纯音听力计的零级校准设备和方法

冀飞 于黎明 陈洪文

为确保各种听力学测试结果的准确，必须对听力学诊疗、康复、研究所用的测试设备进行校准（calibration）。校准是指在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值与对应的标准量值之间关系的一组操作。听力学测试设备的校准，主要是检验所用设备换能器发出的声音信号在频率、强度和时间等方面是否符合相关标准的规定。在我国，纯音听力计、声导抗仪等均属于根据国家计量标准每年必须进行校准的医疗器械。除此之外，如下情况也需对测试设备进行校准：①新启用的设备应对照说明书运行所有功能，校准各项指标;②已使用一段时间的设备应按标准规定定期进行校准;③设备搬动、维修或者更换换能器后必须重新进行校准;④测试时发现测试结果与预期值或经验值发生显著偏差时应立即进行校准;⑤用于科学实验研究的测听设备应在每个课题的实验开始前和在实验过程中每天开始前都进行校准。各种测听设备都要对声信号的输出级、频率偏差、谐波失真等指标进行检定，特别是要对信号依据标准进行基准等效阈级即听力零级的校准[1,2]。听力零级的校准是测听设备校准最主要的内容。本文主要介绍纯音听力计的压耳式气导耳机和骨振器的零级校准。插入式耳机的校准本文不做详述。

1 纯音听力计校准依据的标准

与听力学有关的国际标准是由国际标准化组织（ISO）第43分委会——声学技术委员会和国际电工委员会（IEC）第29分会——电声学技术委员会制定的。与听力学有关的国家标准是由全国声学标准化技术委员会和全国电声学标准化技术委员会制订。这两个组织都是ISO和IEC的成员，负责对国际标准的转化和国家标准的制订和修订。

1.1 关于纯音听力计设备的国家标准

国家标准GB/T 7341.1-2010《电声学 测听设备 第1部分:纯音听力计》（等同采用IEC 60645-1：2001）中，规定了对纯音听力计的通用要求。这一标准旨在保证符合该标准的不同听力计，按照标准规定的测听方法得到的听阈结果基本相同[3]。

1.2 关于测听设备基准零级的国家标准

全国声学标准化技术委员会等同采用国际标准化组织ISO公布的ISO389系列标准，形成了关于校准测听设备基准零级的系列标准，包括:①GB/T 4854.1-2004压耳式耳机纯音基准等效阈声压级;②GB/T 16402-1996插入式耳机纯音基准等效阈声压级;③GB/T 4854.3-1998 骨振器纯音基准等效阈力级；④GB/T 4854.4-1999窄带掩蔽噪声的基准级；⑤GB/T 4854.5-2008 8 kHz～16 kHz频率范围纯音基准等效阈声压级;⑥GB/T 4854.6-2014短时程测试信号的基准等效阈声压级;⑦GB/T 4854.7-2008自由场与扩散场测听的基准听阈;⑧GB/T 4854.8-2007耳罩式耳机纯音基准等效阈声压级。

2 校准器具和设备

校准纯音听力计用到的装置主要包括标准计量器具和配套测量设备。标准器具主要包括声耦合器、耳模拟器（仿真耳）、力耦合器（仿真乳突）等；配套测量设备包括传声器、前置放大器、测量放大器、滤波器和频率计等。其中前置放大器、测量放大器和滤波器等可整合为一个设备，称为声级计。

2.1 声耦合器

声耦合器也叫声耦合腔，是具有符合标准规定的内部形状和体积的封闭含气腔。进行校准时，传声器通过声耦合器与声源（如压耳式耳机、插入式耳机等）耦合测量声压。声耦合腔中的封闭空间保证了测量条件的一致性。校准不同的换能器，所使用的声耦合器不同，所接的测量传声器的规格也不同。校准压耳式耳机的声耦合器为符合IEC 60318-3规定的6 cm3声耦合器（图1）。临床常用的TDH39压耳式耳机即由这种耦合器校准。

图1 校准压耳式耳机的6 cm3声耦合器（声耦合腔）

2.2 耳模拟器

耳模拟器又称仿真耳，也是一种测量耳机输出声压级的装置，其外观和作用都与声耦合器类似，只是耳模拟器模拟了人耳的声阻抗特性，而声耦合器没有这个特性。耳模拟器分为两类，即校准压耳式测听耳机用耳模拟器（简称压耳式耳模拟器）和校准插入式耳机用堵塞式耳模拟器。压耳式耳模拟器由硬质的、稳定的和非磁性的材料（如黄铜）制成，其设计与制造应符合IEC 60318-1标准的要求。进行校准测量时，传声器通过耳模拟器与声源（如压耳式耳机、插入式耳机等）耦合测量声压（图2）。

图2 校准压耳式耳机的耳模拟器（仿真耳）

2.3 力耦合器

骨导测听使用的换能器是骨振器（也称为骨导耳机）。骨振器将电子振荡信号转换为机械振动，并且能与人体头部的颅骨结构（通常是乳突）耦合，通过振动颅骨直接产生骨导听觉。校准骨振器的标准器具是力耦合器，也叫仿真乳突（图3）。力耦合器内部的机电换能器可测量骨振器与力耦合器接触面间的交变振动力。通常使用的B-71骨振器具有面积为175 mm2的平圆顶接触面，在校准时，须施加（5.4±0.5）N的静态力，以使骨振器与力耦合器以标准规定的力阻抗耦合。

图3 力耦合器（仿真乳突）

2.4 传声器

传声器（microphone）也叫麦克风，是将声信号转换为相应电信号的声电换能器。根据换能原理不同，传声器有动圈、电容、压电等多种类型。相对而言，电容传声器灵敏度高、性能稳定、频响曲线平滑、动态范围大，因此在测量中使用较多。此外，根据传声器本身对于声场的影响，传声器还可分为压力场型（也叫声压型）传声器和自由场型（也叫声场型）传声器。压力场型传声器适用于测量封闭耦合腔的声压级，此时传声器构成壁面的一部分，测量得到的是壁面自身上的声压级，因此常用于耳机的输出测量。自由场型传声器所测得声压是消除了传声器对声场影响后的声压，其自由场灵敏度平直，具有平坦的频率响应，适用于声场下的校准测量。通常，压力场型传声器的型号尾号为偶数，自由场型传声器的型号尾数为奇数。

2.5 声级计

声级计是测量声压级的工具，可集成传声器、信号处理器和具有规定动态特性的显示器（图4）。声级计的主要性能参数包括:①检波模式：分为均方根值（RMS）和峰值（peak）；②时间计权：通常分为慢档（时间常数1000 ms）、快档（时间常数125 ms）和脉冲（时间常数35 ms）；③频率计权网络：包括A计权、C计权、线性计权（有的也叫Z计权）和全通。声级计的常用测量参数包括：①声压级（SPL）；②等效连续声压级（Leq）；③声暴露级（SEQ）；④测量期间最大声压级（Max）；⑤测量期间最小声压级（Min）；⑥计权声压级（dB A）。

使用声级计进行纯音信号的零级校准测量时，通常采用线性频率计权、慢档时间计权、以RMS方式检波，测量声压级。所测量的频率采用优选1/3倍频程频率，从低到高依次为：80 Hz、100 Hz、125 Hz、160 Hz、200 Hz、250 Hz、315 Hz、400 Hz、500 Hz、630 Hz、800 Hz、1000 Hz、1250 Hz、1600 Hz、2000 Hz、2500 Hz、3150 Hz、4000 Hz、5000 Hz、6300 Hz、8000 Hz。

图4 安装了传声器的数字式声级计

3 压耳式耳机零级校准方法

纯音测听的零级校准过程即将换能器（压耳式耳机、插入式耳机或骨振器）与耳模拟器或声耦合器及声级计连接，将听力计置于校准状态，使用声级计逐频率测量耳模拟器或声耦合器中换能器的输出强度，将声级计读数与听力计显示的输出听力级之差和国家标准规定的基准等效阈声压级（即听力零级，0 dB HL）相对照，如果有较大差别，则进行相应的输出调整，直至符合国家标准规定的测量不确定度。在校准过程中切换频率时，应注意使声级计滤波器的频率与听力计频率同步。对压耳式耳机进行听力零级校准时，依照以下步骤操作。

3.1 换能器与声耦合器/耳模拟器的耦合

将待校准的压耳式耳机以无声泄露的方式安装到耳模拟器或声耦合器上，耳机应置于耳模拟器或声耦合器上端的边缘上。为使耳机与耳模拟器/声耦合器严密封闭，调节耳模拟器或声耦合器所附金属立柱上的旋钮，以对耳机施以（4.5±0.5）N不包括耳机自重的静态力。声级计与声耦合器或耳模拟器按图5所示方法连接。

图5 校准压耳式耳机的设备连接方法（金属立柱上的白色旋钮用于调节静态力）

3.2 声级计的设置

使用压力场型传声器。使用声级计设置为以均方根方式检波、线性频率计权、慢档时间计权，测量结果以声压级表示。

3.3 使听力计进入校准状态

通常听力计的工作状态都分为两种：工作状态（或称工作模式）和校准状态（或称校准模式）。通常临床测听时听力计都处于工作状态。在进行校准时，须使听力计进入校准状态。不同听力计进入校准状态的方法不同。有的需要拨动后面板上的校准跳线；有的须按住面板上指定的按钮开机；有的使用独立的校准软件控制听力计进入校准状态。进入校准状态后选择相应换能器（压耳式耳机）和信号（纯音）。按下给声持续键发送校准音。

3.4 基准等效阈声压级（即标准值）

听力零级标准是针对不同类型的换能器（耳机）和与之适配的声耦合器（耳模拟器）或力耦合器制订的。也就是说，对不同换能器都有一个特定的零级标准。听力计校准实质就是根据这些标准对各种换能器的听力零级进行调节，以使测听结果的表达与国际保持一致和统一。对于气导耳机，听力零级称为基准等效阈声压级（reference equivalent threshold sound pressure level，RETSPL），即该频率的听力零级（0 dB HL）相当于多少dB SPL。国家标准GBT 4854.1-2004《声学校准测听设备的基准零级 第1部分：压耳式耳机纯音基准等效阈声压级》规定了声耦合器和耳模拟器中的基准等效阈声压级[4]。

3.5 结果存储和验证

完成校准过程后，应将校准结果进行存储。左、右耳机的校准后数据分别存储。存储后使听力计退出校准状态，仍然保持测量设备的连接，在工作状态下逐频率发送纯音，对照国家标准进行复核，以确保校准数据已正确调整和储存。

4 骨振器零级校准

4.1 换能器与仿真乳突的耦合

去掉骨振器的头绷，使其顶端的平圆顶接触面与力耦合器紧密相贴，通过相应调节装置对系统施加（5.4±0.5）N的静态力，以使骨振器与力耦合器以标准规定的力阻抗耦合（图6）。

图6 校准骨振器的设备连接方法

4.2 振动力级的测量

力耦合器内部的机电换能器可测量骨振器与力耦合器接触面间的交变振动力。

4.3 听力计的校准状态

按照听力计说明书指示方法使听力计进入校准状态。进入校准状态后选择相应换能器（骨振器）和信号（纯音）。按下给声持续键发送校准音。

4.4 基准等效阈力级（标准值）

对于骨振器，听力零级称为基准等效阈力级（reference equivalent threshold force level，RETFL）。与气导耳机的校准过程类似，骨振器的零级校准过程即是在听力计校准状态下逐频率地测量骨振器的输出，将机电换能器测得的力级读数与听力计显示的输出力级之差和国家标准规定的基准等效阈力级（即0 dB HL）相对照并作相应的输出调整，直至符合国家标准规定的测量不确定度。国家标准GBT 4854.3-1998《声学校准测听设备的基准零级第3部分：骨振器纯音基准等效阈力级》规定了仿真乳突上的基准等效阈力级[5]。

4.5 结果存储和验证

步骤同3.5。

[1]于黎明，陈洪文.医用声学计量测试实用技术[M].北京：中国计量出版社，2006.30-109.

[2]韩东一，翟所强，韩维举.临床听力学[M].北京：中国协和医科大学出版社，2008.40-62.

[3]GB/T 7341.1，电声学 测听设备 第1部分：纯音听力计[S]. 2010.

[4]GBT 4854.1，声学 校准测听设备的基准零级第1部分：压耳式耳机纯音基准等效阈声压级[S].2004.

[5]GBT 4854.3，声学 校准测听设备的基准零级第3部分：骨振器纯音基准等效阈力级[S].1998.