Experimental measurement and comparative study of sound attenuation measurement methods of active noise reduction insert earphones
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摘要:
针对有源降噪入耳式耳机声衰减测量, 对比研究了4种典型的测量方法, 包括真耳听阈衰减法(REAT)、等响法(LB)、真耳内置传声器法(MIRE)和专用声学测试装置法(ATF)。依据该类耳机的特点设计了测量装置、实验环境和实验方案, 开展了3款耳机的测量研究。结果表明, 对于无源声衰减测量, MIRE方法与作为护听器“黄金”标准的REAT方法相比, 中高频差异在±3 dB范围内, 而MIRE方法在低频更准确; 对于有源声衰减测量, MIRE方法与LB方法的结果接近, 差异在±2 dB范围内, 且MIRE方法更易于操作。MIRE方法有较高的测试效率和准确性, 是测量有源降噪入耳式耳机声衰减的一种有效方法。
Abstract:For the measurement of sound attenuation of active noise reduction insert earphones, four typical measurement methods are comparatively studied, including real-ear attenuation at threshold (REAT), loudness balance (LB), microphone-in-real-ear (MIRE), and acoustic test fixture (ATF) methods. According to the characteristics of the earphones, the measurement devices, experimental environment, and experimental procedures are designed, and the measurement studies of three earphones are carried out. The results show that for passive sound attenuation measurements, the results of the MIRE method are close to those of the “gold” standard—REAT method in the middle and high frequency range, with a difference of ±3 dB, and more accurate at low frequencies. For active sound attenuation measurements, the results of the MIRE and LB methods are close to each other, with a difference of ±2 dB, and the MIRE method is easier to operate. The MIRE method has high test efficiency and accuracy and is an effective method to measure the sound attenuation of active noise reduction insert earphones.
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引言
护听器是一种保护听觉器官免受噪声伤害的装置, 其提供的声压级降低量可用声衰减量表示。传统的护听器主要通过隔声或吸声结构等声学方法实现降噪, 一般在中、高频段有良好的声衰减特性, 但对低频噪声的降噪效果不佳。有源降噪(又称主动降噪)技术基于相消干涉原理实现降噪, 可以弥补无源降噪护听器低频降噪能力的不足[1-2]。具有送、受话等通信功能的护听器也称为耳机(以下将包含通信和有源、无源降噪功能的护听器称为有源、无源降噪耳机)。目前还没有有效的有源降噪入耳式耳机声衰减测量方法, 国际上也没有统一的测量标准。
有源降噪耳机声衰减的测量可参考无源降噪护听器声衰减的测量方法。国内外学者研究了无源降噪护听器声衰减的测量方法[3-6], 并总结了各方法的优势和不足[7-10]。声衰减测量方法按是否需要被试的反馈分为主观方法和客观方法。主观方法能直接反映佩戴者的主观感受, 其中真耳听阈衰减法(REAT)[11]是最直观的主观方法, 通过测量被试在不同状态下的听阈获得声衰减量, 有“黄金”标准之称。但该方法对测试环境要求很高, 并会受到生理噪声(如心跳声、呼吸声和血管振动声等, 其能量主要分布在低频范围)的影响使得低频测量结果偏大[3,11]。为此, 研究者提出了听阈以上的方法, 如等响法(LB)和掩蔽阈值法(MT)[12]。LB方法需要被试对比两个信号的响度, 并给出哪个信号听起来更响的反馈。被试调整其中一个状态下的信号声压级使得两种状态下的信号听起来一样响, 等响时两个信号的声压级差表示声衰减量; MT方法需要被试在噪声环境下进行听阈判断, 听阈的偏移表示声衰减量。客观方法使用传声器进行测量, 相较于主观方法, 其测试时长更短。常见的客观方法有真耳内置传声器法(MIRE)[13]和专用声学测试装置法(ATF)[14], 这两种方法分别在真人耳和耳模拟器中获取数据, 不同工况下耳道内传声器测得的声压级之差代表声衰减量。这类客观方法存在一定的局限性, 如耳道内放置的传声器无法捕获通过骨导路径传播的声波。但研究表明当声衰减量小于骨导极限[15-16]时, MIRE方法的测量结果准确[3]。
有源降噪耳机的总衰减测量分为两个部分, 分别是无源声衰减量和有源声衰减量。其中, 无源声衰减量表示与裸耳相比, 有源降噪关闭时耳机所提供的声衰减量; 有源声衰减量表示与有源降噪关闭相比, 有源降噪开启时耳机提供的额外声衰减量; 总声衰减量由无源声衰减量和有源声衰减量相加获得。
无源降噪护听器和有源降噪耳机工作原理存在差异, 导致传统的声衰减测量方法无法直接应用于有源降噪耳机的测量, 如有源降噪电路发出的电噪声(由电路产生的本底噪声放大后引起的)会影响听阈测量, 进而降低REAT方法的准确性[15]; 相较于无源降噪入耳式护听器, 使用MIRE方法测量有源降噪入耳式耳机的声衰减对传声器和连接线的尺寸要求更高[9]等。因此, 需要进一步研究有源降噪耳机的声衰减测量方法。为避免有源降噪系统电噪声的影响, Zera等[12]研究了适用于测量有源降噪耳机声衰减的主观方法, 即MT方法和LB方法。客观方法如MIRE方法和ATF方法测试耗时短, 受到了研究人员的关注。Perala等[17]探究了传声器放置位置对MIRE方法用于有源降噪罩耳式耳机声衰减测量的影响, 发现在63~8000 Hz范围内, 不同放置深度只影响8 kHz的无源声衰减测量。Guldenschuh等[18]发现不同ATF之间、ATF与真人耳之间的声衰减测量结果存在差异, 差异可达15 dB。
在标准制定方面, 2019年, 国际标准化组织(ISO)颁布了有源降噪罩耳式耳机的声衰减测量标准ISO 4869-6[19], 该标准规定分别使用REAT和MIRE方法测量无源声衰减和有源声衰减。目前还没有针对有源降噪入耳式耳机声衰减测量的国际标准。一些国家或地区的标准规定使用ATF方法测量有源降噪耳机(包括罩耳式和入耳式结构)的声衰减[20-23], 但其评估有源降噪入耳式耳机声衰减的准确性还有待探究。
为此, 本文针对有源降噪入耳式耳机声衰减测量问题, 研究了REAT、LB、MIRE和ATF方法, 比较了不同方法的测量结果并讨论了这4种方法的可行性和存在的问题, 探讨了有效的有源降噪入耳式耳机声衰减测量方法。本研究结果可为完善有源降噪入耳式耳机声衰减的测量方法和建立相应标准规范提供参考。
1. 声衰减测量方法实验设计
REAT、LB、MIRE和ATF方法已被用于无源降噪护听器声衰减测量。但由于有源和无源降噪的原理存在差异, 这些方法可否用于有源降噪入耳式耳机声衰减测量需重新考量, 且实验方案需进行新的设计。本文使用这4种方法来测量3款耳机的无源声衰减和有源声衰减, 通过比较不同方法的测量结果分析各方法的可行性。本文针对有源降噪入耳式耳机, 设计了4种方法的实验方案, 开展了实验测量。
1.1 REAT方法实验设计
REAT方法需要测量被试在不同状态下的听阈, 听阈测量流程参考了标准GB/T 16296.1中的升降法[24]。测量无源降噪护听器的声衰减时, 仅需在裸耳和有源降噪关两个状态下进行听阈测量, 但测量有源降噪耳机的声衰减时, 增加了有源降噪开启的状态, 导致测试时长增加。考虑到测试时间过长会导致被试听觉疲劳, 本文对测试信号变化步长和结束测量的条件做出了相应调整。
播放测试信号后, 被试做出“听见”或“听不见”的反馈。当被试判断“听见”时, 测试信号声压级降低; 当被试判断“听不见”时, 测试信号声压级升高。测试信号声压级的初始变化步长为16 dB, 在第1, 2, 4次翻转后步长减半(翻转是指被试的反馈发生变化)。测试信号声压级达到7次翻转时结束测试, 取最后4次翻转对应的值的平均作为听阈。选用经过1/3倍频程滤波器滤波后的粉红噪声作为测试信号, 中心频率分别为63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz[11]。测试信号的播放时长为1.5 s。实验步骤如下:
步骤1: 测量裸耳状态下的听阈, 每个频点重复测量2次;
步骤2: 被试佩戴耳机, 确认达到最优降噪状态后测量有源降噪开和关状态下的听阈, 每个频点重复测量2次, 期间不摘下耳机;
步骤3: 计算声衰减量。不同状态下的听阈相减可得到对应的声衰减量, 如下所示:
AA=HTon−HToff, (1) PA=HToff−HTopen, (2) 其中, HT表示听阈, 其下标on, off, open表示有源降噪开、有源降噪关和裸耳状态, AA和PA分别表示有源声衰减量和无源声衰减量。对每位被试2次重复测量结果取算术平均作为该被试的数据。
1.2 LB方法实验设计
在LB实验中, 被试需要在两种不同状态下对信号响度进行记忆, 这会带来一些问题: 一方面, 切换时间过长可导致记忆模糊, 另一方面, 耳机在切换状态时发出提示音也会干扰被试记忆。因此, 本文仅使用LB方法对耳机的有源声衰减进行测量, 切换状态时间短, 而且仅选用切换状态时无提示音的耳机进行实验。
等响测量流程参考了文献[12], 然而考虑到测试时间过长会引起被试的疲劳, 对结束测量的条件进行了调整。定义有源降噪开和关状态下扬声器播放的信号分别为参考信号和测试信号。在每一轮测试中, 参考信号保持不变, 测试信号声压级根据被试的反馈(“参考信号更响”或“测试信号更响”)进行调整。当被试判断测试信号更响时, 测试信号声压级降低; 当被试判断参考信号更响时, 测试信号声压级升高。测试信号的初始变化步长为10 dB, 在第1, 2次翻转后为5 dB和2 dB。把参考信号和测试信号的声压级差值记为
ΔL ,ΔL 达到5次翻转时结束测试, 取最后2次翻转对应的ΔL 的平均作为该轮测试的有源声衰减结果。参考信号和测试信号为经过1/3倍频程滤波器滤波后的粉红噪声, 中心频率与REAT实验相同, 信号播放时间为1.5 s。不同频率的参考信号声压级不同: 63 Hz和125 Hz处的参考信号为80 dB, 250 Hz处的参考信号为70 dB, 其他频率的参考信号为60 dB。实验步骤如下:步骤1: 在完成REAT实验后, 被试不摘下耳机, 完成等响判断。每个频点重复测量2次;
步骤2: 计算声衰减。对每位被试2次重复测量的结果取算术平均作为该被试的数据。
1.3 MIRE方法实验设计
使用MIRE方法测量无源降噪入耳式护听器的声衰减比较容易, 比如对于泡棉材质的护听器, 可对其进行穿孔, 在孔中穿入传声器连接线。但对于有源降噪入耳式耳机, 穿孔难度大, 还有可能引入声泄露。此外, 还可直接将传声器放置在耳道内, 但传声器尺寸过大会引起被试耳部不适、同时还会影响声场, 连接线的尺寸过大也会引入声泄露。因此使用MIRE方法测量有源降噪入耳式耳机声衰减需要对测试装置进行相应设计。本文选用了一款小尺寸的MEMS传声器和线径较小的连接线组成传声器测量系统, 以减小测量设备对测试结果的影响。使用声压级为80 dB(A)的宽带粉红噪声作为测试信号。测试信号播放20 s, 分析时间为10 s。
理想状态下, 传声器应放置在接近鼓膜的位置, 但考虑到安全问题, 传声器只能放置在耳道浅处或中部。为确定MIRE实验中传声器的放置深度, 使用具有真人耳道结构的头和躯干模拟器(B&K, 5128)进行预实验。传声器放置在距离耳道口约10 mm或15 mm的有源声衰减测量结果与模拟器内置传声器的测量结果差异, 在63~3150 Hz频率范围内小于±1 dB, 在4~8 kHz频率范围内小于±5 dB。因此, 在实际测量时, 选择了较浅的放置深度以降低测试中可能产生的危险性。实验步骤如下:
步骤1: 将微型传声器放置在距耳道口约10 mm的位置, 测量播放测试信号时的耳道内声压;
步骤2: 被试佩戴耳机, 将耳机调整到最佳的降噪状态并确保佩戴舒适。在有源降噪开和关两种状态下, 测量播放和不播放测试信号时的耳道内声压。其中, 不播放测试信号时测得的耳道内声压记为生理噪声声压;
步骤3: 摘下耳机, 重复以上步骤3次;
步骤4: 计算声衰减量。不同状态下的声压级相减可得到对应的声衰减量, 如下所示:
AA=SPLoff−SPLon, (3) PA=SPLopen−SPLoff, (4) 其中, SPL表示声压级。取每位被试左右双耳和3次重复测量结果的算术平均作为该被试的数据。
1.4 ATF方法实验设计
受仿真耳道材料和结构影响, 入耳式耳机在耳模拟器上佩戴较困难。为了提高测试的重复性, 本文在实验中加入了调整耳机佩戴的步骤, 确保每次测量时耳机处于最佳佩戴状态。使用声压级为80 dB(A)的宽带粉红噪声作为测试信号, 测试信号播放20 s, 分析时间为10 s。实验步骤如下:
步骤1: 佩戴耳机并开启有源降噪, 播放测试信号, 通过内置在ATF双耳处的传声器拾取耳道内声压, 完成后摘下耳机。重复该步骤至少3次, 取声压级最低的一组数据作为参考值;
步骤2: 佩戴耳机, 测量有源降噪开、有源降噪关和裸耳状态下的耳道内声压。若有源降噪开启时, 耳道内声压级与参考值相近, 则保留该组数据, 否则重新调整耳机的佩戴。完成3个工况的测试后, 摘下耳机。重复上述测试, 直至得到3组有效数据;
步骤3: 计算声衰减量。声衰减量的计算与式(3)和(4)相同。取左右双耳和3次重复测量结果的算术平均作为ATF方法的数据。
2. 测试样品、被试和实验设备
2.1 耳机测试样品
选择耳机测试样品时, 考虑耳机结构和主观方法适用性两方面。在耳机结构方面, 选用现有的声开放式和声封闭式两种类型。其中, 声封闭式耳机指能阻止耳道和外界环境之间声耦合的耳机, 声开放式耳机指在耳道和外界环境之间设置声学通路的耳机[25]。在主观方法适用性方面, 考虑了两个影响因素。首先, 本文研究的主观方法不适用于采用自适应降噪算法的耳机, 因为该类耳机在接收到噪声信号后需要一段时间才能达到稳定状态, 这会影响被试做听阈判断或响度判断。因此, 选择采用非自适应的、具有固定系数滤波器的耳机。其次, 切换有源降噪开关时发出的提示音会干扰被试进行LB实验, 因此, 选择不发出提示音的耳机。
本文选用了3款有源降噪入耳式耳机作为测试样品, 如图1所示, 耳机详情见表1。以下将SONY WF-1000XM3、SONY WF-1000XM4和HUAWEI FreeBuds 4E简称为耳机1、耳机2和耳机3。其中, 两款声封闭入耳式耳机均满足上述要求, 而声开放入耳式耳机除了在切换有源降噪功能时发出提示音, 其他特性满足上述要求。
表 1 耳机测试样品详情耳机 结构类型 控制方式 滤波器系数
更新方式切换有源降噪功
能时有无提示音耳机1 声封闭式 前/反馈混合控制 固定系数 无 耳机2 声封闭式 前/反馈混合控制 固定系数 无 耳机3 声开放式 前馈控制 固定系数 有 2.2 被试
10名听力正常、具有有源降噪耳机使用经验的被试参与了MIRE、REAT和LB实验, 其中男性9名, 女性1名。被试的年龄为22~29岁, 平均年龄为25.6岁; 身高1.60~1.78 m, 平均身高为1.722 m; 体重46~80 kg, 平均体重为67.8 kg; 头围54~59 cm, 平均头围为57.0 cm; 耳廓长度5.1~7.1 cm, 平均耳廓长度为6.00 cm。所有被试均知晓实验内容, 同意结果公开。
2.3 实验设备
实验在一个体积为56 m3、混响时间为0.3 s、平均本底噪声为14.8 dB(A)的听音室内进行。扩声系统由一台笔记本计算机、一台声卡(RME, Fireface UFX)、一台功率放大器(MediaMatrix, Octopower 850)和8个扬声器(KEF, Q350)组成。扬声器的布放参考了标准ETSI TS 103 640[22], 使用8个扬声器来产生扩散声场, 如图2所示。扬声器与参考点的水平距离为1.2 m, 参考点的高度为1.13 m。LS1、LS3、LS5、LS7中心高度比参考点高0.15 m, 另外4个扬声器的中心高度比参考点低0.15 m。
图3是MIRE实验中使用的微型传声器(鑫丰, XF2718B09A381NA03), 该传声器的尺寸为
2.75 mm×1.85 mm×0.90 mm 。有3根线与传声器相连, 连接线的线径足够小(直径为0.11 mm/根)。ATF实验是在头和躯干模拟器(G.R.A.S., 45BM)上进行的, 该设备的耳模拟器部分由IEC 60711堵耳模拟器、钢制耳道延长器和仿真耳廓组成。3. 实验结果及讨论
对REAT、LB和MIRE方法测量得到的结果使用Wilcoxon秩和检验进行重复性分析, 结果表明这3种方法重复测量的结果没有显著性差异。对ATF方法得到的结果, 计算3次重复测量结果的最大值和最小值, 两者差异最大为4 dB。因此, 可认为本文获得的实验数据有较好的重复性。此外, 由于REAT方法测量中高频无源声衰减量准确[11], LB方法测得的有源声衰减量相对准确[12], 本文把它们的测量结果作为“参考值”。
3.1 REAT与LB方法对比
图4是REAT与LB方法的有源声衰减测量结果, 标记点和误差条分别表示均值和标准差。其中耳机3在切换有源降噪功能时存在提示音, 因此没有使用LB方法进行测量。可知REAT方法与LB方法的测量结果在中高频接近, 在低频存在差异。对REAT和LB方法的有源声衰减测量结果进行Wilcoxon秩和检验, 结果显示, 两组数据在250~8000 Hz范围内不存在显著性差异, 均值差异在±2 dB范围内; 在125 Hz存在显著性差异, 均值差异范围为4~5 dB。
测量有源声衰减时, 耳机的状态在有源降噪开和关之间切换。有源降噪开启时, 被试可能会听见生理噪声和电噪声; 有源降噪关闭时, 被试可能会听见生理噪声。这两种噪声的声压级通常接近听阈, 在安静的环境中会被听见。当噪声声压级大于一定值时, 会掩蔽测试信号, 使得听阈测量结果偏大。
在本文的实验中, LB方法的测试信号声压级设置为高于听阈的水平, 避免了生理噪声和电噪声对主观判断的干扰, 因此可作为一种主观验证方法。REAT方法的测试信号声压级接近听阈, 当生理噪声或电噪声声压级高于裸耳听阈时, 会影响测量结果。
REAT与LB方法的测量结果在中高频有较好的一致性可能是因为耳机在该频率范围发出的电噪声声压级较低, 对REAT方法的影响较小。图5是在ATF上测得的耳机1电噪声1/3倍频程声压级和裸耳听阈, 由于高频的校准存在困难, 因此图中仅展示了63~2000 Hz的结果。该耳机的电噪声1/3倍频程声压级在63~250 Hz小于或接近裸耳听阈, 在1~2 kHz与测量系统的本底噪声接近, 因此中高频的测量结果无效。耳机2的电噪声在测试频率范围与测量系统的本底噪声接近, 且裸耳听阈与耳机1的结果接近, 因此这里没有展示。测量系统的本底噪声在500~2000 Hz范围大于或接近裸耳听阈, 当有源降噪开启时的电噪声声压级较小, 如接近测量系统的本底噪声时, 无法比较电噪声声压级与裸耳听阈。但由REAT方法的测量原理可知, 当电噪声声压级较小时REAT测量结果准确, 由于REAT和LB方法在中高频的一致性较高, 可推测耳机发出的电噪声声压级较低。
两种方法的低频测量结果存在差异可用生理噪声的影响解释。佩戴耳机时, 受堵耳效应影响, 生理噪声被放大, 其声压级可通过佩戴耳机时放置在耳道内的传声器测量获得。佩戴耳机时的生理噪声1/3倍频程声压级和裸耳听阈如图6所示。可观察到有源降噪系统对生理噪声有一定程度的降噪效果, 使得有源降噪打开后耳道内声压降低, 即生理噪声声压级在有源降噪开启前后发生了变化, 因此两种状态下的生理噪声对听阈测量的影响程度不同。其中, 有源降噪关状态下的生理噪声声压级更高, 对听阈测量的影响更大, 即听阈抬高量更多。由于有源声衰减量由有源降噪开和关状态下的听阈相减获得, 后者抬高量更大会使得有源声衰减量降低。
因此, 当耳机发出的电噪声声压级较低时, REAT方法与LB方法测得的中高频有源声衰减量有较好的一致性, 两种方法的准确性可相互验证; 但受到生理噪声影响, REAT方法低估了低频的有源声衰减量。
3.2 MIRE与LB方法对比
图7是MIRE与LB方法的有源声衰减测量结果, 由于降噪后的耳道内声压级在8 kHz处接近测量系统的本底噪声, 因此没有展示8 kHz处的MIRE测量结果。两种方法的测量结果在整个测试频段接近。采用Wilcoxon秩和检验分析两种方法的有源声衰减测量值, 结果显示: 两种方法仅在63 Hz存在显著性差异, 均值差异分别为2.8和3.5 dB。在125~4000 Hz频段, 两种方法的均值差异不超过±2 dB。受扬声器频响的限制, MIRE实验中扬声器发出的宽带粉红噪声在低频的能量不足, 导致有部分被试在佩戴耳机且有源降噪开启的状态下, 降噪后的耳道内1/3倍频程声压级在63 Hz处接近生理噪声1/3倍频程声压级, 这使得由MIRE方法测得的有源声衰减量在63 Hz处偏小。
在本文的实验设置中, MIRE与LB实验是在不同佩戴状态下进行的。在MIRE实验中, 微型传声器和连接线放置在耳道内; 在LB实验中, 被试耳内没有MIRE测量装置。LB方法是一种相对准确的主观方法, 由图7可知MIRE方法与LB方法有较好的一致性, 这说明本文使用的传声器和连接线对有源降噪系统的影响较小, 且MIRE方法的测量结果可以反映被试的主观感受。
3.3 MIRE与REAT方法对比
图8是MIRE和REAT方法的无源声衰减测量结果。对于两种不同结构的耳机, REAT和MIRE方法的测量结果在中高频接近。 但对于声封闭入耳式耳机(耳机1和2), 两种方法在低频存在较大差异, REAT方法的测量结果高约10 dB; 对于声开放入耳式耳机(耳机3), 两种方法的低频结果相近。为探究两种方法测得的无源声衰减量是否存在显著性差异, 采用Wilcoxon秩和检验分析数据, 结果显示, 对于耳机1, 两种方法在63~500 Hz范围存在显著性差异, 在1~4 kHz范围不存在显著性差异且均值差异小于±3 dB; 对于耳机2, 两种方法在63~250 Hz范围存在显著性差异, 在500~4000 Hz范围不存在显著性差异且均值差异小于±3 dB; 对于耳机3, 两种方法仅在500 Hz存在显著性差异, 且该处两种方法的均值差异为1.3 dB, 在其余频段均值差异不超过±2 dB。
测量无源声衰减时, 耳部的状态在有源降噪关和裸耳之间切换。裸耳时, 被试的听阈测量结果准确; 佩戴耳机且有源降噪关闭时, 被试可能会听到生理噪声。REAT方法的无源声衰减测量结果由有源降噪关时的听阈与裸耳时的听阈相减获得, 生理噪声声压级过大会使得前一项结果偏大, 导致无源声衰减测量结果偏大。而MIRE方法是客观方法, 当降噪后的耳道内声压级高于对应状态的生理噪声声压级时, 可避免生理噪声的影响。
REAT方法在低频的准确性与生理噪声声压级有关, 从文献[3]可知两者的相关性。声开放式耳机通常放置于耳道口, 耳道和外界环境之间存在声泄露, 堵耳效应较弱, 生理噪声被放大的程度低。实验测量了佩戴声开放式耳机(耳机3)时的生理噪声声压级, 结果显示佩戴该耳机且有源降噪关闭状态下的生理噪声声压级接近测量系统的本底噪声, 且本底噪声在63 Hz和125 Hz的1/3倍频程声压级小于裸耳听阈, 因此可以认为生理噪声不影响听阈测量, 即REAT方法测量结果准确。由图8(c)可知, 对于该耳机, REAT与MIRE方法的测量结果接近, 因此该结果验证了MIRE方法测量低频无源声衰减的准确性。此外, 研究表明REAT方法能准确测量中高频的无源声衰减[11], 由图8可知REAT和MIRE方法在中高频有较好的一致性, 因此可认为MIRE方法的中高频测量结果准确, 可反映主观感受。综合而言, MIRE方法可准确测量有源降噪入耳式耳机的无源声衰减。
与声开放式耳机不同, 声封闭式耳机会堵塞耳道, 堵耳效应明显。表2是佩戴声封闭入耳式耳机时的生理噪声1/3倍频程声压级, 其中, 部分被试的生理噪声声压级在250 Hz处与测量系统的本底噪声接近, 因此实际值比测量值小。从表2可看出在63 Hz和125 Hz, 生理噪声声压级比裸耳听阈高出至少10 dB, 此时REAT与MIRE方法的差异为8.5~10.5 dB; 在250 Hz处, 生理噪声声压级与裸耳听阈的差异变小, 此时REAT与MIRE方法的测量结果差异也降低。结合声开放入耳式耳机的测量结果, 可观察到生理噪声声压级与REAT高估程度之间的相关性, 即当生理噪声声压级较高时, REAT方法高估耳机的低频无源声衰减量; 当生理噪声声压级低于裸耳听阈时, REAT方法的测量结果准确。
表 2 REAT和MIRE方法测得的无源声衰减量均值差异、有源降噪关时生理噪声1/3倍频程声压级和裸耳听阈耳机 频率
(Hz)REAT和MIRE
无源声衰减量
均值差异 (dB)有源降噪关时生理
噪声1/3倍频程
声压级 (dB)裸耳听阈
(dB)耳机1 63 10.1 46.7 35.2 125 10.5 38.1 25.2 250 3.7 <27.5 19.0 耳机2 63 10.1 47.5 35.8 125 8.5 37.4 25.5 250 3.1 <28.9 19.1 因此, REAT方法可准确测量声开放入耳式耳机的无源声衰减; 受生理噪声影响, REAT方法高估了声封闭入耳式耳机的低频无源声衰减量, 高估值可达10 dB; MIRE方法可准确测量耳机的无源声衰减。
图9是REAT与MIRE方法测得的耳机3有源声衰减结果对比和电噪声1/3倍频程声压级。可知两种方法的有源声衰减测量结果随频率有相似的变化趋势, 但在500 Hz和1000 Hz, REAT的结果比MIRE的结果偏大几分贝。对比图5和图9(b)可观察到耳机3发出的电噪声声压级在中频高于另外两款耳机, 导致REAT测量受电噪声的影响更大。不同有源降噪耳机的电噪声频率分布和声压级不同, 因此会对不同频率的听阈测量产生影响。当有源降噪系统的电噪声声压级越高, 有源降噪开启状态下的听阈测量值越大, 计算得到的声衰减越大。因此, 使用REAT方法测量有源降噪耳机的有源声衰减是不够准确的。
3.4 MIRE与ATF方法对比
3.2节和3.3节的实验结果可验证MIRE方法测量有源降噪入耳式耳机声衰减的准确性, 即MIRE方法的测试结果可反映真人主观感受。本节对比了MIRE与ATF方法的测试结果, 探究ATF方法的准确性, 结果如图10所示。对于声封闭入耳式耳机, 即图10(a-d), 两种方法测得的声衰减量存在较大差异, 且ATF方法低估了设备的有源声衰减量, 差异可达十几分贝。在实验中发现, 受仿真耳道的尺寸和材料限制, 存在声封闭入耳式耳机与耳模拟器耦合困难的情况, 这会导致其佩戴状态与真人不同, 有源降噪系统的实际声学路径与预估值的偏离程度不同, 最终导致降噪效果差异大。对于声开放入耳式耳机, 即图10(e-f), 两种方法测得的无源声衰减量接近, 但两种方法测得的有源声衰减量随频率有不同的变化趋势, 最大衰减值所对应的频率也存在差异。相较于声封闭入耳式耳机, 声开放入耳式耳机与耳模拟器耦合更容易, 这可能是两种方法测得的无源声衰减量接近的原因。目前的ATF设备在材料和结构方面仍与真人耳存在较大差异, 且存在耳机与耳模拟器难以耦合的情况, 结合实验结果, 可认为ATF方法的测试结果不宜用于表征有源降噪入耳式耳机的声衰减。
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图 10 MIRE与ATF方法测得的声衰减量对比 (a) 耳机1无源声衰减量; (b) 耳机1有源声衰减量; (c) 耳机2无源声衰减量; (d) 耳机2有源声衰减量; (e) 耳机3无源声衰减量; (f) 耳机3有源声衰减量4. 结论
为探讨有源降噪入耳式耳机声衰减的有效测量方法, 使用4种典型方法测量了2款有源降噪声封闭入耳式耳机和1款有源降噪声开放入耳式耳机。对比了不同方法的测量结果, 分析了各方法测量结果存在差异的原因, 指出了各方法存在的问题。主要结论如下:
(1)受堵耳状态下生理噪声的影响, REAT方法高估了有源降噪声封闭入耳式耳机的低频无源声衰减量, 偏高程度可达10 dB。受生理噪声和电噪声影响, REAT方法不能准确测量有源降噪入耳式耳机的有源声衰减。
(2) LB方法是一种可靠、准确的测量方法。但是该方法的测听难度大, 并且需要耳机在切换有源降噪功能时不发出提示音, 难以推广应用。
(3)由于耳模拟器在耳道结构和材质方面与真人耳不同, 基于ATF与基于真人耳所测得的有源降噪入耳式耳机的有源声衰减量差异较大, 可达10 dB以上。ATF方法的测试结果不宜用于表征有源降噪入耳式耳机的声衰减。
(4) MIRE方法使用了小尺寸微型传声器, 可以在不影响耳机佩戴的情况下测量有源降噪入耳式耳机的声衰减, 测量结果在主观方法有效的频率范围内与其接近, 且测试过程简易、快捷, 可有效测量有源降噪入耳式耳机的声衰减。
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图 10 MIRE与ATF方法测得的声衰减量对比 (a) 耳机1无源声衰减量; (b) 耳机1有源声衰减量; (c) 耳机2无源声衰减量; (d) 耳机2有源声衰减量; (e) 耳机3无源声衰减量; (f) 耳机3有源声衰减量
表 1 耳机测试样品详情
耳机 结构类型 控制方式 滤波器系数
更新方式切换有源降噪功
能时有无提示音耳机1 声封闭式 前/反馈混合控制 固定系数 无 耳机2 声封闭式 前/反馈混合控制 固定系数 无 耳机3 声开放式 前馈控制 固定系数 有 
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表 2 REAT和MIRE方法测得的无源声衰减量均值差异、有源降噪关时生理噪声1/3倍频程声压级和裸耳听阈
耳机 频率
(Hz)REAT和MIRE
无源声衰减量
均值差异 (dB)有源降噪关时生理
噪声1/3倍频程
声压级 (dB)裸耳听阈
(dB)耳机1 63 10.1 46.7 35.2 125 10.5 38.1 25.2 250 3.7 <27.5 19.0 耳机2 63 10.1 47.5 35.8 125 8.5 37.4 25.5 250 3.1 <28.9 19.1
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