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B-71和B-81骨導(dǎo)耳機(jī)的性能比較
趙正宜 鐘波 何龍標(biāo) 冀飛 林穎 田鋒
醫(yī)院、語言康復(fù)、職業(yè)病鑒定等機(jī)構(gòu)廣泛使用的純音聽力計是一種用于測定人耳聽閾，為診斷聽覺疾病提供依據(jù)的計量器具[1]。使用純音聽力計對人耳常規(guī)頻率測試的主要換能器包括氣導(dǎo)耳機(jī)和骨導(dǎo)耳機(jī)。氣導(dǎo)耳機(jī)有多種類型，如壓耳式耳機(jī)、耳罩式耳機(jī)和插入式耳機(jī)等，比較常見的型號有TDH39、DD45、HDA200、ER-3A 等[2]；而對于骨導(dǎo)耳機(jī)，自1970年以來美國Radioear 公司生產(chǎn)的B-71 型骨導(dǎo)耳機(jī)為聽力測試主要選擇[3]。近幾年，推出了B-81型骨導(dǎo)耳機(jī)。為了讓從事聽力學(xué)檢測的科研和醫(yī)務(wù)人員更好的了解這兩款耳機(jī)的實際性能，本文設(shè)計了一套骨導(dǎo)耳機(jī)物理性能測量系統(tǒng)，通過比較B-71 和B-81 骨導(dǎo)耳機(jī)的最大輸出強(qiáng)度及諧波失真兩項主要的性能指標(biāo)，探討不同骨導(dǎo)耳機(jī)在聲學(xué)性能方面的優(yōu)劣。 1 、 實驗原理 骨導(dǎo)耳機(jī)又稱骨振器，是一種通過振動顱骨而產(chǎn)生聽覺的電-力換能器，它可以直接將電子信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號[4]。骨振器按振動發(fā)聲原件材料及工作原理不同，可分為電磁式、壓電式和超磁致伸縮式三種[5]。顧名思義，電磁式骨振器的聲發(fā)生元件為電磁材料，包括產(chǎn)生磁場的線圈、磁軛、振動板等，給線圈施加變化的電流，就會產(chǎn)生一個變化的磁場，磁軛受到變化磁場作用而發(fā)生振動，引起振動板振動，產(chǎn)生振動信號[6]。B-71 和B-81 型骨導(dǎo)耳機(jī)其聲發(fā)生元件均為電磁式。 B-71 骨導(dǎo)耳機(jī)是一個將電磁能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動的電磁可變磁阻換能器，該換能器內(nèi)中間部分放置一個永磁體，磁場方向交替變化迫使磁鐵下方的一個空氣間隙在諧波運(yùn)動中改變體積大小。這種類型的換能器在產(chǎn)生低頻振動時具有固有的高諧波失真，其主要缺點(diǎn)是在低頻率產(chǎn)生的諧波失真過高；B-81 耳機(jī)換能器與B-71 的可變磁阻換能器類似，同樣是將電磁能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動，但其內(nèi)部使用了與B-71 不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，四個永磁體放置于換能器四角，從而使磁體的內(nèi)部和外部形成多個空氣間隙，這些空氣間隙相互作用達(dá)到了力平衡，這種平衡提高了B-81 的線性度，從而使換能器產(chǎn)生一個較低的諧波失真[7]。同時，B81 的頻率響應(yīng)和電阻抗與B71 一致，雖然B81 的高度比B71 稍低，但其重量和尺寸是相同的，且都有一個1.75 cm2 的圓形表面。 骨導(dǎo)耳機(jī)最重要的也是聽力學(xué)最關(guān)心的兩項參數(shù)指標(biāo)是各頻率點(diǎn)的最大輸出強(qiáng)度和諧波失真。為了比較B-71 和B-81 兩款耳機(jī)的性能，進(jìn)行了兩組實驗：1）在最大輸出強(qiáng)度相同條件下，比較兩者的諧波失真；2）在諧波失真相同條件下，比較兩者的最大輸出強(qiáng)度。設(shè)計了一套骨導(dǎo)耳機(jī)物理參數(shù)測量系統(tǒng)用于完成預(yù)定實驗內(nèi)容。系統(tǒng)主要使用的設(shè)備包括：信號發(fā)生器（AFG3022B 型，美國Tek 公司）、功率放大器（PA3000 型，北京瑞森新譜公司）、仿真乳突（4930 型，丹麥B&K 公司）和聲分析儀（3160 型，丹麥B&K 公司）等。 該系統(tǒng)的工作原理如下：將實驗用骨導(dǎo)耳機(jī)耦合到仿真乳突4 930 上，并用550g 砝碼在骨振器上加載5.4N 的靜態(tài)力；開啟信號發(fā)生器AFG3022B 產(chǎn)生正弦純音信號并傳輸至功率放大器PA3000，功率放大器對信號進(jìn)行放大后驅(qū)動骨導(dǎo)耳機(jī)發(fā)聲，仿真乳突將振動力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入到聲分析儀3 160，聲分析儀中采用1/3 倍頻程工具軟件對信號的最大輸出強(qiáng)度和諧波失真進(jìn)行分析和處理。最大輸出強(qiáng)度對應(yīng)的物理量是力值，參考值為1 μN(yùn)。采用本系統(tǒng)進(jìn)行測量，最大輸出強(qiáng)度以dB 表示。本文所述諧波失真均為總諧波失真，使用聲分析儀測得基頻、二次、三次和四次諧波分量幅值并計算出總諧波失真。原理圖如圖1 所示。 2 、 實驗方法 在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，如果信號發(fā)生器加載到骨導(dǎo)耳機(jī)上的信號強(qiáng)度過高，耳機(jī)會伴隨強(qiáng)烈振動，發(fā)出異常響聲并持續(xù)產(chǎn)生高熱，此情況極易造成耳機(jī)過載損壞。這是由于聽力計的最大輸出受設(shè)計的限制，最大骨導(dǎo)輸出在60 dBHL 左右[8]。在常規(guī)聽力學(xué)檢查時，為避免受試者聽力損傷，250 Hz 頻率點(diǎn)最大輸出一般控制在20～30 dB，500～4 000 Hz 最大輸出控制在50～60 dB[9 ? 10]。實驗中為獲得既能保障耳機(jī)最大輸出要求又避免耳機(jī)破壞的實驗條件，參照國標(biāo)《GBT 7341.1 測聽設(shè)備 第1 部分：純音聽力計》中規(guī)定I 型聽力計的最大輸出聽力級的要求并結(jié)合實際聽力檢測需求[11 ? 12]，選取了5 個測試頻率點(diǎn)及其對應(yīng)的最大輸出值進(jìn)行對照實驗。 2.1 相同最大輸出比較兩者諧波失真 分別將兩款骨導(dǎo)耳機(jī)耦合到仿真乳突上，加載正弦信號驅(qū)動骨導(dǎo)耳機(jī)發(fā)聲，設(shè)定250 Hz 最大輸出為40 dB，500Hz 最大輸出65 dB，1 000 Hz 最大輸出80 dB，2000 Hz 最大輸出85dB，4 000 Hz 最大輸出80 dB，并記錄聲分析儀上的數(shù)值。比較各個頻率點(diǎn)在相同的最大輸出強(qiáng)度下兩款耳機(jī)的諧波失真。 2.2相同諧波失真比較兩者最大輸出強(qiáng)度 分別將兩款骨導(dǎo)耳機(jī)耦合到仿真乳突上，加載正弦信號驅(qū)動骨導(dǎo)耳機(jī)發(fā)聲，擬比較250～4 000 Hz各頻率點(diǎn)諧波失真達(dá)到2.5% 時，兩款耳機(jī)的最大輸出強(qiáng)度。 3、 實驗結(jié)果 雷鋒精神是中華民族傳統(tǒng)美德的一種積淀，是一種隨著時代進(jìn)步而不斷發(fā)展的與時俱進(jìn)的精神。雷鋒精神是中華民族傳統(tǒng)美德的一種積淀，是一種隨著時代進(jìn)步而不斷發(fā)展的與時俱進(jìn)的精神。 3.1 諧波失真結(jié)果比較 在相同最大輸出強(qiáng)度時，諧波失真的測試數(shù)據(jù)見表1 所示。在頻率250 Hz、最大輸出強(qiáng)度為40 dB時骨導(dǎo)耳機(jī)B-71 和B-81的諧波失真分別為21.7%和1.5%；頻率500 Hz、最大輸出65 dB 時B-71和B-81 的失真分別為9.8% 和0.9%；頻率1 000 Hz、最大輸出80dB 時B-71 和B-81 的失真分別為9.0%和1.9%；頻率2000 Hz、最大輸出85 dB 時B-71 和B-81 的失真分別為1.9% 和0.4%。上述四個頻率點(diǎn)B-81耳機(jī)諧波失真值明顯小于B-71；在4 000 Hz 頻率點(diǎn)最大輸出80 dB 已接近該測量系統(tǒng)輸出強(qiáng)度的上限無法再繼續(xù)加大信號。國標(biāo)《GBT 7341.1 測聽設(shè)備 第1 部分：純音聽力計》中規(guī)定的最大輸出為60 dB，設(shè)定的80 dB 已高出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值20 dB。因此在4 000 Hz 測試時，測得B-71 耳機(jī)的諧波失真為0.4% 和B-81為0.3%，兩者基本一致。 3.2 最大輸出強(qiáng)度結(jié)果比較 諧波失真相同時，測試數(shù)據(jù)見表2。在頻率為250 Hz 達(dá)到2.5% 的諧波失真時，B-71 和B-81 的最大輸出分別為20.0dB 和46.5 dB；頻率為500 Hz 失真達(dá)到2.5% 時，B-71 和B-81 的最大輸出分別為53.5 dB和72.0 dB；頻率為1000 Hz 失真達(dá)到2.5% 時，B-71和B-81 的最大輸出分別為67.0 dB 和82.0 dB。250 Hz、500Hz、1 000 Hz 間的三個頻率點(diǎn)，B-81 耳機(jī)最大輸出明顯高于B-71 耳機(jī)。在2000 Hz 頻率點(diǎn)時，因輸出功率較大，B-81 耳機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，為避免耳機(jī)損壞，沒有使B-81 耳機(jī)諧波失真達(dá)到2.5%，僅控制在1%，其最大輸出已達(dá)90.0dB，而B-71 耳機(jī)諧波失真為2.5% 時其最大輸出才能達(dá)到89.5 dB，顯然，在2000 Hz 頻率點(diǎn)B-81 的最大輸出也優(yōu)于B-71。在4000 Hz 頻率點(diǎn)時，同樣為避免損壞耳機(jī)，僅將B-71 和B-81諧波失真控制在0.3% 以內(nèi)，比較發(fā)現(xiàn)兩者最大輸出均可達(dá)到80.0dB，因此我們認(rèn)為B-71 和B-81 耳機(jī)在該頻率點(diǎn)無明顯差別。 4、 結(jié)論 建立的骨導(dǎo)耳機(jī)物理性能測量系統(tǒng)，能夠通過最大輸出強(qiáng)度及諧波失真等指標(biāo)評判骨導(dǎo)耳機(jī)的優(yōu)劣。針對B-71 和B-81 兩款骨導(dǎo)耳機(jī)，B-81耳機(jī)在250H、500、1 000、2000 Hz 四個頻點(diǎn)的最大輸出和諧波失真兩項指標(biāo)， 均顯著優(yōu)于B-71 耳機(jī)；在4 000 Hz 頻點(diǎn)兩者的最大輸出和諧波失真相差不大。因此，在低頻和中頻段B-81 耳機(jī)在最大輸出和諧波失真兩方面均優(yōu)于B-71 耳機(jī)。在實際測聽工作中，上述兩款骨導(dǎo)耳機(jī)可以用于同一型號的聽力計，基于骨導(dǎo)耳機(jī)聲學(xué)性能測量系統(tǒng)的比較試驗表明，B-81 骨導(dǎo)耳機(jī)可以替代傳統(tǒng)的B-71 骨導(dǎo)耳機(jī)，且其信號輸出強(qiáng)度以及諧波失真的指標(biāo)優(yōu)于B71。 來源：《計量科學(xué)與技術(shù)》2021年11期