利用虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)測(cè)量人耳聽(tīng)閾曲線

冀 敏，姚紅英，蘇衛(wèi)鋒

(復(fù)旦大學(xué) 物理系，上海 200433)

利用虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)測(cè)量人耳聽(tīng)閾曲線

冀 敏，姚紅英，蘇衛(wèi)鋒

(復(fù)旦大學(xué) 物理系，上海 200433)

為檢驗(yàn)虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)的性能及測(cè)試效果,利用示波器測(cè)量了各純音信號(hào)的頻率和電壓峰峰值，通過(guò)耳機(jī)測(cè)試聽(tīng)閾曲線表明：各純音信號(hào)頻率的相對(duì)誤差小于0.3%，界面顯示的分貝值與計(jì)算得出測(cè)試點(diǎn)純音分貝值的相對(duì)誤差小于5%，被測(cè)試者的聽(tīng)閾曲線與參考曲線基本一致. 由此可知：所用虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)與實(shí)際聽(tīng)力計(jì)性能基本相同.

聽(tīng)閾曲線;Adobe Audition 3.0;虛擬聽(tīng)力計(jì);純音；頻率

在針對(duì)醫(yī)學(xué)生的醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，聽(tīng)覺(jué)聽(tīng)閾實(shí)驗(yàn)有著重要的教學(xué)和臨床意義，不僅加深了學(xué)生對(duì)聲學(xué)知識(shí)的理解，還使學(xué)生對(duì)聽(tīng)覺(jué)物理和聽(tīng)覺(jué)功能診斷有了一定的掌握. 跨入21世紀(jì)之后，國(guó)內(nèi)高校相繼對(duì)醫(yī)學(xué)生開設(shè)了聽(tīng)覺(jué)聽(tīng)閾測(cè)量實(shí)驗(yàn)，且有較好的實(shí)驗(yàn)效果，但普遍就以下問(wèn)題：儀器少學(xué)生多，缺少教學(xué)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，常常因?qū)円舻淖R(shí)別不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起耳朵不適. 為解決學(xué)生預(yù)習(xí)及相關(guān)問(wèn)題，有兄弟院校曾嘗試編寫聽(tīng)力軟件，例如利用Cool Edit軟件產(chǎn)生音頻信號(hào)進(jìn)行聽(tīng)閾曲線測(cè)量[1]等. 我們先后組織編寫了3款虛擬聽(tīng)力軟件，但是這些軟件是否達(dá)到與真實(shí)儀器相同的測(cè)試效果、其性能指標(biāo)是否合乎教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn). 作者曾經(jīng)采用儀器和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)不同虛擬聽(tīng)力測(cè)試軟件進(jìn)行過(guò)檢驗(yàn)，其中不乏與真實(shí)儀器媲美的實(shí)驗(yàn)效果. 以下介紹我校曾用于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的聽(tīng)力測(cè)試軟件Adobe Audition 3.0的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 人耳生理結(jié)構(gòu)

人耳器官由外耳、中耳、內(nèi)耳組成. 聲波在外耳以氣體傳導(dǎo)，外耳會(huì)對(duì)一定頻率的聲音產(chǎn)生較明顯的共振，使得聲強(qiáng)得到增益. 外耳道內(nèi)端的盡頭就是鼓膜，聲振動(dòng)在此從氣體傳入固體. 中耳是一個(gè)不規(guī)則的腔體，稱為鼓室. 聲波在中耳是以固體傳導(dǎo)，通過(guò)3根聽(tīng)小滑使聲壓增大，以利于聲波在內(nèi)耳的液體傳導(dǎo).

1.2 聲強(qiáng)與聲強(qiáng)級(jí)

能夠在聽(tīng)覺(jué)器官引起聲音感覺(jué)的機(jī)械波稱為聲波，其頻率范圍為20 Hz～20 kHz. 描述聲波能量的大小常用聲強(qiáng)和聲強(qiáng)級(jí)2個(gè)物理量. 聲強(qiáng)是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量，用符號(hào)I表示，其單位為W/m2. 而聲強(qiáng)級(jí)是聲強(qiáng)的對(duì)數(shù)標(biāo)度，它是根據(jù)人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱變化的分辨能力來(lái)定義的，用符號(hào)L表示，其單位為dB，L與I的關(guān)系為

(1)

式中，I0為基準(zhǔn)聲強(qiáng)[2]，其頻率為1 kHz,聲強(qiáng)為1012W/m2.

1.3 純音

在聲學(xué)中，純音指聲壓的時(shí)間波形為正弦函數(shù)的聲音. 純音的主要參量為頻率、聲強(qiáng)級(jí)，可用示波器測(cè)量純音信號(hào)頻率以及比對(duì)虛擬聽(tīng)力計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦同頻率波形(也可通過(guò)頻譜分析判斷純音質(zhì)量)；用示波器測(cè)量純音信號(hào)電壓峰峰值，相對(duì)分貝值為

(2)

式中,U0為1 kHz聲音聽(tīng)閾對(duì)應(yīng)的電壓峰峰值.

1.4 聽(tīng)閾曲線

人耳所能聽(tīng)到的最小聲強(qiáng)值或聲強(qiáng)級(jí)值稱為聽(tīng)閾，人耳對(duì)不同頻率的聲音的聽(tīng)閾不同. 聽(tīng)閾與頻率的關(guān)系曲線即聽(tīng)閾曲線. 不同頻率的聲音與1 kHz的標(biāo)準(zhǔn)聲音等響時(shí)(聲音的響度級(jí)等于1 kHz聲音的聲強(qiáng)級(jí))，其聲強(qiáng)級(jí)與頻率的關(guān)系曲線稱為等響曲線. 聽(tīng)閾曲線是響度級(jí)為0昉(phon)的等響曲線[3].

1.5 虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)軟件描述

該軟件由Adobe Audition 3.0生成不同頻率、強(qiáng)度漸變的單聲道純音. 信號(hào)頻率從100 Hz至17 kHz幾何級(jí)數(shù)變化，信號(hào)聲強(qiáng)級(jí)從0 dB變化至-80 dB(此處的0 dB為軟件默認(rèn)，不是標(biāo)準(zhǔn)0 dB，并且隨聲卡音量的變化而變化).

軟件編排順序?yàn)椋翰シ乓纛l—音頻從無(wú)到有播放—聽(tīng)者聽(tīng)到聲音時(shí)給出信號(hào)—軟件記錄時(shí)間并轉(zhuǎn)換成聲強(qiáng)級(jí)值. 其主要功能：1)根據(jù)精度要求，自主選擇所要測(cè)量的頻率取值范圍及頻率變化幅度；2)實(shí)驗(yàn)者可以重復(fù)測(cè)量不同頻率的聽(tīng)閾值；3)根據(jù)聲強(qiáng)級(jí)與時(shí)間成對(duì)數(shù)關(guān)系，軟件自動(dòng)記錄并換算被測(cè)者的聽(tīng)閾值，測(cè)量結(jié)束后直接導(dǎo)出記載數(shù)據(jù)的Excel文件.

2 實(shí)驗(yàn)儀器及對(duì)象

實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)儀器為：自制虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)、XJ4318示波器、信號(hào)發(fā)生器、臺(tái)式電腦和sumsungEP380型耳機(jī). 利用虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)對(duì)8名20歲左右男女青年和1名59歲女教師進(jìn)行聽(tīng)閾檢測(cè)，被測(cè)耳朵統(tǒng)一為左耳.

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 安裝虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)軟件

點(diǎn)擊軟件圖標(biāo)可見(jiàn)電腦熒光屏顯示虛擬聽(tīng)力計(jì)操作界面，如圖1所示.

圖1 虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)軟件界面

利用EasyVol軟件[2]調(diào)節(jié)主機(jī)聲卡分貝值，使得軟件自帶頻率為1 kHz的音頻和3～4 kHz的音頻的強(qiáng)度從無(wú)到有變化，記錄EasyVol的參量值，并且保持之后的這一組數(shù)值不變化.

3.2 虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)輸出純音檢測(cè)

把導(dǎo)線一端接電腦耳機(jī)插孔,另一端接示波器,觀察和測(cè)量0.1～10 kHz按倍頻遞增的純音信號(hào)的波形和頻率；測(cè)量1 kHz純音在界面上分別顯示-70,-60,-50,-40,-30,-20 dB時(shí)的電壓峰峰值，并用(2)式檢驗(yàn). 需要說(shuō)明的是，該軟件系統(tǒng)將-60 dB作為1 kHz純音的聽(tīng)閾值，式中U0此時(shí)應(yīng)為-60 dB的1 kHz純音信號(hào)的電壓峰峰值.

3.3 用虛擬教學(xué)聽(tīng)力計(jì)測(cè)量聽(tīng)閾曲線

1)帶上專用耳機(jī)，點(diǎn)擊試聽(tīng)按鈕，試聽(tīng)各個(gè)頻率音頻，確認(rèn)被測(cè)的耳朵為左耳.

2)圖1中選擇測(cè)量精度(粗略測(cè)量、一般測(cè)量、精細(xì)測(cè)量分別為10,16,30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)).

3)正式開始測(cè)量，每個(gè)音頻測(cè)量3次，音頻響度從無(wú)到有，被測(cè)者在突然聽(tīng)見(jiàn)信號(hào)的瞬間點(diǎn)“停止”按鈕，軟件記錄數(shù)據(jù). 測(cè)量過(guò)程中點(diǎn)“試聽(tīng)”按鈕可試聽(tīng)不同頻率對(duì)應(yīng)的音頻，點(diǎn)“當(dāng)前頻率重測(cè)”按鈕可重測(cè)這一頻率對(duì)應(yīng)的3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)“上個(gè)音頻重測(cè)”按鈕可重測(cè)之前測(cè)完的數(shù)據(jù)點(diǎn).

4)完成測(cè)量后，被測(cè)者輸入個(gè)人信息(姓名和年齡)，軟件記錄信息并輸出Excel文件.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 純音信號(hào)檢測(cè)結(jié)果及分析

0.1～10kHz按倍頻遞增的純音信號(hào)的各個(gè)頻率的相對(duì)誤差均小于0.3%，波形與信號(hào)發(fā)生器等頻率信號(hào)正弦波形吻合得較好；1kHz純音在界面上分別顯示-70,-60,-50,-40,-30,-20dB時(shí)，利用(2)式計(jì)算可得其相對(duì)誤差小于2.5%.

4.2 所有測(cè)試者左耳聽(tīng)閾曲線

圖2是所有9位測(cè)試者左耳聽(tīng)閾曲線，除頻率為1.2kHz聽(tīng)閾出現(xiàn)小峰值外,其余的曲線走勢(shì)與參考曲線相比基本吻合. 在低頻區(qū)，人耳聽(tīng)閾的相對(duì)分貝值較大，隨著頻率的增加，該值逐漸減小；在3～4kHz的范圍內(nèi)，聽(tīng)閾的相對(duì)分貝值出現(xiàn)低谷，即人耳聽(tīng)閾最靈敏處在3～4kHz之間；隨著頻率的增大，聽(tīng)閾陡然上升，在14kHz左右，部分被測(cè)者出現(xiàn)無(wú)法聽(tīng)見(jiàn)的現(xiàn)象.

圖2 個(gè)體左耳聽(tīng)閾曲線

根據(jù)人耳的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，人耳的外耳道如同一端封閉的管狀共振腔，會(huì)對(duì)通過(guò)的一定頻率的聲波進(jìn)行放大. 根據(jù)駐波原理，其共振頻率為

f=v(2n-1)/4l，

(3)

v為聲波在空氣中傳播的速度，l是外耳道的長(zhǎng)度. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)人耳外耳道平均長(zhǎng)度[4]為2.5cm，代入(3)式計(jì)算出共振頻率為3.44kHz，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.

所有測(cè)試者在1.2kHz聽(tīng)閾的小峰值，可能是聲卡轉(zhuǎn)換失真或者耳機(jī)頻響特性所致.

4.3 男女聽(tīng)閾對(duì)比及分析

圖3是年齡20歲左右的男性和女性聽(tīng)閾曲線，數(shù)據(jù)點(diǎn)由4男4女的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做平均值所得. 縱觀全圖，男性聽(tīng)力普遍比女性好；但在高頻段，女性的聽(tīng)力好于男性，這與男女性耳朵生理結(jié)構(gòu)差異有關(guān)，特別是女性發(fā)聲的頻率要高于男生，導(dǎo)致女性在高頻階段其聽(tīng)閾好于男性.

圖3 年齡20歲左右的男性和女性聽(tīng)閾曲線

觀察人耳聽(tīng)閾聽(tīng)力最靈敏處，發(fā)現(xiàn)女性最靈敏的頻率略高于男性. 分析原因是女性外耳道平均長(zhǎng)為24.1 mm，而男性外耳道平均長(zhǎng)為25.6 mm[5]，分別代入式(3)可得，男性平均共振頻率值為3.359 kHz，女性為3.568 kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合理論值.

4.4 年齡與聽(tīng)閾關(guān)系

圖4是年齡分別為20歲和59歲女性的聽(tīng)閾曲線. 年齡較大的女性聽(tīng)閾相對(duì)分貝值普遍高于年齡較小的女性，特別是在10 kHz以上的高頻區(qū)域，年齡較大的女性開始出現(xiàn)無(wú)法聽(tīng)見(jiàn)的現(xiàn)象，且與較為年輕女性的相對(duì)分貝的差值隨著頻率的增大而逐漸增大. 研究表明[6]，人耳老化是漸進(jìn)過(guò)程，隨年齡增高，聽(tīng)閾升高，頻率越高影響越明顯，較高頻測(cè)聽(tīng)能更敏感地反映老年聽(tīng)力減退[7]. 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與人耳生理功能老化現(xiàn)象相符合.

圖4 20歲和59歲女性的聽(tīng)閾曲線

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)4.1可知，該虛擬聽(tīng)力計(jì)的頻率誤差及所顯示聲強(qiáng)級(jí)分貝值誤差均達(dá)到真實(shí)聽(tīng)力計(jì)要求；根據(jù)4.2～4.4可知，所測(cè)試人耳的聽(tīng)閾曲線走形與參考曲線基本一致，男性和女性的聽(tīng)閾差別及年老與年少的聽(tīng)閾差別符合臨床表現(xiàn). 綜上所述，本試驗(yàn)所用虛擬聽(tīng)力計(jì)的性能可以滿足教學(xué)預(yù)習(xí)的要求，可用于學(xué)生的聽(tīng)覺(jué)、聽(tīng)閾曲線實(shí)驗(yàn)的教學(xué)預(yù)習(xí).

5 結(jié)束語(yǔ)

該虛擬聽(tīng)力計(jì)可方便快捷地進(jìn)行純音試聽(tīng)練習(xí)及聽(tīng)閾曲線測(cè)試，具有教學(xué)預(yù)習(xí)功能. 但尚有需要加以改進(jìn)的方面:1)基準(zhǔn)頻率“0 dB”的確定可通過(guò)本校眾多青年人的基準(zhǔn)頻率聽(tīng)閾的統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出，這樣可加深學(xué)生對(duì)0 dB定義的理解；2)聽(tīng)閾曲線中的小峰尚需通過(guò)檢測(cè)耳機(jī)的頻響特性判斷誤差所在；3)操作界面偏小且不夠醒目. 若以上問(wèn)題解決后，該虛擬聽(tīng)力計(jì)與真實(shí)儀器的功能將更加接近.

[1] 郝乃瀾，王雙維，李光，等. 基于Cool Edit Pro 2.0的人耳聽(tīng)閾曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2007，27(12)：11-12.

[2] 王磊，冀敏. 醫(yī)學(xué)物理學(xué)[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，2013：64-66.

[3] 冀敏,陸申龍. 醫(yī)學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社，2009：61-64.

[4] 謝鼎華，楊偉炎. 耳聾的基礎(chǔ)與臨床[M]. 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004：8-12.

[5] 郗昕,張微,鄒玲,等. 中國(guó)幼兒外耳道聲學(xué)共振特性的真耳測(cè)量[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào)，2003(5)：453-456.

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[7] 仇春燕,顧瑞. 高頻測(cè)聽(tīng)臨床應(yīng)用初步報(bào)告[J]. 中華耳鼻咽喉科雜志,1992,27(5):271-273.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Measuring the hearing threshold curve usingvirtual educational audiometer

JI Min, YAO Hong-ying, SU Wei-feng

(Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China)

To test the performance of a virtual audiometer for teaching, an oscilloscope was used to measure the frequency and peak voltage of a series of pure tone signals. With a headset, the hearing threshold curves of eight students and a 50-year-old female teacher were recorded. The results showed that the relative error of the frequency of each pure tone signal was less than 0.3%, the disagreement between the displayed intensity in decibels and the calculated one of each pure tone was less than 5% for all the test points, and the hearing threshold curves of all nine tested persons were in consistent with the reference curve. The performance of the virtual audiometer for teaching was basically the same as that of the audiometers used in practice.

hearing threshold curve; Adobe Audition 3.0; virtual audiometer; pure tone

2016-05-30

冀 敏(1956-)，女，河南洛陽(yáng)人，復(fù)旦大學(xué)物理系副教授，從事醫(yī)學(xué)物理教學(xué)及研究工作.

R312

A

1005-4642(2017)04-0019-04

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文