听力设备校准

时间：2023-06-28 百科知识版权反馈

【摘要】：但声级计在整个声测量系统中的重要地位仍是不可撼动的。声级计作为一个简便实用的声学测量设备，也是临床听力学工作者需要掌握的。听力设备校准常用Ⅰ型声级计，属高精度声级计，其测量误差不允许超过±0.5dB。电容麦克风的频率响应范围主要决定于其直径。其平坦的频率响应可分别高达10kHz、20kHz和100kHz。在噪声测量、声场测量中应采用此种传声器。听力学工作者应了解各种换能器的规格和保养事项，定期进行校准。

（一）声测量装置

1.声级计　声学测量的基本装置是声级计（sound level meter，SLM）。在信息技术广泛应用于声学测量之前，人们还陆续开发了测量放大器、电平记录仪、1/3倍频程噪声分析仪、频谱分析仪等后续设备，构成一个完整的声测量系统。随着信息处理技术的快速发展，许多声学数值都可以通过计算机软硬件很方便地获得。但声级计在整个声测量系统中的重要地位仍是不可撼动的。声级计作为一个简便实用的声学测量设备，也是临床听力学工作者需要掌握的。

声级计由传声器、前置放大器、衰减器、计权网络（滤波器）、检波电路和指示器等组成。声级计实际上是读出和记录声学信号的电量计（voltmeter），先由传声器将声波转化为相应的电信号，经前置放大器放大到一定的电平，由衰减器确定其合适的量程范围后，按照一定的响度计权曲线或滤波器设置，测量总体或特定频带的声强，并以选定的检波模式将声强值显示在指示器上。根据整机测量的灵敏度，20世纪60年代将声级计分为普通声级计和精密声级计两类；20世纪70年代后根据声级计的功能和精密度，又将其分为四型。下面就与听力设备有关的Ⅰ型声级计作以概述。

听力设备校准常用Ⅰ型声级计，属高精度声级计，其测量误差不允许超过±0.5dB。目前国际上较为通用的声级计有丹麦生产的B＆K 2 230、B＆K 2 235、B＆K 2 260，美国Quest Technology生产的2 900声级计等。在描述其功用时，须明了它普遍采用一种传声器——电容传声器；两种检波模式——峰值和均方根值；三种时间计权——快（测量的时窗为125ms）、慢（测量的时窗为1 000ms）和脉冲（测量的时窗为35ms）；四种频率计权——A计权、C计权、线性和全通；五种测量参数——声压级（SPL）、连续等效声压级（Leq）、声暴露级（SEL）、测试期间的最大声压级（max）和最小声压级（min）。同时还配有1/3倍频程或频带更窄的滤波器，以求得信号在各频带的能量分布。

2.传声器　常音译为麦克风，它是将声信号转换为相应的电信号的电声换能器，其灵敏度和频率特性是声级计测量准确的重要的先决条件。根据换能原理及元件不同，传声器的发展曾经历过炭粒式、压电（晶体、陶瓷）式、电动（动圈）式、驻极体、电容（静电）等阶段。由于电容传声器具有宽而平直的频率特性、较高的敏感度、足够的动态范围、不受湿度和温度影响等优点，而成为声学测量中的首选。目前电容传声器已经实现了国际标准系列化，不同的使用条件下可以采用不同规格的传声器。电容麦克风的频率响应范围主要决定于其直径。标准化的电容麦克风一般有1，1/2，和1/4英寸几种。其平坦的频率响应可分别高达10kHz、20kHz和100kHz。

当传声器的直径远＜声波波长时，散射效应可以忽略不计，而认为其电容传感器的膜片上有均匀的声压，此类传声器称为声压传声器，一般用于耳机校准或传声器校准的小腔，通常此类传声器的产品序号尾数一般为偶数，如B＆K 4 144。

与此相对应的另一类传声器，尺寸可以稍大。例如直径1英寸的电容传声器，对于1 400Hz以上的高频声波，散射效应逐渐显现，因而在设计传声器时就已对此做出了修正，此类传声器就是声场传声器，习惯上其产品序号的尾数一般为奇数，如B＆K 4145。在噪声测量、声场测量中应采用此种传声器。

3.计权（Weighting）网络　从上述等响曲线看，人耳对1～4kHz敏感，对更低频及更高频声的敏感度较差。因而1～4kHz区域的声信号对响度的贡献最大，比如人耳对120dB SPL的1kHz纯音有疼的感觉，但同样是120dB SPL的20Hz纯音，听起来却不太响。为了真正体现噪声中不同频率信号对总体响度的贡献（“权”），在噪声测量中，会根据人耳等响曲线所确定的比例，对各频率声信号的实际声压进行“权衡”，称为计权。不少噪声测量仪器内都设计了这种特殊的滤波器，称为计权网络。

由上述等响曲线组（图1－12）可知，人耳听觉对不同频率的敏感度的差异随着响度的增加而变得不那么显著，100方的等响曲线已经变得比较平坦。因而针对不同的测试声强度，设计了A、B、C、D四种常见的计权网络：A计权声级是模拟人耳对55dB SPL以下低强度噪声的频率特性，B计权声级是模拟人耳对55～85dB SPL的中等强度噪声的频率特性，C计权声级是模拟人耳对85dB SPL以上的高强度噪声的频率特性。三者的主要差别是对噪声低频成分的衰减程度，A衰减得最多，B次之，C最少。它们分别近似地模拟了40方、70方、100方三条等响曲线。A、B、C三个计权曲线分别是这三条等响曲线以频率轴为中心的镜像曲线。由于B、C两条曲线表征人耳主观特性不明显，近年来已逐渐不用。D计权是对噪度参量的模拟，专用于飞机噪声的测量。

4.频谱分析仪　包括滤波器系统和用以读出通过滤波器系统的相对信号能量的指示仪表设备，用以求得所加信号的能量对频率的分布（分析速度较一般大为加快的系统称为实时分析仪）。

（二）临床用声换能器

声换能器是将电信号转化为声信号的电－声换能装置。早期的听力检测使用音叉或人声，不需要换能器；而精确的听力检测必须通过换能器才能对声音的强度和频率进行准确无误的控制。在临床实践中最容易损坏的是声换能器，听力计的绝大多数偏差都可追溯到换能器的问题。所以临床所进行的校准也主要是围绕换能器进行的。听力学工作者应了解各种换能器的规格和保养事项，定期进行校准。

1.耳机　听力计常用的耳机种类有下列三种：

（1）压耳式耳机：由头绷、压耳耳垫、耳机膜片等组成。Telephonics公司出品的TDH39、49/51等系列耳机是目前临床听力计广为使用的耳机。压耳式耳机的频响范围较窄，仅适用于125～8 000Hz的范围且不平坦。但因主要用于纯音听力计中纯音信号的传输，其频响性能足以胜任。压耳式耳机的其他缺点也是显而易见的：佩戴不好容易漏声并导致高频听阈的误差；头绷和耳垫的压力易使耳道下陷；不适于短时程信号；双耳佩戴后的耳间衰减值较小容易引起交叉听力，堵耳效应明显等。

尽管如此，由于过去50年来听力学的大量科研数据是用压耳式耳机获得的，相当一部分研究成果已经变成国际标准，压耳式耳机已经成为听力计的标准换能器。中国国家标准GB/T4854.1－1999、ANSI S3.6－1996和ISO389－1，1998等，均对压耳式耳机每个部件的结构有明确和严格的要求。如常规使用的压耳耳垫MX－41/AR由橡胶制作，须通过300Pa压力和24h70℃高温的测试，其大小、长短、厚薄等各方面均严格按照标准来设计和生产。

压耳式耳机的头绷对耳朵施加的压力为4～5牛顿，其目的是为了使耳机更紧密地贴合在耳朵上，避免漏声。因此进行耳机校准时，也要对耳机施加5牛顿的力，使其紧密地扣合在仿真耳上。部分厂家还专门为儿童设计了儿童用的头绷。

（2）围耳式耳机：基本结构与压耳式耳机相似，惟一不同的是压耳式耳机使用的是橡胶耳垫，而围耳式耳机则用碗状的耳罩，将耳朵完全包住。主要目的是在测试时进一步降低环境噪声并使受试者佩戴舒适。但由于围耳式耳机特殊的外形，它不能使用标准的耦合器进行校准，因此目前国内外关于听力计的各类标准还尚未将其纳入其中。

（3）插入式耳机：是近年来普遍使用的一种声换能器，它充分考虑到声学和人体工程学原理，将压（罩）在耳朵上的耳机简化成插入耳朵的海绵插头，已被国际标准确认。目前使用最多的有两种：美国Etymotic Research公司生产的ER－3A和美国Aearo公司生产的EARtone－3A。通常由四部分组成：肩挂式换能器、声管、乳头状转接头和一次性海绵耳塞插头。声管长度约240mm，内径1.37cm。乳头状转接头的长度11cm，标准内径1.37cm。海绵耳塞插头有多种规格，但其导声管的标准长度为23cm，内径约为1.93mm。

借助先进的耳机设计和制作技术，插入式耳机的频响特性可以模拟TDH 39系列耳机，从而完全替代传统的压耳式耳机，只是由于一次性海绵耳塞的价格较高，在我国还未得到广泛应用。插入式耳机具有很多优点：不需要沉重的头绷，尤其适宜儿童使用；使用舒适，可避免亚耳式耳机造成的外耳道塌陷；海绵耳塞可降低环境噪声对测听结果的影响；双耳的耳间衰减可扩展到70～80dB，可减少测听过程中的掩蔽环节。

2.骨振器　骨导测听是临床测听中的重要环节，对于传导性耳聋的鉴别诊断有重要价值。所使用的换能器是骨振器，临床又称为骨导耳机。它依靠头绷的力量固定到人颞骨的乳突部，把电振荡转换成机械振动，直接施加骨导刺激。常用的骨振器是B－71型骨振器，准确而可靠的方法是使用仿真乳突装置进行声学校准。

3.扬声器　是将电能转换成为声能并在空气中辐射到远处的电声换能器。常用于声场环境下的小儿行为测听或言语测听等。长期以来由于缺乏统一的声场测试标准、无统一的测试信号和规范的测听声场环境/方法，声场测听一直没有得到普遍应用。近年来声场测听的校准参数和方法已得到标准化，但并未对扬声器的规格和技术指标作出规定。

扬声器的设计多种多样，但多采用电动式（纸盒）发声。纸盒的频响与其大小有关，纸盒越小，高频响应越好。音响设备制造商为追求高保真的音质及足够的频响范围，往往将大、中、小等多个纸盒集合在一个塔型扬声器中，分别传送低、中、高频的声音。但声场中与声源方位相关的测试往往要求扬声器与人耳的高度一致，不同高度的低、中、高频纸盒可能会引入一定的系统误差。加之临床使用的扬声器仅要求在0.25～6kHz具有平坦的频响曲线，所有临床所用的扬声器往往是单个纸盒的。

高频声波的波长很小，远＜扬声器本身的尺寸，按照衍射原理，可以视为一平面波源，声波只局限在某一方向上发射。为此要在扬声器表面蒙上一层网格绒线，高频声波就会被散射到各个方向去了。

（三）听力设备校准

1.用于听力计校准的声学耦合器和仿真耳　上文谈到，临床上的听力计校准主要为声换能器的校准。与纯音听力计及测听方法相关的国际标准对校准所用的器具和方法做了细化，其中对声学耦合器和仿真耳做了详细的说明。

（1）耦合腔：是可与声级计上的传声器相连，测试耳机（换能器）在其间所释放声能大小的标准化的声学计量装置。根据IEC303、IEC126或ANSI S3.7标准，耦合器由坚硬的非磁性材料制成不同容积的腔体，分别为6ml、2ml。其中的6ml的耦合器模拟戴上压耳式耳机后耳廓及耳道内的容积；2ml耦合器又分成四种不同接口类型，即HA－1、HA－2、HA－3和HA－4，用于耦合各种形式的助听器或其他一些借助声管传声的装置，如插入式耳机。

耦合器腔壁坚硬，不能完全代表人耳，无法模拟人耳外耳道壁的柔软弹性和摩擦阻力所造成的阻抗，它只在较小的频率范围内相当于人耳的阻抗。但由于它结构简单且性能稳定，便于复制及标准化，至今仍得到广泛的应用，助听器出厂时的技术指标仍多采用2ml耦合器获得。

（2）仿真耳和堵耳模拟器：耦合器过于简单化的缺点，也无法对压耳式耳机、助听器耳模及插入式耳机海绵耳塞与外耳道之间的缝隙所造成的声漏做出有效的模拟，因此人们又设计了仿真耳，所模拟的0.1～10kHz范围内鼓膜上的声压已经比较接近人耳实际情况。耦合器仅是一机械腔体，仿真耳则包括耦合器、电容传声器和其他相关配件，是一套完整的用于测试换能器的装置（图1－22）。

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图1－22　4152仿真耳

根据仿真的情况不同，又分为IEC318或ANSI NBS9－A耳模拟器（也称仿真耳，artificial ear）和IEC711堵耳模拟器（occludedear simulator）。IEC318耳模拟器中配接了1/2英寸的电容传声器，ANSI NBS9－A耳模拟器中配接了1英寸的电容传声器，均采用6ml耦合器，模拟戴上压耳式耳机后耳廓及耳道的容积，主要用于TDH系列耳机的校准。IEC711堵耳模拟器采用2ml耦合器，模拟耳塞（助听器耳模）末端到人耳鼓膜之间的耳道特性，主要用于插入式耳机和助听器的校准。

（3）仿真乳突：是一精密的机械耦合器，仿照人的乳突的机械阻抗特征制造。不仅起到将骨振器机械耦合的作用，更重要的是将振动能转化成声波，从而通过声级计加以测量和分析。目前丹麦B＆K公司和美国Larson Davis公司均可生产仿真乳突。

与仿真耳一样，仿真乳突在模拟人耳乳突的阻抗、形状和其他生物特性上都存在着较大的困难。迄今为止，国际上的许多标准化组织和机构仍没有对仿真乳突的制作和使用形成统一的认识，仅能提供部分参考值，如IEC373（1990）、ISO 398－3（1994）、ANSI S3.6以及我国的GB/T4854.3（1998）。

（4）KEMAR：人体的头颅和躯干都会使声波产生绕射、散射等干扰，上述耦合腔均未考虑这些因素。美国人Burkhard统计了4 000多人的成人人体数据，加拿大人Shaw积累了外耳道尺寸的数据。在此基础上，1975年美国Knowles与Burkhard提出一个人体模拟装置，习惯叫KEMAR，为Knowles electronics manikin for acoustical research（声学研究用诺雷斯电子公司人体模型）的缩写。KEMAR的优点是：①可作为尺寸始终不变的固定受试者；②可保持同一方法反复放置；③不受疲劳时间的限制；④堵耳道与敞耳道的所有声压均可在鼓膜上测量；⑤采用统计平均尺寸的模特儿，并可更换不同耳翼结构，以研究外耳尺寸的影响。

使用KEMAR可在消声室中进行耳机或助听器等的声源方位研究（图1－23），与真人佩戴时的测量结果十分接近。IEC 959标准就将KEMAR规定为在助听器声场测量时用来模拟人头与躯干的标准件，并对测量时的几何参考位置、声入射的掠射角及仰角等做了规定。

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图1－23　KEMAR人体模型

2.电反应测听设备的校准　听觉诱发电位测试（电反应测听）是临床上经常使用的电生理测试，涉及到信号源、换能器和信号处理等，须进行严格的校准方能使用。

临床上最具实际意义的校准内容是有关声刺激强度的校准，因为许多临床检查的结果都与刺激强度密切相关。刺激声可由各类电声换能器给出，一般有三种：压耳式耳机（常规型号为TDH39或TDH49/59。一般认为TDH49耳机要比TDH39更合适，因为TDH49在1～4kHz范围内的频响曲线更为平坦，适合高频和宽频谱的短时程刺激声）、插入式耳机（常规型号为ER－1、ER－2、ER－3A和EARtone3A）和骨振器（常规型号为B－71）。校准这些换能器的方法与校准听力计的方法一样，常规使用耦合器和声级计，较全面的校准可能还涉及频谱分析仪、测量放大器等设备。

声强的校准是听觉诱发电位测试中的重要部分，至今还没有统一的国际标准，各个机构使用不同的校准方法。目前美国国家标准委员会组建了一个有关听觉诱发电位测试和校准的相关标准制度的工作组，编号为S 3.72小组。目前，共有声压级法、峰值等效声压级法、听力级法和正常听力级法四种校准听觉诱发电位刺激声强度的方法，前两种方法是客观的、需要较复杂的设备；后两种方法是通过基于正常人听阈而获得校准值的主观方法。下面简要介绍这四种方法：

（1）峰值声压级法（dB sound pressure level）：其标识是dB peak SPL或dB SPL。这是目前校准短时程刺激信号比较可靠和准确的客观方法。使用声压级校准所需的设备和校准听力计时所需的设备一致，即需要一个功能完备的声级计，具有能测试瞬间脉冲信号的能力。测试方法是将听觉诱发电位所使用的换能器（通常是TDH49耳机或插入式耳机），分别用6ml耦合器或2ml耦合器与声级计相连。由诱发电位仪给声，记录声级计所显示的峰值声压级。

（2）峰值等效声压级法（dB peak equivalent sound pressure level）：其标识是dB peSPL。使用这种方法来校准不仅仅需要一个功能齐全的声级计，同时还需要一台示波器。将诱发电位仪所使用的换能器与6ml耦合器或2ml耦合器相连，再将声级计的交流电平输出端连接到示波器。先在示波器上观察刺激声的波形，测出其峰－峰值的振幅。然后再给出一个连续纯音信号（正弦波），慢慢调节纯音信号的声强使其振幅与听觉诱发电位仪的刺激声信号的振幅相等。读出并记录声级计所显示的纯音信号的声压级，并以此来等效听觉诱发电位仪所发出的短时程信号的强度，因此该方法被称为峰值等效声压级法。

（3）听力级法：其标识是dB HL。这种校准方法是以听力计的“零”级为基准，按照目前使用的有关听力计的标准，对电反应测听仪的刺激声进行校准。所使用的设备与校准其他听力计一样。需要说明的是，由于电反应测听所使用的多为短时程信号且种类繁多，目前有关听力级的零级标准并不能完全适应对电反应测听仪校准的要求。

（4）正常听力级法（dB normal hearing level）：其标识是dB nHL。这种校准方法类似于纯音听力计校准中使用的生理校准方法。根据每个医院电反应测听仪的设备设置和测试环境特点，先用听觉诱发反应测试出一组听力正常的年轻人对各类刺激声的电生理反应阈，再测出这些刺激声达到正常听阈时的刺激强度，那么此时的刺激声的声强便是正常听力级的“零”级，视为0dB nHL。这是临床上普遍使用的一种方法。使用短声作为刺激声时，0dB nHL相当于35～40dB SPL。

由于听觉诱发电位测试设备比较复杂，除了校准刺激声的强度外，还需要校准其他测试参数，如放大器的增益、刺激声的重复率、时程和极性等。这些校准须使用较复杂的电声学设备和专业知识，对校准人员的要求较高。通常一次全面、深入、系统的校准需要1～2d的工作时间，也需要更多的校准设备。这里不作过多介绍。

3.校准标准　听力计是国家计量法规定的强制检定的工作计量器具。对于任何新购置的、尚在使用的但经过修理或更换耳机的听力计，都应该按照国家制定的听力计检定规程进行校准。

（1）与测听有关的国际标准和国家标准：听力计标准是规范听力计技术特性和校准程序最重要的文件之一。世界上最有影响的标准化组织，如国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、美国国家标准局（ANSI）都先后颁布和修订过多个与测听有关的标准。每个国家也参照相关国际标准，出台了一系列国家标准。我国主要借鉴IEC和ISO标准，构建了本国的标准体系。

值得一提的是，ANSI标准虽然是美国标准，但许多国际的标准体系主要借鉴了ANSI体系。我国国内许多的听力设备也出产于美国，均按ANSI标准生产和检定，厂家提供的校准说明和步骤也是按ANSI标准制订的。随着全球技术革新的不断深化，在世界范围内推行统一的听力设备校准标准已是大势所趋。正如美国国家标准局在ANSI S3.6－1996的引言中提到的：“ANSI尽一切努力使其标准与IEC和ISO确定的标准一致。”在最新修订的ANSI S3.6－2004中有关纯音听阈、骨导和声场的内容已与现行ISO兼容。

听力计标准的形成实际上代表了听力计技术的发展。新技术的不断涌现使得现有标准不断更新、扩展。对听力计的各项技术指标的要求更加严格；同时还确认和颁布了插入式耳机和声场测听的基准等效阈声压级。插入式耳机的材料、物理结构、校准方法和耦合器的使用也得到了规范。表1－4列出了国际上关于测听方法的现行标准名录。

（2）测听所允许的环境噪声级：ISO 8253－1：1989、ANSI S3.1等国际标准还规定了测听时（频率范围为250～8 000Hz）所允许的环境噪声的最大值。针对耳机、骨振器及扬声器等不同的换能器，所允许的环境噪声的最大值也有所不同（表1－5）。

表1－4　现行国际标准与国家标准的对照表

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