CN110763658B - 一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置及方法。所述装置包括：一个截面均匀的声管和一个连接管，两者密封连接；所述声管的一端连接声源，用于发出激励信号；所述声管的另一端通过连接管与耳道平滑连接；在声管壁上设置N个小孔；小孔轴线垂直于声管轴线，每个小孔处放置一个微型传声器，传声器的振膜与声管内表面平齐。所述方法包括：测量声管内连接管入口处的参考平面处的声压反射系数；再根据此处的声压反射系数和截面面积，将包括连接管和耳道在内的各点的截面面积以及声压反射系数联合推导出来；如果所得到的连接管的截面面积准确，则耳道内和耳道口的声压反射系数为推导出的声压反射系数；由此计算鼓膜处的声压反射系数。

Description

一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及声学领域，具体涉及一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置及测量方法。

背景技术

众所周知，鼓膜声压反射系数与中耳的健康状况有关，可以用来帮助筛查和诊断某些中耳疾病。但是，在耳道内测量鼓膜声压反射系数是不方便的，而且有伤害鼓膜的风险。相比之下，在耳道口测量耳道口声压反射系数则比较容易和安全。目前耳道口声压反射系数仍作为一项重要的参考数据，被用于诊断中耳疾病。但是，耳道口声压反射系数不仅含有鼓膜反射的效果，也含有耳道横截面的反射效果，用耳道口声压反射系数对中耳疾病进行诊断难免会造成误诊和漏诊。最近发现，鼓膜声压反射系数可以根据耳道口声压反射系数和耳道口截面积推导出来，将耳道反射的影响从耳道口反射系数中分离出去。因此，准确测量耳道口声压反射系数是得到准确的声压鼓膜反射系数的必要条件。然而，现有测量耳道口声压反射系数的方法存在各种各样的误差，测量频带也不够宽，不能满足推导准确鼓膜声压反射系数的要求。

现有测量耳道口反射系数的方法有两个：

方法1：所用装置包含将激励声信号传入耳道口的细声管和一个细探管传声器。激励声信号通过细声管传入耳道口，声源的细声管和传声器的细探管与耳道口的密封材料一起被插入耳道口。测量前对声源细声管出口处的等效声源参数进行估计。测量时用细探管传声器拾取耳道口对激励声信号的响应声压信号。然后，根据耳道口处的声压与等效声源的关系，估计出耳道口的声阻抗。再假设耳道内只有平面波，利用耳道口反射系数的时域脉冲响应为因果函数这一性质，估计出耳道口截面积估计值。最后根据耳道口的声阻抗和耳道口截面积的估计值，计算出耳道口的反射系数。

该方法存在的缺陷：

测量的耳道口声压反射系数不准确。第一个原因是所估计的激励声源的参数可能不准确，由此导出的耳道口声阻抗也可能不准确。第二个原因是因为细声管口到耳道口截面积的突变，造成耳道声场出现非平面波，从而使测量反射系数所假设的平面波声场被干扰，导致测量结果不准确。第三，所估计的耳道口的截面积受噪声影响，并且不能对其进行验证，因此不能由此得出准确可靠的耳道口声压反射系数，进而也不能由此推算准确的耳道截面积和鼓膜声压反射系数。第四个原因是测量频率下限高于20Hz，不能满足推导准确鼓膜反射系数的要求。

该方法会产生三个系统误差：1)所用等效声源参数含有误差，基于不准确声源参数得到的耳道口声阻抗也不准确；2)内径很细的声管与耳道口的连接处的截面积突变在测量点造成非平面波，使得基于平面波假设而计算出的反射系数不准确；3)计算耳道口反射系数所用的截面积是基于不准确的耳道口声阻抗估计出来的，是通过逐步迭代得到的，无法验证此截面积估计值是否可靠。

方法2：用声管与耳道口连接，测量声管末端的声阻抗；根据声管末端的声阻抗，并假设声管内截面积与耳道口的内截面积相同，推算耳道口的反射系数。

声管的一端为激励声源，另一端与待测耳道相连。传声器穿过管壁且内表面与声管内壁平齐，不破坏平面波声场，测量声管端口处的反射系数被作为耳道口的反射系数。但是，声管端口处的反射系数并不是一定等于耳道口的反射系数。这是因为尽管声管末端声阻抗和耳道口的声阻抗相同，但是声管末端的内截面积并不一定等于耳道口的截面积。

该方法存在的缺陷：

将声管内截面近似作为因人而异的耳道口的截面积，因此不能得出准确的耳道口反射系数，进而也不能由此准确推算耳道截面积和鼓膜反射系数。

假设耳道口内截面积与声管内截面积相同。但是，耳道内截面积是因人而异的，声管内截面积不一定与被测耳道口的内截面积相同。因此，这个方法也不能准确得到耳道口的反射系数。

发明内容

本发明的目的在于克服上述两种方法存在的缺陷，提出了一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置及测量方法，该方法能够准确测量耳道口声压反射系数；并估计出耳道的截面积和鼓膜的声压反射系数，并判断耳道截面积估计值和鼓膜声压反射系数估计值是否可靠。

为了实现上述目的，本发明提出了一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置，所述装置包括：一个截面均匀的声管和一个连接管，两者密封连接；所述声管的一端连接声源，用于发出激励信号；所述声管的另一端通过连接管与耳道平滑连接；在声管壁上设置N个小孔；小孔轴线垂直于声管轴线，每个小孔处放置一个微型传声器，传声器的振膜与声管内表面平齐，传声器与小孔壁之间的缝隙密封。

作为上述装置的一种，所述连接管的内截面面积为从声管的内截面面积平滑过渡到耳道口的内截面面积。

作为上述装置的一种改进，所述声管的内径大于5mm，壁厚大于3mm；所述声管壁上小孔的个数N大于等于3，小孔的直径为2.5mm。

作为上述装置的一种改进，所述声源发出的激励信号频率的下限要低于20Hz，上限高于15kHz。

作为上述装置的一种改进，所述连接管与耳道的连接端用弹性的硅胶环套住。

基于上述装置，本发明还提出了一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量方法，所述方法包括：

测量声管内连接管入口处的参考平面处的声压反射系数；再根据此处的声压反射系数和声管的截面面积，将包括连接管和耳道在内的各点的截面面积以及声压反射系数联合推导出来；根据实际的连接管截面面积判断推导出的连接管的截面面积是否准确；如果所得到的连接管的截面面积准确；则耳道内和耳道口的声压反射系数为推导出的声压反射系数；再根据推导出的耳道截面面积确定鼓膜参考平面的位置，并计算鼓膜参考平面处的声压反射系数。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1)声源发出激励声信号，所述传声器拾取声管内相对于参考平面x＝0距离为x₁,x₂…x_N处的声压信号P₁(f),…,P_N(f)；声管内参考平面处向耳道方向传播的声波为P_i(f)，向声源方向传播的声波为P_r(f)；它们之间的关系为：

f为声信号频率，参考平面x＝0处的来自耳道方向的声压反射系数的频响r₀(f)为：

其中

步骤2)令G₁(f)＝-r₀(f)，计算G₁(f)对应的离散时间域的脉冲响应函数g₁(n)，n为采样时间点，采样频率F_s＞100kHz；

步骤3)联合导出从x＝0到x＝L各个截面处的截面面积S(m)以及该截面处的体积速度反射系数G_m(f)，L为连接管和耳道的长度，L>L₁+4厘米，L₁为连接管长度,1≤m≤M，M＝round(L/L₀)，m为整数，L₀＝c/2F_s，c为声音在空气的速度，获取各个截面处的声压反射系数；

步骤4)计算连接管内的每个截面面积S(m)，1≤m≤Q，Q＝round(L₁/L₀)与实际内截面积的面积差，如果每个面积差都小于阈值，则测量和估计结果有效；转入步骤5)，否则，测量和估计结果无效；调整测量装置：使连接管的内截面面积及其与声管和耳道的连接部分的内截面积更平滑，并保证连接处没有漏气，转入步骤1)；

步骤5)耳道内的声压反射系数为推导出的声压反射系数，并得到耳道口的声压反射系数；

步骤6)根据所得到的耳道截面面积，找到耳道截面积减小最快的区域的中心位置，并将此处定为鼓膜参考平面的位置；估计鼓膜参考平面到参考平面的距离x_ed；由此确定鼓膜参考平面处的声压反射系数。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)根据g₁(n)，依次递推计算出g₂(n),…g_M(n)：

由此得出r_m＝g_m(1)，1≤m≤M，M＝round(L/L₀)；

步骤3-2)推导出各个截面处的截面面积S(m),1≤m≤M；

根据：

r_m＝(S(m+1)-S(m))/(S(m+1)+S(m))

S(m+1)＝S(m)(1+r_m)/(1-r_m)

其中，S(1)为已知参考平面的截面面积，依次递推得到；

步骤3-3)根G₁(f)和r_m，将G_m(f)，2≤m≤M从下式递推出：

其中，k_m为：

D_m为声管第m个截面处的直径

步骤3-4)第m个耳道截面处的声压反射系数R_m(f)为：R_m(f)＝-G_m(f)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤5)耳道内的声压反射系数为推导出的声压反射系数R_m(f),Q≤m≤M；耳道口的声压反射系数R_C(f)为：R_C(f)＝R_Q(f)。

作为上述方法的一种改进，所述步骤6)具体为：

根据G₁(f)和r_l，将G_l(f)从下式递推出：

其中，2≤l≤E，E＝round(x_ed/L₀)，k_l为：

D_l为声管第l个截面处的直径

则鼓膜参考平面处的声压反射系数r_ed＝-G_E(f)。

本发明的优势在于：

1、本发明的装置可以应用于听力学测量，也可以用于耳机(或助听器)的信号处理。

2、本发明的方法能够避免现有测量方法的系统误差，准确测量耳道口反射系数，并由此将整个耳道截面积和鼓膜的反射系数联合导出，将耳道反射的影响从耳道口反射系数中排除，从而得到准确的鼓膜反射系数。

附图说明

图1为本发明的耳道反射系数的测量装置的示意图；

图2为现有的推导耳道截面积和鼓膜反射系数所用的声学模型；其中，共有M段等长管串联，各段长度为L₀，鼓膜参考平面在第M+1个截面，Z_TM为鼓膜等效阻抗；

图3为本发明的装置的连接管的截面积函数示意图；

图4为采用本发明的方法得到耳道截面积函数(鼓膜参考平面大约距离耳道口20mm，此图x＝0对应耳道口不是声管内的参考平面)；

图5为本发明得到的耳道口反射系数(上，深色)和鼓膜反射系数(下，浅色)的测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明的测量装置采用一个截面均匀的声管和一个内截面积平滑过渡且长度已知的连接管，测量耳道口的声压反射系数。声管内径与耳道口内径接近。声管一端连接高质量声源发出激励信号，另一端通过连接管与耳道平滑连接。连接管的内截面积要加工成从声管的内截面积平滑过渡到耳道口的内截面积，以防止内截面积的突变在测量时造成非平面波声场.在声管壁指定位置开N个小孔。小孔轴线垂直于声管轴线，口径略大于测量用微型传声器口径。微型传声器插入小孔，振膜与声管内表面平齐，传声器与小孔壁之间的缝隙要用密封材料密封。

制作一个声管，其内径大于5mm，壁厚大于3mm。垂直于管壁开N>＝3个孔，用于插入微型传声器。一个可能的测量声管是在离管口参考平面x＝0处的距离为[x₁,x₂,x₃,x₄ x₅]＝[52,64.5,129,137,162]mm处开5个孔。声管末端插入宽频带高保真耳机，发出的激励信号频率下限要低于20Hz，上限高于F_c＝15kHz。

选择一个连接管，长度2～3cm。其与耳道的连接端的外径接近于常用耳塞声管的外径。连接管的内截面积要从声管内截面积S₀平滑过渡到耳道口的内截面积。

将连接管插入声管，并将两管之间的缝隙密封。连接管与耳道的连接端可以用弹性的硅胶环(silicon ring tip)套住，以保证耳道口无漏气(图1)。

基于上述装置，本发明提出了一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量方法，测量原理为：测量声管内参考面(x＝0)处的声压反射系数。再根据此声压反射系数和声管的内截面面积，将0<x<L(包括连接管和耳道)各点的截面面积以及声压反射系数联合推导出来。所推出的耳道的内截面面积是否准确，可以根据同时导出的连接管的内截面面积的估计值是否准确来判断。

所述方法包括以下步骤：

步骤1)将连接管插入耳道口；

步骤2)声管声源发出激励声信号，频率下限要低于20Hz,上限要高于15kHz，并拾取声管内相对于参考平面x＝0距离为x₁,…x_N处的声压信号P₁(f),…,P_N(f)；声管内参考平面处向耳道方向传播的声波为P_i(f)，向声源方向传播的声波为P_r(f)。它们之间的关系为：

f为声信号频率，参考平面x＝0(连接管口)处的来自耳道方向的反射系数的频响r₀(f)为：

其中

耳道口反射系数的测量频率下限要低于20Hz,上限要高于15kHz，

步骤3)令G₁(f)＝-r₀(f)，计算G₁(f)对应的离散时间域的脉冲响应函数g₁(n)，n为离散时间第n个采样时间点n/F_s，n为正整数，采样频率F_s＞100kHz；

步骤4)以g₁(n)和参考平面的截面面积为初值，联合导出从x＝0到x＝L(包括连接管和耳道，图1)各个截面处的截面面积S(m)以及该截面处的体积速度反射系数G_m(f)，L为连接管和耳道的长度，L>L₁+4厘米，L₁为连接管长度；M＝round(L/L₀)，m为整数，L₀＝c/2F_s，c为声音在空气的速度；

如图2所示的声学模型，根据g₁(n)，依次递推计算出g_m(n)，亦即第m个截面的G_m(f)的时域脉冲响应:

由此得出r_m＝g_m(1)，1≤m≤M，M＝round(L/L₀)。

根据：r_m＝(S(m+1)-S(m))/(S(m+1)+S(m))，S(m+1)＝S(m)(1+r_m)/(1-r_m)，S(1)为已知参考平面的截面面积，可以依次推导出各个截面处的截面面积S(m),1≤m≤M，M＝round(L/L₀)。

根据G₁(f)和r_m，将G_m(f)，2≤m≤M从下式递推出：

其中k_m为：

D_m为声管第m个截面处的直径

第m个耳道截面处的声压反射系数R_m(f)为：R_m(f)＝-G_m(f)。

步骤5)判断连接管的各截面面积S(m)，1≤m≤Q，Q＝round(L₁/L₀)结果是否有效：对比估计出的连接管内截面积与其实际内截面积(如图3所示)。如果二者相差小于阈值，则测量和估计结果有效，转入步骤6)；否则，测量和估计结果无效；需降低环境噪音，使连接管及其与声管和耳道的连接部分的内截面积更平滑，并保证连接处没有漏气，转入步骤2)。

步骤6)耳道内的声压反射系数为推导出的声压反射系数R_m(f),Q≤m≤M；耳道口的声压反射系数R_C(f)为：R_C(f)＝R_Q(f)。

步骤7)根据所得的耳道截面面积(如图4所示)，找到耳道截面积减小最快的区域的中心位置，并将此处定为鼓膜参考平面(通过鼓膜中心并与鼓膜垂直的假想平面)的位置。估计鼓膜参考平面到声管参考平面的距离为x_ed，鼓膜参考平面之后的截面积函数不是有效的耳道截面积估计值；

步骤8)确定鼓膜参考平面处的声压反射系数r_ed＝-G_E(f)，E＝round(x_ed/L₀)，其中，

根据G₁(f)和r_l，将G_l(f)从下式递推出：

其中，2≤l≤E，E＝round(x_ed/L₀)，k_l为：

D_l为声管第l个截面处的直径

则鼓膜参考平面处的声压反射系数r_ed＝-G_E(f)。

本发明可以更准确地测量耳道口反射系数，并且不需要耳道内测量也可以得到准确的鼓膜反射系数和耳道截面积函数，如图4,5所示。这是因为采取了以下措施：

A.声管到耳道口通过内截面积平滑渐变的连接管连接，可以避免测量中出现非平面波，从而可以对耳道口反射系数进行准确测量，并且使推导出的截面积函数不出现周期性波纹(吉布斯现象)。只有截面积估计值是准确的，才能确保联合估计出的鼓膜反射系数准确。

B.利用连接管截面积估计值是否准确来帮助判断耳道截面积和鼓膜反射系数估计值是否准确。连接管截面积估计值是否准确可以参照其实际值判断。如果判定连接管截面积估计值不准确，则导出的耳道截面积和鼓膜反射系数估计值也判定为不准确，不能用。这样可以减少不准确的测量结果被用于耳科疾病诊断或其它应用的概率。

C.鼓膜反射系数是根据测量的连接管口反射系数推导确定的，不需要进行耳道内测量。这样，不适宜耳内测量的人群(如儿童)也可以得到鼓膜反射系数的估计值。

D.测量信号下限低于20Hz,上限高于15kHz,确保覆盖耳道截面积函数的空间频率带宽。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置，其特征在于，所述装置包括：一个测量声压反射系数的声管和一个连接管，两者密封连接；所述声管的一端连接声源，用于发出激励信号；所述声管的另一端通过所述连接管与耳道平滑连接；所述连接管各点的内截面面积可以通过所述声管内连接管入口处的参考平面处的声压反射系数和声管的内截面面积准确推导出来；

所述连接管的内截面面积为从所述声管的内截面面积平滑过渡到耳道口的内截面面积。

2.根据权利要求1所述的耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置，其特征在于，所述声管的内径大于5mm，壁厚大于3mm；所述声管壁上小孔的个数N大于等于3，每个小孔处放置一个微型传声器。

3.根据权利要求1所述的耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置，其特征在于，所述声源发出的激励信号频率的下限要低于20Hz，上限高于15kHz。

4.根据权利要求1所述的耳道和鼓膜声压反射系数的测量装置，其特征在于，所述连接管与耳道的连接端用弹性的硅胶环套住。

5.一种基于权利要求2所述装置实现的耳道和鼓膜声压反射系数的测量方法，所述方法包括：

测量声管内连接管入口处的参考平面处的声压反射系数；再根据此处的声压反射系数和声管的内截面面积，将包括连接管和耳道在内的各点的截面面积以及声压反射系数联合推导出来；根据实际的连接管截面面积判断推导出的连接管的截面面积是否准确；如果所得到的连接管的截面面积准确，则耳道内和耳道口的声压反射系数为推导出的声压反射系数；再根据推导出的耳道截面面积确定鼓膜参考平面的位置，并计算鼓膜参考平面处的声压反射系数。

6.根据权利要求5所述的耳道和鼓膜声压反射系数的测量方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1)声源发出激励声信号，所述测量声压反射系数的声管内的传声器拾取声管内相对于参考平面x＝0距离为x₁,x₂…x_N处的声压信号P₁(f),…,P_N(f)；声管内参考平面处向耳道方向传播的声波为P_i(f)，向声源方向传播的声波为P_r(f)；它们之间的关系为：

其中

f为声信号频率，求出参考平面x＝0处的来自耳道方向的声压反射系数的频响r₀(f)；

步骤2)导出从x＝0到x＝L各个截面处的截面面积S(m)以及该截面处的声压反射系数Rm(f)，L为连接管和耳道的长度，L>L₁+4厘米,L₁为连接管长度，1≤m≤M，M＝round(L/L₀)，m为整数，L₀为相邻截面之间的距离；

步骤3)计算连接管内的每个截面面积S(m)，1≤m≤Q，Q＝round(L₁/L₀)与实际内截面积的面积差，如果每个面积差都小于阈值，则测量和估计结果有效；转入步骤4)，否则，测量和估计结果无效；调整测量装置：使连接管的内截面面积及其与声管和耳道的连接部分的内截面积更平滑，并保证连接处没有漏气，转入步骤1)；

步骤4)耳道内的声压反射系数为推导出的声压反射系数，并得到耳道口的声压反射系数；

步骤5)根据所得到的耳道截面面积，找到耳道截面积减小最快的区域的中心位置，并将此处定为鼓膜参考平面的位置；估计鼓膜参考平面到声管参考平面的距离x_ed；由此确定鼓膜参考平面处的声压反射系数。

7.根据权利要求6所述的耳道和鼓膜声压反射系数的测量方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)令G₁(f)＝-r₀(f)，计算G₁(f)对应的离散时间域的脉冲响应函数g₁(n)，n为采样时间点，根据g₁(n)，依次递推计算出g₂(n),…g_M(n)：

由此得出r_m＝g_m(1)，1≤m≤M，M＝round(L/L₀)，相邻截面之间的距离L₀为L₀＝c/2F_s,c为声音在空气中的速度，F_s为采样频率，F_s＞100kHz；

步骤2-2)推导出各个截面处的截面面积S(m),1≤m≤M；

根据：

r_m＝(S(m+1)-S(m))/(S(m+1)+S(m))

S(m+1)＝S(m)(1+r_m)/(1-r_m)

其中，S(1)为已知参考平面处的声管内截面面积，依次递推得到；

步骤2-3)根据G₁(f)和r_m，将G_m(f)，2≤m≤M从下式递推出：

其中，k_m为：

D_m为声管第m个截面处的直径

G_m(f)为第m个截面处的体积速度反射系数；

步骤2-4)第m个耳道截面处的声压反射系数R_m(f)为：R_m(f)＝-G_m(f)。

8.根据权利要求6所述的耳道和鼓膜声压反射系数的测量方法，其特征在于，所述步骤4)耳道内的声压反射系数为推导出的声压反射系数R_m(f),Q≤m≤M；耳道口的声压反射系数R_C(f)为：R_C(f)＝R_Q(f)。

9.根据权利要求7所述的耳道和鼓膜声压反射系数的测量方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：

鼓膜参考平面处的声压反射系数为r_ed＝–G_E(f)，E＝round(x_ed/L₀)。

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