听觉报警信号采集装置的选择

国家食品药品监督管理局天津医疗器械质量监督检验中心(天津 300384)

0.引言

国家食品药品监督管理局于2009年12月25日发布了《YY 0709-2009 医用电气设备第 1-8 部分：安全通用要求 并列标准：通用要求，医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南》，并于2010年12月1日正式实施。

YY 0709-2009 标准中的一项重要内容是对听觉报警信号特征的要求。要验证医疗器械的听觉报警系统是否符合这些要求就必须要采集听觉报警信号进行分析和测试，那么选择何种采集装置以保证测试的准确性就成为一个重要问题。

1.听觉信号采集装置简介

采集听觉信号常用的装置为麦克风（又称传声器），它实际上是一种将声音转换成电子信号的换能器。从原理上可分为动圈式麦克风、电容式麦克风、铝带式麦克风和碳精麦克风。

动圈式麦克风的基本构造包含线圈、振膜、永久磁铁三部份（见图1）。当声波进入麦克风，振膜受到声波的压力而产生振动，与振膜连接在一起的线圈则开始在磁场中移动，根据法拉第定律以及楞次定律，线圈会产生感应电流。动圈式麦克风因为含有线圈和磁铁，不像电容式麦克风轻便，灵敏度较低，高低频响应表现较差。优点是价格较便宜。

图1.动圈式麦克风结构示意图

图2.电容式麦克风结构示意图

电容式麦克风并没有线圈及磁铁，而是靠着电容两片隔板间距离的改变来产生电压变化（见图2）。当声波进入麦克风，振动膜产生振动，因为基板是固定的，使得振动膜和基板之间的距离会随着振动而改变，根据电容的特性电容量C 正比于是隔板面积A，而反比于为隔板距离d。当两块隔板距离发生变化时，电容值会产生改变。再由公式Q=C×V（Q 为电量，在电容式麦克风中电容极板电压会维持一个定值）可知，当改变时，就会造成电量的改变。因为在电容式麦克风中需要维持固定的极板电压，所以此类型麦克风需要额外的电源才能运作，一般常见的电源为电池，或是借由幻象电源来供电。电容式麦克风因灵敏度较高，频率响应特性较好，因此常用于高品质的录音。

铝带式麦克风在磁铁两极间放入通常是铝质的波浪状金属箔带，金属薄膜受声音震动时，因电磁感应而生讯号。铝带式麦克风形状庞大且铝箔带很薄很易损坏，因此不适合作为常用采集听觉报警信号的设备，现今主要用于专业录音室。

碳精麦克风作为旧式电话机的碳精话筒曾大量使用，现今已很少使用。

由上可知，动圈式麦克风和电容式麦克风是目前常用的两种传声器。那么哪种更适合用来采集听觉报警信号呢？这就要从频率响应和指向性这两个角度进行考虑了。

2.如何选择采集装置的频率响应

表1.YY0709-2009 中对听觉报警信号频域特性的要求

YY0709-2009 中有对于听觉报警信号频域特性的要求（见表1），那就要求采集声音的麦克风具有较好的频率响应。

图3.电容式麦克风和动圈式麦克风的频响曲线对比图

频率响应是指麦克风接受到不同频率声音时，输出信号会随着频率的变化而发生放大或衰减。最理想的频率响应曲线为一条水平线，代表输出信号能真实呈现原始声音的特性，但这种理想情况不容易实现。常见的麦克风频率响应曲线大多为高低频衰减，而中高频略为放大。一般来说，电容式麦克风的频率响应曲线会比动圈式的来得平坦（见图3）。因此在测试中应选取电容式麦克风作为采集听觉报警信号的传声器。

3.如何选择采集装置的指向性

由于测试听觉报警时来自其他方向的噪声将会对测试结果产生影响，因此应该尽可能减少对来自其他方向声音的采集。这就要求我们选择的麦克风具有合适的指向性。

指向性是描述麦克风对于来自不同角度声音灵敏度的一个参数，一般常用下面的指向性特征图（图4）来表示。在每个示意图中，虚线圆形的上方代表麦克风前方，下方则代表麦克风的后方。

从指向性特征图上我们可以看到全指向式对于来自不同角度的声音的灵敏度是相同的，因此容易收到四周环境的噪音，不适合作为采集听觉报警信号使用；双指向式能够等灵敏度的接受来自麦克风前方和后方的声音，因此也不适合作为采集听觉报警信号使用；超心型指向和枪型指向的麦克风也将收集到一些来自其他方向的噪声，因此我们建议采用心型指向的麦克风来采集听觉报警信号。

图4.麦克风的指向性特征图

4.结论

使用合适的麦克风来采集听觉报警信号是测试听觉报警信号的基础，如果声音在采集处就不准确了，将很难保证之后测试的准确性。从上述讨论我们可知，从准确采集听觉报警信号频域特性以及降低环境噪声的角度考虑，建议选取心型指向的电容式麦克风来采集听觉报警信号。

然而选取恰当的听觉报警信号采集装置仅仅是保证听觉报警信号测试准确性的第一步，还需要从信号的传输、处理及分析等多个角度综合考虑才能保证最终测试结果的准确性。

[1]YY0709-2009 医用电气设备 第1-8 部分：安全通用要求 并列标准：通用要求 医用电气设备和医用电气系统中报警系统的测试和指南

[2]IEC 60601-1-8:2006 Medical electrical equipment -- Part 1-8:General requirements for basic safety and essential performance -- Collateral standard:General requirements,tests and guidance for alarm systems in medical electrical equipment and medical electrical systems

[3]现代声学理论基础 科学出版社2004年3月第一版.吴大猷