鄧 崢 周子煒 陳文王 唐曉花 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

手持式聲場(chǎng)型聽(tīng)力篩查儀校準(zhǔn)方法

鄧 崢 周子煒 陳文王 唐曉花 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

介紹了現(xiàn)有手持式聲場(chǎng)型聽(tīng)力篩查儀的應(yīng)用范圍和工作原理，分析其發(fā)出的聲學(xué)信號(hào)如囀聲的特點(diǎn)，根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種可行的新校準(zhǔn)方法，并給出了一個(gè)校準(zhǔn)實(shí)例。

手持式聲場(chǎng)型聽(tīng)力篩查儀；囀聲

0 引言

隨著醫(yī)療事業(yè)的不斷發(fā)展，手持式聲場(chǎng)型聽(tīng)力篩查儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)篩查儀）在上海的婦幼保健院和地段醫(yī)院中得到了廣泛使用，它對(duì)于保護(hù)嬰兒的聽(tīng)力安全發(fā)揮了重要作用，因此需要定期進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)?？紤]到篩查儀的聲場(chǎng)使用特性，文獻(xiàn)［1］中所提及的校準(zhǔn)方法不能適用于篩查儀。本文將分別介紹篩查儀基本工作原理及其聲音信號(hào)的特點(diǎn)，再結(jié)合文獻(xiàn)［2］和［3］中對(duì)聲場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的具體要求，對(duì)不同的聲音信號(hào)給出相應(yīng)的校準(zhǔn)方法。

1 篩查儀校準(zhǔn)方法

篩查儀通過(guò)在測(cè)聽(tīng)室內(nèi)發(fā)出特定的聲音信號(hào)來(lái)刺激嬰幼兒的聽(tīng)覺(jué)，觀察嬰幼兒的身體反應(yīng)來(lái)判斷嬰幼兒聽(tīng)覺(jué)是否存在異?，F(xiàn)象，因此篩查儀的計(jì)量主要在于其所發(fā)出聲音信號(hào)的校準(zhǔn)。篩查儀所發(fā)出的聲音信號(hào)通?？梢苑譃閲事?、窄帶噪聲、寬帶噪聲和濾波復(fù)合音四種。

1.1 囀聲的校準(zhǔn)

囀聲是頻率作正弦式調(diào)制的純音［4］，它的頻率圍繞某個(gè)中心頻率進(jìn)行周期性變化。篩查儀使用囀聲一方面是為了更容易吸引嬰幼兒的注意力，另一方面是為了避免駐波的產(chǎn)生。如圖1所示，篩查儀所使用的囀聲可以分為持續(xù)性和非持續(xù)性?xún)煞N。本文對(duì)囀聲的校準(zhǔn)從囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)誤差、頻譜特性值、聲壓級(jí)控制器誤差和失真特性值四個(gè)方面進(jìn)行分析介紹。

1.1.1 囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)誤差

自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)在文獻(xiàn)［2］中進(jìn)行了規(guī)定。如圖2所示，對(duì)于囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)的校準(zhǔn)在全消聲室（自由場(chǎng)）中進(jìn)行，篩查儀聲中心和測(cè)量傳聲器的距離d由制造商規(guī)定，通常為10 cm或者50 cm。對(duì)于持續(xù)性囀聲和非持續(xù)性囀聲將分別進(jìn)行分析。

圖1 持續(xù)性和非持續(xù)囀聲波形

圖2 篩查儀在全消聲室（自由場(chǎng)）內(nèi)校準(zhǔn)示意

1）持續(xù)性囀聲輸出

從圖1可以看出，持續(xù)性囀聲的時(shí)域特性是一個(gè)穩(wěn)態(tài)信號(hào)，因此可以通過(guò)一段時(shí)間的平均值來(lái)獲得囀聲輸出值。以1 kHz持續(xù)囀聲信號(hào)的校準(zhǔn)為例，將輸出值設(shè)置為80 dB，在聲分析儀上得到的1/3倍頻程如圖3所示，由此可以得到1 kHz處的聲壓級(jí)輸出L80。若篩查儀的80 dB輸出標(biāo)注為聽(tīng)力級(jí)，則可以根據(jù)式（1）計(jì)算囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)誤差；若篩查儀的80 dB輸出標(biāo)注為聲壓級(jí)，則可以根據(jù)式（2）計(jì)算囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)誤差。

圖31 kHz持續(xù)囀聲信號(hào)的1/3倍頻程

式中：Lhfdev—— 輸出標(biāo)注為聽(tīng)力級(jí)時(shí)，囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)誤差，dB；

L80—— 囀聲輸出設(shè)置為80 dB時(shí)，篩查儀的輸出聲壓級(jí)，dB；

LFRTSPL—— 自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)［2］，dB；

K —— 背景噪聲修正值，dB。對(duì)于背景噪聲較低的全消聲室，此修正值可忽略

式中：Lsfdev—— 輸出標(biāo)注為聲壓級(jí)時(shí)，囀聲自由場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)誤差，dB

對(duì)于3 kHz的持續(xù)囀聲信號(hào)，得到的1/3倍頻程如圖4所示。可以看到，2.5 kHz和3.15 kHz都有明顯的信號(hào)輸出，因此需要根據(jù)式（3）計(jì)算得到L80。

式中：L80_2500—— 囀聲輸出設(shè)置為80 dB時(shí)，篩查儀在中心頻率為2.5 kHz的1/3倍頻帶處的輸出聲壓級(jí)，dB；

L80_3150—— 囀聲輸出設(shè)置為80 dB時(shí)，篩查儀在中心頻率為3.15 kHz的1/3倍頻帶處的輸出聲壓級(jí)，dB

圖43 kHz持續(xù)囀聲信號(hào)的1/3倍頻程

2）非持續(xù)性囀聲輸出

由圖1可以看出，非持續(xù)性囀聲的時(shí)域特性是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，中間有很多無(wú)信號(hào)輸出的間隔時(shí)間，因此時(shí)間平均的方法并不適用，本文采用了最大值保持的方式。將聲分析儀的頻率響應(yīng)設(shè)置為線性，并采用指數(shù)平均，時(shí)間常數(shù)設(shè)置為1 s，并開(kāi)啟1/3倍頻帶聲壓級(jí)最大值保持功能。這時(shí)通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)中心頻率1/3倍頻帶聲壓級(jí)的大小來(lái)得到L80。其他校準(zhǔn)步驟與持續(xù)性囀聲輸出的校準(zhǔn)步驟一致。

1.1.2 囀聲頻譜特性值

囀聲的頻率隨著時(shí)間變化而變化，使用頻率計(jì)數(shù)器可以看到大致的變化范圍，但是無(wú)法得到確切的頻率數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)了頻譜特性值來(lái)表征。由1.1.1可以得到篩查儀設(shè)置為80 dB輸出時(shí)的L80，同時(shí)記錄未參與計(jì)算L80的1/3倍頻帶聲壓級(jí)，找到其中的最大值L80_max。計(jì)算L80和L80_max的差作為囀聲頻譜特性值?？梢钥吹?，當(dāng)篩查儀的囀聲頻率發(fā)生偏移時(shí)，囀聲頻譜特性值會(huì)相應(yīng)變小，因此可以通過(guò)它來(lái)表征篩查儀的頻率特性。

1.1.3 囀聲聲壓級(jí)控制器誤差

篩查儀的囀聲輸出設(shè)置為最大值，輸出信號(hào)的頻率設(shè)置為1 kHz，逐檔改變聲壓級(jí)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，在聲分析儀上得到衰減量（聲分析儀設(shè)置方法同1.1.1），計(jì)算測(cè)得的衰減量與控制器標(biāo)稱(chēng)衰減量之差就是囀聲聲壓級(jí)控制器誤差。

1.1.4 囀聲失真特性值

篩查儀的揚(yáng)聲器系統(tǒng)被集成在設(shè)備內(nèi)，無(wú)法根據(jù)文獻(xiàn)［2］中采用單獨(dú)輸入純音信號(hào)來(lái)測(cè)量失真，所以采用濾波器的方法間接計(jì)算囀聲失真特性值。將篩查儀的囀聲輸出設(shè)置為最大值，逐檔改變頻率調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，在聲分析儀（聲分析儀的設(shè)置方法同1.1.1）上讀出表1所示濾波器中心頻率點(diǎn)所在1/3倍頻程的電壓Uf2、Uf3和Uf4（方均根值）以及0.1～20 kHz頻率范圍內(nèi)的總電壓（方均根值）Usum，按式（4）計(jì)算囀聲失真特性值D。

表1 不同囀聲輸出頻率對(duì)應(yīng)的濾波器中心頻率

1.2 其他類(lèi)型聲音信號(hào)的校準(zhǔn)

篩查儀除了發(fā)出囀聲信號(hào)之外還會(huì)發(fā)出窄帶噪聲、寬帶噪聲和濾波復(fù)音，它們的校準(zhǔn)方法比囀聲相對(duì)簡(jiǎn)單，一般只需要考慮聲壓級(jí)的準(zhǔn)確性和控制器誤差，校準(zhǔn)過(guò)程和囀聲類(lèi)似，但是需要在混響室（擴(kuò)散場(chǎng)）中進(jìn)行，其中窄帶噪聲聲壓級(jí)的準(zhǔn)確性由窄帶噪聲擴(kuò)散場(chǎng)測(cè)聽(tīng)的基準(zhǔn)聽(tīng)閾聲壓級(jí)誤差來(lái)表征。

2 篩查儀校準(zhǔn)實(shí)例

如圖5所示，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的校準(zhǔn)裝置用于篩查儀的校準(zhǔn)。通過(guò)該裝置可以將篩查儀固定在全消聲室或者混響室中，并通過(guò)專(zhuān)門(mén)的施力裝置使得設(shè)備在沒(méi)有人操作的情況下持續(xù)發(fā)出聲音信號(hào)，再由定制的軌道輔助傳聲器的固定和測(cè)量距離的控制。以Interacoutics公司的PA5型篩查儀為測(cè)試樣品，采用本文的校準(zhǔn)方法得到的校準(zhǔn)結(jié)果如表2和表3所示。

圖5 篩查儀校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)

表2 PA5型篩查儀校準(zhǔn)結(jié)果第1部分

表3 PA5型篩查儀校準(zhǔn)結(jié)果第2部分

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了手持式聲場(chǎng)型聽(tīng)力篩查儀的應(yīng)用范圍和工作原理，重點(diǎn)分析了此類(lèi)設(shè)備所使用的聲音信號(hào)及其特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上給出了切實(shí)可行的校準(zhǔn)方法，最后通過(guò)專(zhuān)門(mén)校準(zhǔn)裝置的使用給出了一個(gè)校準(zhǔn)實(shí)例。本文為手持式聲場(chǎng)型聽(tīng)力篩查儀的校準(zhǔn)提供了新的方法，填補(bǔ)了該方面的空白，同時(shí)也為手持式聲場(chǎng)型聽(tīng)力篩查儀的研發(fā)、生產(chǎn)和使用提供了更為全面的評(píng)價(jià)參數(shù)。

［1］ 全國(guó)聲學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 388-2012［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2012.

［2］ 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所.GB/T 4854.7-2008［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］ 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.GB/T 16296-1996［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

［4］ 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所.GB/T 3947-1996［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

A calibration method of hand-held sound field hearing screening equipment

Deng Zheng， Zhou Ziwei， Chen Wenwang，Tang Xiaohua
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The application range and working principle of the hand-held sound field hearing screening equipment are introduced， and the feature of the sound signal produced by the hand-held sound field hearing screening equipment such as warble tone is analyzed.According to the feature a new calibarion method is proposed， and a calibration example is given.

hand-held sound field hearing screening equipment； warble tone