artificial ear; high-frequency calibration; pure-tone audiometer

TB533

A

1000-3630(2015)-01-0054-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.011

2013-09-29;

2014-01-04

許歡(1984－), 女, 北京人, 碩士研究生, 研究方向為聲學計量。

許歡, E-mail: xuhuan@nim.ac.cn