一分鐘聽(tīng)力學(xué)知識(shí)丨B-71和B-81骨導(dǎo)耳機(jī)的性能比較

發(fā)布時(shí)間：2022-07-05 09:55:55

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(yǔ)言康復(fù)、職業(yè)病鑒定等機(jī)構(gòu)廣泛使用的純音聽(tīng)力計(jì)是一種用于測(cè)定人耳聽(tīng)閾，為診斷聽(tīng)覺(jué)疾病提供依據(jù)的計(jì)量器具[1]。使用純音聽(tīng)力計(jì)對(duì)人耳常規(guī)頻率測(cè)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(jiàn)的型號(hào)有TDH39、DD45、HDA200、ER-3A 等[2]；而對(duì)于骨導(dǎo)耳機(jī)，自1970年以來(lái)美國(guó)Radioear 公司生產(chǎn)的B-71 型骨導(dǎo)耳機(jī)為聽(tīng)力測(cè)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(tīng)力學(xué)檢測(cè)的科研和醫(yī)務(wù)人員更好的了解這兩款耳機(jī)的實(shí)際性能，本文設(shè)計(jì)了一套骨導(dǎo)耳機(jī)物理性能測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)原理

骨導(dǎo)耳機(jī)又稱骨振器，是一種通過(guò)振動(dòng)顱骨而產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)的電-力換能器，它可以直接將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械信號(hào)[4]。骨振器按振動(dòng)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(chǎng)的線圈、磁軛、振動(dòng)板等，給線圈施加變化的電流，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，磁軛受到變化磁場(chǎng)作用而發(fā)生振動(dòng)，引起振動(dòng)板振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)[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(gè)將電磁能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的電磁可變磁阻換能器，該換能器內(nèi)中間部分放置一個(gè)永磁體，磁場(chǎng)方向交替變化迫使磁鐵下方的一個(gè)空氣間隙在諧波運(yùn)動(dòng)中改變體積大小。這種類型的換能器在產(chǎn)生低頻振動(dòng)時(shí)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(guò)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(dòng)，但其內(nèi)部使用了與B-71 不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，四個(gè)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(gè)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(gè)較低的諧波失真[7]。同時(shí)，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(gè)1.75 cm2 的圓形表面。

骨導(dǎo)耳機(jī)最重要的也是聽(tīng)力學(xué)最關(guān)心的兩項(xiàng)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(shí)驗(yàn)：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(jì)了一套骨導(dǎo)耳機(jī)物理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)用于完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。系統(tǒng)主要使用的設(shè)備包括：信號(hào)發(fā)生器（AFG3022B 型，美國(guó)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(shí)驗(yàn)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(kāi)啟信號(hào)發(fā)生器AFG3022B 產(chǎn)生正弦純音信號(hào)并傳輸至功率放大器PA3000，功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)骨導(dǎo)耳機(jī)發(fā)聲，仿真乳突將振動(dòng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(duì)信號(hào)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(duì)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(cè)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(cè)得基頻、二次、三次和四次諧波分量幅值并計(jì)算出總諧波失真。原理圖如圖1 所示。

2 、 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)發(fā)生器加載到骨導(dǎo)耳機(jī)上的信號(hào)強(qiáng)度過(guò)高，耳機(jī)會(huì)伴隨強(qiáng)烈振動(dòng)，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(guò)載損壞。這是由于聽(tīng)力計(jì)的最大輸出受設(shè)計(jì)的限制，最大骨導(dǎo)輸出在60 dBHL 左右[8]。在常規(guī)聽(tīng)力學(xué)檢查時(shí)，為避免受試者聽(tīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件，參照國(guó)標(biāo)《GBT 7341.1 測(cè)聽(tīng)設(shè)備第1 部分：純音聽(tīng)力計(jì)》中規(guī)定I 型聽(tīng)力計(jì)的最大輸出聽(tīng)力級(jí)的要求并結(jié)合實(shí)際聽(tīng)力檢測(cè)需求[11 ? 12]，選取了5 個(gè)測(cè)試頻率點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的最大輸出值進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

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(hào)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(shí)，兩款耳機(jī)的最大輸出強(qiáng)度。

3、 實(shí)驗(yàn)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(shí)代進(jìn)步而不斷發(fā)展的與時(shí)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(shí)代進(jìn)步而不斷發(fā)展的與時(shí)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(shí)，諧波失真的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 所示。在頻率250 Hz、最大輸出強(qiáng)度為40 dB時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)B-71 和B-81 的失真分別為1.9% 和0.4%。上述四個(gè)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(cè)量系統(tǒng)輸出強(qiáng)度的上限無(wú)法再繼續(xù)加大信號(hào)。國(guó)標(biāo)《GBT 7341.1 測(cè)聽(tīng)設(shè)備第1 部分：純音聽(tīng)力計(jì)》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(cè)試時(shí)，測(cè)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(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在頻率為250 Hz 達(dá)到2.5% 的諧波失真時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)，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(méi)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(niǎo)-71 耳機(jī)諧波失真為2.5% 時(shí)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(shí)，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(wú)明顯差別。

4、結(jié)論

建立的骨導(dǎo)耳機(jī)物理性能測(cè)量系統(tǒng)，能夠通過(guò)最大輸出強(qiáng)度及諧波失真等指標(biāo)評(píng)判骨導(dǎo)耳機(jī)的優(yōu)劣。針對(duì)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(gè)頻點(diǎn)的最大輸出和諧波失真兩項(xiàng)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(shí)際測(cè)聽(tīng)工作中，上述兩款骨導(dǎo)耳機(jī)可以用于同一型號(hào)的聽(tīng)力計(jì)，基于骨導(dǎo)耳機(jī)聲學(xué)性能測(cè)量系統(tǒng)的比較試驗(yàn)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(hào)輸出強(qiáng)度以及諧波失真的指標(biāo)優(yōu)于B71。

來(lái)源：《計(jì)量科學(xué)與技術(shù)》2021年11期

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