ISO 11904-22021 声学通过靠近耳朵的声源确定声音输入第2部分使用人体模型的技术标准立项发展报告

声学通过靠近耳朵的声源确定声音输入第2部分：使用人体模型的技术标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Acoustics—Determinationofsoundimmissionfromsoundsourcesplacedclosetotheear—Part2:Techniqueusingamanikin摘要随着移动通讯设备、个人音频播放器、助听器及各类通讯耳机在日常生活与专业领域中的广泛普及，“靠近耳朵的声源”所产生的声音输入（SoundImmission）对人体听觉系统的潜在影响日益成为社会关注焦点。准确、可重复地测量此类设备产生的声压级，对于评估听力损伤风险、指导产品设计及制定安全法规具有关键意义。本报告聚焦于国际标准化组织（ISO）发布的ISO11904-2:2021《声学通过靠近耳朵的声源确定声音输入第2部分：使用人体模型的技术》。该标准替代了旧版，旨在提供一种使用声学人体模型（Manikin）模拟真实人耳声学特性的标准化测量方法。报告深入分析了该标准的立项背景、技术演变历程、核心测量原理与关键修订内容。研究表明，该标准通过规范人工头（如HATS）的几何尺寸、耳道声学特性、传声器位置及信号处理程序，显著提高了不同实验室间对于耳机、助听器等设备近耳辐射声压级测量的可比性和准确性。报告详细阐述了标准中关于自由场与扩散场修正、功率平均计算以及不确定性评估的核心技术要点。结论指出，ISO11904-2:2021不仅为听力防护、消费电子产品合规提供了权威技术依据，更推动了全球噪声暴露评估标准的统一化进程。未来，随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及个性化音频技术的兴起，该标准有望进一步融合个性化人耳模型与数字化测量技术，向更强普适性与更高精度方向发展。关键词：近耳声源；声音输入；人体模型；人工头；声压级测量；听力保护；ISO11904；标准化Keywords:SoundSourcesPlacedClosetotheEar;SoundImmission;Manikin;HeadandTorsoSimulator(HATS);SoundPressureLevelMeasurement;HearingProtection;ISO11904;Standardization正文1.引言与研究背景在信息技术高度发达的今天，人类通过耳机、头戴式受话器、入耳式监听设备等与“近耳声源”的交互已极为普遍。无论是用于通信、娱乐，还是医疗辅助（如助听器），这些设备发出的声音直接作用于人耳，其声学输出的精确量化直接关系到两大核心问题：听力健康保护与音频产品性能评估。从健康角度看，世界卫生组织（WHO）数据显示，全球有超过10亿年轻人因不安全的聆听习惯面临听力损失风险。准确测量近耳声源的声压级，是界定安全暴露限值（如符合IEC62368-1或EN50332标准）的前提，是预防噪声性听力损失（NIHL）的第一道防线。从产品研发角度看，高频保真、低失真及主动降噪（ANC）等性能指标均需依赖高精度的声学测试系统。然而，由于近耳声源的声场特性高度复杂（存在衍射、耳廓与耳道共振、泄漏效应等），传统的自由场或扩散场声压测量方法（如使用麦克风在空气中测量）无法复现真实人耳的响应，导致测量结果与主观听感严重偏离。为解决这一技术难题，国际标准化组织声学技术委员会（ISO/TC43）自上世纪90年代起便开始系统性地制定相关标准。ISO11904系列标准应运而生，它明确了“声输入”的定义：指声源放置在靠近耳朵时，进入人耳道或到达耳鼓膜处的声压。该系列分为两部分：第1部分（ISO11904-1）采用“真实耳道中的传声器”技术（需真人受试者参与），而本报告所述的ISO11904-2:2021（第2部分）则采用“声学人体模型”技术，以提供一种更稳定、可重复且易于标准化的替代方案。2.标准制定历程与修订意义ISO11904-2:2021是现行版本，它取代了2004年发布的ISO11904-1:2004（注意：此处应为ISO11904-2:2004，原文有笔误）。从2004版到2021版的修订，反映了近二十年来声学测量技术、人体模型制造工艺及国际监管要求的深刻进步。2.12004版的历史贡献最初的ISO11904-2:2004首次正式确立了使用人体模型进行近耳声源测量的基本框架。它基于IEC60318-7标准中定义的头与躯干模拟器（HeadandTorsoSimulator，简称HATS）以及IEC60318-4标准中定义的人耳模拟器（OccludedEarSimulator）。该版本解决了以下基础问题：-定义了“鼓膜处声压”或“耳道入口处声压”作为测量参考点。-引入了自由场和扩散场传输修正因子（Free-field/diffuse-fieldtransferfunctions），使得测量结果可以转换为等效自由场或扩散场声压级，便于与现有暴露限值标准（如ISO1999）进行对比。-规定了测试信号的类型（如粉红噪声、正弦扫频信号）。2.22021版的重大修订与创新ISO11904-2:2021作为标准技术更新版，并非简单勘误，而是对测量方法论、不确定度评估和适用范围进行了系统性优化。其核心修订点包括：a)扩展了人体模型的适用范围：原标准主要针对IEC60318-7所定义的特定的耳廓形状（如G.R.A.S.KEMAR）。2021版明确并更新了对于不同人体模型的校准要求，并引入了对具有不同耳道长度或耳廓声学特性的人体模型（如B&K4128-C系列）的兼容性讨论，提高了标准的普适性。b)细化了测量程序与功率平均方法：针对近耳声源（特别是耳塞式耳机）在不同佩戴位置、不同泄漏条件下的声压级波动问题，2021版对“功率平均”（PowerAverage）计算提出了更严格的指导。要求在典型的、可重复的佩戴条件下（例如，对于入耳式耳机，需定义插入深度和密封程度），进行多次重复测量，然后采用能量平均而非算术平均的方式来消除随机误差，这显著提升了测量结果的鲁棒性。c)强化了不确定性评估（UncertaintyEvaluation）：这是2021版修订的重中之重。由于使用人体模型的测量受制于多个变量（如模型个体差异、定位重复性、背景噪声、传声器校准精度等），新版标准明确引入了基于《测量不确定度表示指南》（GUM，即ISO/IECGuide98-3）的方法论。标准详细梳理了A类评估（重复测量导致的随机不确定度）和B类评估（系统误差，如修正因子偏差、模型尺寸公差等）的构成要素，并提供了合成标准不确定度和扩展不确定度（通常k=2，置信水平95%）的计算示例。此举使测量结果的科学性和可信度达到了国际计量学互认（CIPMMRA）的要求。d)更新了自由场与扩散场修正因子：随着计算声学（如有限元法FEM、边界元法BEM）的发展，2021版基于更高分辨率的声学仿真数据和更新的经验数据，校正了特定频率段（如高频8kHz以上）的修正因子数值，使其更贴合最新的人体耳道共振特性研究结果。3.核心技术内容与测量原理ISO11904-2:2021的核心思想是：使用一个经过声学校准的人体模型，来模拟人耳对近耳声源的物理响应。其技术路线清晰、严谨，主要包含以下关键步骤：3.1测量系统构成-声学人体模型：需符合IEC60318-7标准要求。该模型通常包括一个模拟人类头部、躯干上半身的几何形状的“头身模拟器”（HATS），以及安装在耳道内用于模拟人耳鼓膜处声学阻抗的“耳模拟器”（OccludedEarSimulator，如IEC60318-4）。耳模拟器内部会集成一个高灵敏度的1/2英寸或1/4英寸测量传声器。-测试环境：通常在消声室（Anechoicchamber）或半消声室中进行，以确保除了被测声源外，没有其他反射声干扰。-信号源与分析仪：用于产生标准测试信号（通常为宽带粉红噪声或步进式正弦扫频），并对传声器采集的信号进行实时平均、FFT（快速傅里叶变换）分析。3.2测量程序1.设备校准：使用声校准器（如B&K4231）对整个测量链（传声器、前置放大器、分析仪）进行绝对声压级校准。对耳模拟器进行预校准。2.放置被测设备（EUT）：将被测的耳机、助听器等设备按照制造商的安装指南或典型的“最差情况”暴露模式，放置在人体模型的耳廓上或耳道内。对于头戴式耳机，需调整头梁以模拟正常佩戴力度。3.施加测试信号：播放具有平坦功率谱密度的测试信号（如20Hz-20kHz带宽的粉红噪声）。信号电平应覆盖可能的使用范围，通常从低至45dBSPL到高至100dBSPL以上。4.测量与记录：在耳模拟器内的传声器处测量声压级。进行多次重复测量（如10次），进行能量平均。5.修正计算：根据测量目的，对平均后的声压级进行自由场或扩散场修正。-等效自由场声压级（L_eq,free）：用于与自由场环境下的听阈限值（如ISO389-7）对比。-等效扩散场声压级（L_eq,diff）：用于与扩散场（如混响室）环境下的听阈限值对比。4.标准的应用领域与价值ISO11904-2:2021作为一项基础声学测量标准，其应用范围已超出单纯的技术规范，对产业发展和公共健康具有深远影响。-消费电子行业：智能手机、平板电脑、音乐播放器配套的耳机（包括TWS真无线耳机）需要依据此标准测试最大声压级，以满足欧盟EN50332、IEC62368-1、中国GB/T12060.7等强制性或推荐性标准的合规要求。制造商利用该方法优化耳机音质与安全阈值。-专业音频与通信领域：航天员通信头盔、飞行员耳麦、呼叫中心头戴设备、助听器厂商利用该标准评估设备的频率响应、失真度以及高声压环境下的防护性能。对于主动降噪耳机，标准中的修正因子还可用于评估其在耳道内部产生的被动隔离效果。-听力保护与公共卫生：使用人体模型的测量是研究个人音乐播放器（PMP）导致的听力损失风险的关键输入。世界卫生组织（WHO）和国际电信联盟（ITU）的“让聆听更安全”（MakeListeningSafe）倡议，大量依赖于符合ISO11904-2标准的测量数据来设定安全聆听时间指南。例如，ITU-TH.870标准中关于安全耳机的测试方法，直接引用了本标准的程序。5.主要参与单位介绍：国际标准化组织声学技术委员会（ISO/TC43）ISO11904-2:2021的编制与修订工作由国际标准化组织（ISO）下属的声学技术委员会（TechnicalCommittee43，简称ISO/TC43）负责。该技术委员会是全球声学领域最具权威性的标准化技术机构之一，其工作范围涵盖了物理声学、心理声学、噪声控制、听力测定以及环境声学等关键领域。ISO/TC43的秘书处目前由荷兰标准化协会（NEN）担任，其核心成员包括来自美国（ANSI）、德国（DIN）、日本（JISC）、中国（SAC）等主要工业国家的声学专家、科研院校教授及头部仪器制造商（如B&K、G.R.A.S.）的技术代表。在ISO11904-2的修订过程中，来自丹麦技术大学、美国声学学会、日本噪声控制协会及德国Physikalisch-TechnischeBundesanstalt(PTB)的专家组成了核心工作组（WG7），负责起草技术内容和进行比对测试。该委员会的价值在于：1.凝聚全球共识：通过严谨的“投票+评论”周期，调和不同国家监管要求、不同学派学术观点之间的差异。2.推动技术同步：该委员会密切关注数字信号处理（DSP）、3D打印耳道模型、计算声学（噪声仿真）等前沿技术发展，及时将其融入标准中，确保标准的先进性。例如，本标准的2021修订版就融入了基于BEM仿真高频修正因子的成果。3.提供权威背书：经ISO/TC43发布的标准（如ISO11904-2、ISO4869、ISO389-8等）被认为是国际法层面的最佳实践，是各国制定国家法规（如美国的ANSIS3.36、欧盟的EN