第三节　常用声信号

听力学测试是测量人的听觉系统对于声音刺激的主观或客观反映。不同的测试需要使用不同时域和频域特性的声信号，并使用适当的方式量化地呈现给受试者。本节介绍几种常用声信号的特性、用途以及信号呈现方式。

一、纯音

纯音（pure tone）是最常用的听力学测试信号。纯音测听得到的听阈是听力测试的金标准。纯音是时域波形为一简单正弦时间函数的声波，具有单一音调。从频域上看，理想的纯音具有单一的谱线（图3-3-1）。任何复杂的周期性信号都可在频域上分解为不同频率的纯音。

实际测试应用的声信号不可能是理想化的时程无限长的信号。其从无声到某一预定声压级需经过一个过程，这一过程即上升时间（rise time）。同样，声信号达到某一程度后持续的时间可长可短，这一持续时间（即时程）内声压级稳定不变，然后经过下降时间（fall time）降到无声。

声信号的时程和响度和频率特性都有关。例如，对1 000Hz纯音，时程（duration）需在200ms左右才能充分累积达到最高限度的响度。这时再延长时程，响度也不会增加，但缩短时程就会使响度降低。另一方面，信号时程还会影响信号的频率特性。时程越短声刺激的频谱主瓣越宽、频率特性越差，特别是低频纯音更易失去其频率特征。这也是临床上纯音测听要求每次给患者呈现信号至少1～2s的原因。

二、短时程信号

短时程信号是指持续时间短于200ms的信号。使用这些信号的常用测试包括记录听觉诱发电位和诱发性耳声发射等。

（一）短声

短声（click）是加载一个方波脉冲信号到换能器终端所产生的宽频谱的瞬态声学或振动信号。图3-2-1左图即为一个单极性短声信号的时域波形。短声是一种宽频带信号，频率特异性较差，能量主要集中在3 000～4 000Hz。图3-3-2显示了经插入式耳机播放的典型的短声频谱。

（二）短音和短纯音

短音（tone pip）和短纯音（tone burst）是时程短于200ms的正弦信号。二者均由纯音信号施加一个时窗（包络）截取而成，包含数个正弦波。短音和短纯音的区别仅在使用线性时窗截取时在时域上是否具有平台期（持续时间）。短音不具有平台期。使用非线性时窗截取信号时，短音和短纯音并无显著区别，可统一称为短纯音。由于时程较短，所以与纯音相比，短音和短纯音的频谱并非单一谱线，而是形成一窄带，其频率特异性与时程、上升/下降时间有关。为去除测试中的刺激伪迹，通常采用由疏波信号和密波信号交替组成的交变极性短时程信号。

短纯音的时程指的是短纯音包络的上升沿和下降沿上50%最大幅度点之间的时间间隔（图3-3-3A）。短纯音包络的上升沿上10%最大幅度点与90%最大幅度点之间的时间间隔称为短纯音的上升时间（图3-3-3B）；下降沿上90%最大幅度点与10%最大幅度点之间的时间间隔称为短纯音的下降时间（图3-3-3C）。

线性时窗截取的短纯音信号如图3-3-3所示。在评估听阈时，使用非线性时窗如Blackman等产生的短纯音比起一般的线性时窗短纯音引发的刺激同步性更好，同时还能保证频率特异性。目前多用Blackman时窗来截取短纯音（图3-3-4）。

（三）Chirp声

Chirp声又称线性调频脉冲声，是一种调频调制声，具有耳蜗行波延迟代偿的特性，其频率可随时间改变。它以耳蜗模型为基础，低频声音早发出，高频声音晚发出（图3-3-5）。Chirp声能代偿耳蜗传递时间，克服耳蜗的特殊解剖结构造成的低频区行波延迟，在耳蜗中增加了实时同步性，提高听性稳态反应（auditory steady state response，ASSR）评估听阈的效果并提高测试速率。Chirp声在频率特异性ABR、ASSR测试中应用广泛。

（四）信号的频率特性

听力学测试需要尽可能了解受试者各个频率上的听阈水平。因此，所使用的测试信号需要具有频率特异性。在进行客观测听如ABR测试等时，信号的频率特异性尤为重要。ABR反应阈值的确定需要主观判断，因而要求ABR波形具有较好的分化程度（即神经冲动同步化好）。这就要求刺激声具有较好的瞬态特性。因此，ABR的刺激声信号需要同时具备频率特异性和瞬态特性两个特点。

纯音具有最好的频率特异性，但是因其时程长、频谱窄，无法使得大量神经元有效同步化反应。传统的ABR使用短声可以在短时间诱发大量听觉神经元产生同步化神经反应，但是缺乏频率特异性。短纯音和短音综合了短声与纯音特点，理论上可在听神经同步化反应与频率特异性之间取得最佳平衡。短纯音/短音刺激声由其时程的长短决定频率特异性。上升、下降时间和时程越长，频率特异性越好；上升、下降时间越短，声刺激的频谱主瓣越宽、频率特性越差。非线性时窗截取的短音能够提高诱发ABR频率特异性。

三、复合信号

（一）言语信号

临床上常常需要进行言语测听。言语测听使用的信号，可以是监控下的现场发声，即由测试者朗读或口述，也可由发音人的物理言语声信号转换成电信号，经过控制和调整，再由电信号转换成物理言语声，如通过磁带、CD、计算机声卡等播放。与纯音、短纯音等信号不同，言语信号是波动的、复合的信号（图3-3-6）。

言语信号的强度控制是非常重要的，使用经过校准的测试信号得到的结果才具有可比性。言语测听中使用的言语信号可用言语级（speech level，Lp）表示，也可用言语听力级（hearing level for speech，HLspeech）表示。由于言语信号幅度随时间波动，因此通常采用一段时间内的方均根值来描述言语信号级。言语听力计或者听力计中言语测听线路的校准，主要是以1 000Hz窄带噪声或啭音校准信号代替声强、频率和时间都不断变化的言语信号进行校准。

（二）用于ASSR测试的调制信号

用于ASSR测试的调制声信号与诱发ABR的瞬态信号如短声等不同。

1.调幅声（amplitude modulation，AM）和调频声（frequency modulation，FM）

正弦调幅或指数包络（exponential envelopes）的纯音、宽带噪声和限带噪声（band-limited noise）均可诱发ASSR。其中正弦调幅音（波形如图3-3-7A所示）的频率特异性最好，调幅噪声诱发的反应振幅最大。调频声是对载波的频率进行调制，使载波的频率产生变化，调制深度的百分比是相对于载频而言，等于全部频率变化范围除以载频，调频反应振幅随调制深度和声音强度增加而增加。临床多用调制深度为10%的调频声。

2.混合调制声（mixed modulation，MM）

MM是以同一调制频率同时调制载波的振幅和频率（波形如图3-3-7C所示）。如果调制频率在80～100Hz，AM和FM反应基本上是独立的，两者相加构成MM反应。一般AM反应的相位比FM反应的轻微延迟，MM反应的振幅随着AM和FM之间的相位差变化，当AM和FM的反应相位一致时，振幅达到最大，仅比单独AM和单独FM反应振幅之和减少10%～20%。

3.独立调幅调频声（independent amplitude and frequency modulation，IAFM）

IAFM是同时以不同的调制频率对某一载波分别调幅和调频。IAFM反应比只调幅或只调频诱发的反应振幅稍有减低（减少14%）。同时给以多个IAFM声，可用于评价人类听觉系统分辨频率和振幅同时变化的能力。言语模式的IAFM声是以不同的调制频率同时对某一载波同时分别调幅和调频，载频（500Hz、1 000Hz、2 000Hz和4 000Hz）的调幅、调频深度与日常用语的声学特性相似，4个载频同时给出。

四、噪声

（一）噪声的定义

在听力学测试中，噪声通常与信号相对。噪声有两层含义，一是从声学本质上是指紊乱断续或统计上随机的声振荡，二是广义上可引申为任何不需要的声音或者电干扰。本节从声学本质上介绍听力学测试中常见的噪声。

（二）噪声的种类

1.白噪声

用固定频带宽度测量时，频谱连续并且均匀的噪声。白噪声的功率谱不随频率改变（图3-3-8A）。

2.粉红噪声

用正比于频率的频带宽度测量时，频谱连续并且均匀的噪声。粉红噪声的功率谱密度与频率成反比（图3-3-8B）。

3.窄带噪声

频谱连续且功率谱密度恒定的白噪声，通过在通频带以外基本上是恒定衰减的带通滤波器，所产生的噪声信号（图3-3-8C）。在纯音测听时，为避免非测试耳通过交叉听力听到测试声信号，需用中心频率与测试纯音信号频率相同的窄带噪声在非测试耳施以掩蔽。所谓掩蔽，是一个声音的听阈因存在另一个声音而提高。掩蔽的大小就是提高的分贝数。

4.言语噪声

某些声场下的噪声中言语识别测试材料使用与测试项频谱形状一致的言语谱噪声进行校准。较为常用的有国际长时平均语谱（ILTASS）噪声（图3-3-8D）和多人谈话噪声（babble noise，BN）。

（三）信噪比

信噪比是信号相对于噪声的倍数，通常以dB表示。信噪比越高，代表信号越清晰。

五、声音信号呈现方式

各种测试用的声音信号都是通过换能器将电信号转换为声信号呈现给受试者。常用换能器包括气导耳机、骨振器（骨导耳机）和扬声器。其中扬声器并不是孤立使用，而是必须在符合标准的测试声场中进行测试。

（一）气导耳机给声

空气传导又称气导，是声波经外耳道、鼓膜、听骨链，通过镫骨足板振动内耳外淋巴的过程。通过气导方式给患者呈现信号的换能器叫作气导耳机。听力测试使用的标准化的气导耳机主要包括以下几种：

1.压耳式气导耳机

这类耳机的耳机壳呈开放式，重量较轻，同时具有良好的频率响应。常用压耳式耳机有TDH39耳机等。此类耳机亦可在外部增加耳垫（图3-3-9A）。

2.耳罩式气导耳机

此类气导耳机的耳机壳与耳垫是完全封闭的，低频响应更好，失真较小。常用耳罩式耳机有HDA200耳机等（图3-3-9B）。

3.插入式耳机

与前两种耳机不同，插入式耳机的换能部分与声音入耳部分是分离的，肩挂式换能器通过长约240mm的声管与乳突部接头相连接，配以海绵耳塞。抗环境噪声性能好，并可提高耳间衰减值。此外，插入式耳机比压耳式和耳罩式耳机更适用于对外耳道塌陷的受试者进行测试。常用插入式耳机有ER-3A耳机等（图3-3-9C）。

（二）骨振器给声

骨传导简称骨导，是指声波通过颅骨的机械振动传导到内耳，使内耳淋巴发生相应振动而引起基底膜振动的过程。骨振器又叫骨导耳机，是把电振荡转换为机械振动的换能器。在使用时，骨振器紧密地耦合到人的骨结构上，通常是乳突部，也有时置于颧骨或牙齿。骨振器的输出为交变的力，以dB作为交变力级的级差单位时，以1μN为基准。临床测听常用的B-71和B-72型骨振器（图3-3-10）。

（三）声场中扬声器给声

在听力测试中经常会选用扬声器作为换能器，在声场环境下测试患者双耳聆听由一只或多只扬声器发出的声信号时的听阈。广义的声场指的是媒质中有声波存在的区域。用于声场测听的环境会有很大变化。ISO标准和国家标准规定了下列三种类型的声场，用户需考虑决定哪种声场更适用。

1.自由声场

在均匀各向同性媒质中，声波可以自由传播，边界影响可以不计的声场叫自由场。自由场应满足以下声学要求：①扬声器应位于坐姿受试者头部的高度，参考轴径直穿过参考点。参考点与扬声器之间的距离应至少为1m；②当受试者及其座椅不在时，在偏离参考点轴线左右及上下各0.15m处，扬声器产生的声压级与其在参考点的声压级之差，对小于等于4 000Hz的任意测试频率，应不超过± 1dB，4 000Hz以上的任意测试信号，应不超过± 2dB。并且参考点轴线左右各0.15m的两位置声压级之差，对4 000Hz以上的任何频率，应不超过3dB；③当受试者及其座椅不在时，在参考轴上，距离参考点前、后各0.15m处，与扬声器在参考点产生的声压级之差值，与声压距离反比定律理论值的偏差，对任意测试信号，应不超过± 1dB。

2.扩散声场

能量密度均匀、在各个传播方向作无规分布的声场叫作扩散声场。扩散声场应满足以下要求：①当受试者及其座椅不在时，用全向性传声器测量，对任意测试信号，在偏离参考点轴线前、后、左、右、上、下15cm的各位置，与参考点声压级的偏差，均不应超过± 2.5dB。并且参考点轴线左右各0.15m的两位置声压级之差，应不超过3dB；②在500Hz及其以上频率，对规定的最大和最小两个测量方向，在参考点的声压级偏差应在5dB以内。

3.准自由声场

若房间的六面中只有地面未铺设吸声材料，则可能对声波产生影响，叫作准自由声场。准自由声场应满足以下要求：①扬声器应位于坐姿受试者头部的高度，参考轴径直穿过参考点。参考点与扬声器的参考点之间的距离应至少为1m；②当受试者及其座椅不在时，且所有其他正常工作条件保持不变，在偏离参考点轴线左右及上下各0.15m处的位置，扬声器产生的声压级与其在参考点处的声压级之差，对任意测试信号应不超过± 2dB；③当受试者及其座椅不在时，在参考轴上，距离参考点前、后各0.10m处，任意测试信号，扬声器在参考点产生的声压级与声压距离反比定律理论值的偏差，应不超过± 1dB。

事实上，实际测试环境往往难以从理论上满足三种类型中的任意一种。从有利于实践的角度出发，在声场零级校准中往往采用扩散场的零级。

国家标准《GBT 4854.7—2008声学校准测听设备的基准零级第7部分：自由场与扩散场测听的基准听阈》规定了声场测听允许的最大环境噪声级。测试室内的环境声压级，应符合表3-3-1中所给数值的要求。

受试者在声场中受试的位置，两耳道口连接直线的中点称为参考点，是声场空间中的一个虚拟的点，信号校准和受试者接受测试均必须在参考点上进行。参考点通常与受试者坐姿耳部位置、扬声器喇叭中心点等高，且扬声器中心点沿参考轴方向与参考点的距离不少于1m。无论采用何种入射角度，扬声器的参考轴均应直穿参考点。

声场布局的另一个重要因素是声音入射角。入射角指的是扬声器矢状参考轴面与受试者矢状面的夹角。根据信号入射方向，主要有0°入射、90°入射、45°入射等3种入射方式（图3-3-11）。对不同入射角，自由声场的基准听阈声压级略有差别，需通过入射角修正值进行修正。扩散场的基准听阈声压级受入射角影响很小。

声场测听时如果使用纯音，会遇到驻波问题。为克服这一问题，要求施以可减少驻波效应的非相干信号，临床上通常使用窄带噪声或者啭音进行测试。

（冀飞）