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摘要随着个人音频设备、助听器及通讯耳机的广泛普及，靠近耳朵的声源所产生的声音输入测量与评估日益成为声学领域的研究重点。本标准立项发展报告围绕国际标准化组织发布的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》展开系统分析与阐述。报告首先介绍了该标准的立项背景与修订历程，指出其在替代ISO11904-2:2004版本基础上，针对近耳声源测量中的人体模型技术进行了全面更新与完善。其次，报告详细阐述了标准的技术内容与核心方法论，包括人体模型测试装置的技术要求、声学测量程序、频率响应修正方法及不确定度评估框架。该标准创新性地引入了声场入射条件分类、耳道内声压级测量替代方案以及多种测量配置的对比验证机制，有效提升了近耳声源声音输入测量的准确性和可重复性。再次，报告分析了该标准在国际贸易、产品认证及噪声暴露评估中的广泛应用前景，并结合全球主要经济体对个人音频设备声辐射限值的监管趋势，论证了该标准的实施对推动声学计量技术发展和保护公众听力健康的重要意义。最后，报告对该标准的未来修订方向进行了展望，提出了进一步加强与数字化声学仿真技术融合、完善低龄人群适用性参数等建议，以期为相关领域的标准制修订工作和技术应用提供参考依据。关键词：声学测量；声音输入；人体模型；近耳声源；标准化；听力保护；ISO11904Keywords:Acoustics;soundimmission;manikin;near-earsoundsource;standardization;hearingprotection;ISO119041引言1.1研究背景现代社会中，便携式音频播放设备、入耳式耳机、通讯耳机以及助听器等近耳声源设备已成为人们日常生活中不可或缺的组成部分。据统计，全球个人音频设备的年出货量已超过30亿台，人们通过耳机收听音频内容的日均时长持续攀升。与此同时，世界卫生组织（WHO）的调查报告指出，全球约有10亿名12至35岁的年轻人因暴露于过度噪声（包括通过个人音频设备播放的高音量音乐）而面临听力损失风险。在此背景下，如何准确测量和评价靠近耳朵的声源所产生的声音输入，已成为声学计量、职业健康防护和消费电子产品监管等领域的紧迫课题。声音输入（soundimmission）描述的是声源在接收者耳部形成的声暴露量，它与声源的辐射特性、声源与耳朵的相对位置关系以及人体对声场的散射和衍射效应密切相关。靠近耳朵工作的声源（如耳机、助听器等）因其距耳道口极近，声场特征与自由场或扩散场中的远场声源截然不同，传统的声学测量方法难以直接适用。因此，建立一套专用于近耳声源声音输入测量的国际标准方法体系，具有重要的科学价值和实践意义。1.2标准基本信息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》由国际标准化组织（ISO）下属的ISO/TC43声学技术委员会制定发布。该标准于2021年3月4日正式发布，取代了2004年发布的ISO11904-2:2004版本，现行有效。标准采用英语作为官方语言，分类号为“噪声（与人有关的）”，归属于声学领域框架下的噪声评估与控制标准体系。ISO11904由多个部分构成，其中第1部分（ISO11904-1）规定了使用传声器实时分析技术的近耳声源声音输入测量方法，第2部分即本报告所聚焦的人体模型技术方法。两部分互为补充，共同构建了完整的近耳声源声音输入测量标准体系。2标准立项背景与修订历程2.1标准的历史沿革ISO11904-2的制定工作可追溯至20世纪90年代末期。随着随身听等便携式音频设备的兴起，各国声学研究机构和标准化组织开始关注近耳声源的声暴露评估问题。1995年，国际标准化组织声学技术委员会（ISO/TC43）在德国柏林召开的工作会议上首次提出制定近耳声源声音输入测量标准的动议。此后，由德国国家标准化机构（DIN）牵头，联合法国、日本、美国、北欧国家等成员体的声学专家组成工作组（WG），经过多轮国际比对测试和方法论证，于2002年正式发布ISO11904-2:2002首版标准。2004年，该标准经过技术修订，形成了ISO11904-2:2004版本，为近耳声源评估提供了基础性的测量方法依据。2.22021版修订的必要性与驱动力从2004年至2021年间，近耳声源设备的技术形态和应用场景发生了深刻的变革。首先是设备形态的多样化：从传统头戴式耳机到入耳式耳塞、真无线立体声耳机、骨传导耳机、增强现实/虚拟现实一体机音频模块等，新型设备的声学结构和近耳耦合方式各异，对测量方法提出了更为精细化的要求。其次是测量技术的进步：高精度仿真耳、多通道声学采集系统、三维扫描与数值声学仿真等技术的日臻成熟，为人体模型测量方法提供了新的可能。第三是安全标准的趋严：IEC62368-1等产品安全标准对个人音频设备的声辐射限值提出了明确要求，EN50332等欧洲标准也针对便携式音频设备的声压级限值进行了修订，这些都促使ISO11904-2中的测量方法必须更新以适应新的合规性测试需求。此外，IEC60318-4等关于仿真耳的技术规范也经历了多次修订，ISO11904-2需要在引用关系和技术指标上与之保持一致。在上述多重因素的共同驱动下，ISO/TC43于2017年正式启动ISO11904-2的修订工作，历经四年的技术讨论、实验室间比对验证和草案审议，最终于2021年3月完成发布。2.3标准的主要技术变化相较于2004年版，ISO11904-2:2021版在以下关键技术层面进行了显著修订：（1）人体模型的适用范围扩展：新版标准明确了适用于成年男性和女性人体模型的测量方法，并增加了对儿童人体模型使用的补充性指导，以反映不同年龄段人群耳道声学特性的差异。（2）声场入射条件的系统分类：标准引入了对自由场、扩散场和准自由场三种声场入射条件的分类框架，并据此规定了不同配置下人体模型测量结果的修正方法。（3）耳道内声压级测量方法的完善：新增了使用探管传声器直接测量耳道内声压级的技术路径，作为传统仿真耳测量的有效补充，并给出了两种方法间系统差异的评估指南。（4）不确定度评估框架的强化：参照ISO/IECGuide98-3（测量不确定度表示指南，GUM），对测量过程中的各不确定度分量进行了系统梳理和量化示范，提供了更为完整的不确定度评定案例。（5）与相关标准的协调性更新：更新了对IEC60318-4仿真耳、IEC60942声校准器、IEC61672声级计等引用文件的技术要求，确保标准间的一致性。3标准技术内容阐述3.1范围与适用对象ISO11904-2:2021确立了使用人体模型技术测定靠近耳朵声源的声音输入的方法。该标准的适用范围涵盖以下几类声源：耳机类设备（包括头戴式、耳挂式和入耳式）；助听器及个人声音放大产品；通讯耳机与头戴式送受话器组；虚拟现实/增强现实音频终端设备；以及其他预期在耳附近使用的声辐射设备。标准规定的测量频率范围原则上为20Hz至16kHz（根据人体模型和测量系统的实际能力适当扩展），覆盖了人耳听觉的主要频段以及消费音频设备的典型工作范围。该标准规定了在与人体模型配合使用时的测量系统配置、校准要求、测试程序、数据处理及报告格式，为实验室条件下对近耳声源声音输入的标准化测量提供了完整的技术规范。值得注意的是，该标准侧重于测量方法本身，未对声源声音输入的限值做出规定——限值要求通常由相关的产品安全标准或法规另行确定。这一设计理念保证了测量方法的中立性和广泛适用性。3.2术语与定义标准对以下核心术语进行了明确定义：（1）声音输入（soundimmission）：在指定条件下，由声源在接收者耳部（通常指耳道入口或其附近位置）产生的声暴露量。声音输入为声压级或其他声学量在特定频带内的表征，是评价声源对听者潜在影响的物理基础。（2）人体模型（manikin）：具有与人体的声学特性（包括声散射、声衍射和耳道声学阻抗等）相似的几何形状和声学性能的测试装置。人体模型通常包括躯干、头部和耳部模拟结构，材料选择和内腔结构设计应确保其在测量频率范围内的声学响应与真实人体具有良好的吻合度。（3）仿真耳（artificialear，occludedearsimulator）：模拟人耳耳道声学特性的装置，与人体模型配合使用，内置传声器用于探测耳道内声压。仿真耳的设计应符合IEC60318-4的技术要求。（4）耳道入口（earcanalentrance）：耳廓与耳道交界处的位置，是近耳声源测量中声场评价的关键参考面。（5）声场入射条件（soundfieldincidencecondition）：声源工作时在人体模型头部形成的声场分布特征，包括自由场条件、扩散场条件和准自由场条件等类型。3.3测量原理与系统配置该标准建立的测量原理可概括为：在受控声学环境中，将近耳声源按照规定的佩戴方式置于人体模型上，利用安装在人体模型耳道内（或模拟耳道内）的测量传声器拾取声压信号，经过频率分析和数据后处理，得到声源在耳部产生的声音输入量。标准规定的测量系统主要包括以下组成部分：人体模型：作为声源安装和声场模拟的物理载体，其几何尺寸和声学特性应符合标准附录中规定的技术要求。标准推荐使用符合IEC60318-4规定的仿真耳作为人体模型耳道声学负载，以保证测量的可重复性和可比性。仿真耳与测量传声器：仿真耳的结构设计应能模拟真实人耳耳道的声学阻抗特性，测量传声器应满足IEC61672规定的1级声级计性能要求，并在测量前经由符合IEC60942要求的声校准器进行校准。声学测试环境：近耳声源的测量通常在半消声室或全消声室中进行，背景噪声水平应至少低于被测信号10dB以上。对于某些特定类型的声源（如具有环境噪声补偿功能的设备），标准建议采用人工头/躯干模拟器配合自由场或扩散场条件进行测量。信号采集与分析系统：具备多通道同步采样能力的信号分析系统，能够完成1/3倍频程或窄带频谱分析，存储时间序列数据以支持后续的时域或频域处理。声源固定与定位装置：为确保声源在人体模型上的位置和姿态可重复，标准规定了各类声源（头戴式、耳塞式、定制式等）的定位方法和佩戴力要求。3.4测量程序标准规定的测量程序可分为以下几个主要步骤：第一步：测量系统准备与校准。所有测量设备在测试前应完成预热和校准。测量传声器的灵敏度应使用声校准器在参考频率（通常为1kHz）处进行校准，校准不确定度应纳入最终的测量不确定度报告中。人体模型和仿真耳的声学性能应在首次使用前及周期性检定中进行验证，确保其响应特性与标准规定的目标值偏差在允许范围内。第二步：声源安装与佩戴。按照声源制造商提供的佩戴说明，将待测声源安装于人体模型上。对于头戴式耳机，应确保耳垫与仿真耳之间形成密封耦合（如适用）；对于入耳式耳机，应确保耳塞与耳道模拟器之间达到规定的插入深度和密封状态。标准的附录中提供了常见类型声源的安装示意图和操作要点。第三步：测试信号选择与激励。标准推荐使用以下类型的测试信号：（a）宽带稳态噪声信号（如粉红噪声或白噪声）；（b）正弦扫频信号（线性或对数扫频）；（c）代表典型节目素材的仿真语音或音乐信号。测试信号的电平应覆盖声源的实际工作范围，并至少包括低、中、高三个特征电平。每种信号的播放时长应足以保证频谱分析的统计稳定性。第四步：数据采集与处理。在规定的测量时间内同步采集仿真耳传声器的输出信号，并对其进行FFT分析或1/3倍频程滤波，得到声压级频谱。根据测量目的，选取适当的频率计权（A计权、C计权或Z计权）计算综合声压级。标准强调，若使用耳道内探管传声器直接测量，需对探管插入深度和位置进行精确控制，并对测量结果进行必要的声学修正。第五步：结果表达与报告。测量结果应以1/3倍频程声压级频谱形式和综合声压级形式呈现，同时记录测量频率范围、计权网络、信号类型、测试电平等参数。测量报告中还应包含标准要求的全部不确定度信息。3.5测量不确定度ISO11904-2:2021高度重视测量结果的可靠性评价，设专章阐述了测量不确定度的来源分析和评估方法。标准将不确定度来源归纳为以下几类：（1）人体模型与仿真耳的声学性能偏差：不同人体模型之间及同一人体模型的批次间差异，以及仿真耳频率响应与真实人耳之间的偏差，是影响测量结果的重要不确定度来源；（2）声源安装重复性：声源在人体模型上的定位偏差、佩戴力变化以及密封状态的差异等导致的测量不确定度；（3）测量仪器不确定度：传声器校准误差、信号采集系统的幅值和相位误差、分析滤波器的带宽精度等因素的贡献；（4）环境条件影响：温度、湿度和大气压变化对声速和空气声阻抗的影响，以及背景噪声的波动性；（5）信号处理不确定度：有限时间窗的频谱泄漏、平均次数不足导致的随机误差等。标准给出了各不确定度分量的量化估算方法和合成不确定度的计算示例，为不同实验室间测量结果的可比性评估提供了统一框架。3.6与相关标准的关系ISO11904-2:2021在国际标准体系中与多项标准存在引用或协调关系。在测量装置方面，该标准引用了IEC60318-4（仿真耳的技术规范）、IEC60942（声校准器）和IEC61672（声级计）等核心计量标准。在测试信号方面，与IEC60268系列（声系统设备）中关于测试信号的规定保持协调。在噪声评估方面，与ISO1999（声学职业噪声暴露的评估）和ISO9612（声学职业噪声暴露的测量方法）构成的噪声暴露评估体系形成互补。在听力保护领域，与ITU-TP.57（仿真耳）等国际电信联盟标准建立了引用关系。此外，该标准还为人耳模拟器在电信终端设备测试中的应用（如ITU-TP.58）提供了方法支撑。4标准参与单位介绍4.1主要起草单位ISO11904-2:2021的制定汇聚了全球声学领域的权威研究机构和标准化专家。该标准项目由德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-TechnischeBundesanstalt,PTB）主导起草，PTB声学处的专家担任项目负责人和主要编辑。德国联邦物理技术研究院（PTB）是德国国家计量研究院，也是国际计量领域最具影响力的机构之一。PTB成立于1887年，总部位于不伦瑞克（Braunschweig），并在柏林设有分部。作为联邦经济和气候保护部下属的独立高级联邦机构，PTB肩负着德国国家计量基准的建立、维护和量值传递使命，同时承担着大量应用物理和精密工程领