專利名稱：一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞及其聲音信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耳塞及其聲音信號(hào)處理方法，特別是一種用于保護(hù)聽(tīng)力的主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞及其聲音信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
耳朵是人體一個(gè)重要的感知器官，其聽(tīng)覺(jué)是人類獲取信息的主要方式之一。充滿大量噪聲的作業(yè)環(huán)境不僅會(huì)影響從業(yè)人員的工作效能，還會(huì)造成從業(yè)人員的聽(tīng)力損傷。通常，當(dāng)穩(wěn)態(tài)噪聲高于85分貝，脈沖噪聲高于140分貝時(shí)，就會(huì)對(duì)人的聽(tīng)覺(jué)造成噪聲性損傷，并可以導(dǎo)致不可恢復(fù)的失聰。對(duì)于可能危害人體健康的噪聲，通常采用佩戴特殊材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗噪耳塞和消噪耳罩等被動(dòng)方式來(lái)保護(hù)聽(tīng)力。但是，對(duì)于某些噪聲條件下的從業(yè)人員，如需要保持靈敏的環(huán)境感知能力和相互之間的語(yǔ)音溝通能力的從業(yè)人員，采用上述被動(dòng)式噪聲防護(hù)裝置，在保護(hù)聽(tīng)力時(shí)，由于不具備主動(dòng)的聲音信號(hào)選擇能力，同樣會(huì)去除環(huán)境中有用的聲音信號(hào)，從而對(duì)作業(yè)造成影響。因此，如何解決噪聲防護(hù)與有用信號(hào)感知之間的矛盾一直是聽(tīng)力保護(hù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。專利201020130547. 0通過(guò)將防噪耳塞與無(wú)線通訊機(jī)結(jié)合的方式，解決了人與人交流問(wèn)題，但未解決對(duì)環(huán)境聲音信號(hào)感知的問(wèn)題。專利200980129012. I通過(guò)限制峰值功率進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)增強(qiáng)和聽(tīng)力保護(hù)，但由于有用信號(hào)與噪聲音信號(hào)相互疊加，導(dǎo)致削峰處理中同樣會(huì)損傷有用信號(hào)，因此沒(méi)有完全解決噪聲防護(hù)和環(huán)境感知之間的矛盾。專利200910266020. 2提出一種非封閉式耳塞型耳機(jī)及其受話端語(yǔ)音增強(qiáng)裝置及方法，采用產(chǎn)生反相位對(duì)消信號(hào)的方法主動(dòng)消除噪聲而保留目標(biāo)語(yǔ)音，但由于沒(méi)有區(qū)分有用信號(hào)和噪聲音信號(hào)，因此在保護(hù)聽(tīng)力的同時(shí)也會(huì)消除有用語(yǔ)音，從而降低了佩戴人員環(huán)境感知能力。專利200610033844. I對(duì)從數(shù)字聲源得到的信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)音量(增益)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，具有主動(dòng)調(diào)節(jié)功能，但由于只是一語(yǔ)音接受端，因此也不具備環(huán)境感知能力。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種具有噪聲消除和環(huán)境感知雙重功能的主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞及其聲音信號(hào)處理方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞，其特征在于它包括內(nèi)部設(shè)置聲道的耳塞頭和與耳塞頭連接的控制腔；耳塞頭聲道的前端設(shè)置微型揚(yáng)聲器，控制腔上設(shè)置電路開(kāi)關(guān)、微型麥克風(fēng)和充電接口 ；控制腔的內(nèi)部設(shè)置音頻處理器和微型電池；音頻處理器分別電連接微型揚(yáng)聲器、電路開(kāi)關(guān)、微型麥克風(fēng)和微型電池，微型電池電連接充電接口 ；音頻處理器包括依次連接的麥克結(jié)構(gòu)電路、多子帶濾波器、信號(hào)分析模塊、掩蔽模塊和綜合模塊；麥克結(jié)構(gòu)電路的輸入端連接微型麥克風(fēng)的輸出端，綜合模塊的輸 出端連接微型揚(yáng)聲器的輸入端。上述耳塞頭的聲道與控制腔采用工程塑料一體制作成型，控制腔內(nèi)部填充隔音材料，耳塞頭采用具有全頻帶噪聲隔離性能的自膨脹隔音材料制成。
上述主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞的聲音信號(hào)處理方法,其特征在于音頻處理器的麥克結(jié)構(gòu)電路對(duì)微型麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行隔離、放大和濾波處理，傳給多子帶濾波器；多子帶濾波器對(duì)接收到的聲音信號(hào)按照頻帶進(jìn)行分解，分解出不同頻帶的聲音信號(hào)，傳給信號(hào)分析模塊；信號(hào)分析模塊對(duì)不同頻帶的聲音信號(hào)按照時(shí)間進(jìn)行分幀，形成一個(gè)以上的時(shí)頻單元，并根據(jù)指定的信號(hào)特征對(duì)時(shí)頻單元進(jìn)行分類，傳給掩蔽模塊；掩蔽模塊對(duì)分類后的時(shí)頻單元進(jìn)行分離，保留所需種類的時(shí)頻單元，同時(shí)掩蔽掉其它種類的時(shí)頻單元，并將保留的時(shí)頻單元傳給綜合模塊；綜合模塊將保留的時(shí)頻單元組合轉(zhuǎn)換為時(shí)域內(nèi)連續(xù)的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，傳給微型揚(yáng)聲器輸出。上述多子帶濾波器通過(guò)通用FFT, WOLA濾波器 組和gammatone濾波器組中的一種對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分解。上述信號(hào)分析模塊根據(jù)聲音信號(hào)的能量、基音頻率和穩(wěn)態(tài)性三個(gè)信號(hào)特征中的一個(gè)將時(shí)頻單元分為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類。上述掩蔽模塊通過(guò)將需要掩蔽的時(shí)頻單元中的數(shù)據(jù)設(shè)置為零來(lái)實(shí)現(xiàn)掩蔽。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明通過(guò)在耳塞內(nèi)置的音頻處理器中設(shè)置一信號(hào)分析模塊和一掩蔽模塊，在對(duì)微型麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)進(jìn)行分解和合成的兩過(guò)程之間，對(duì)信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)分析、分類和分離，從中濾除危害聽(tīng)力的干擾噪聲，提取有用的聲音信號(hào)輸入內(nèi)耳，從而實(shí)現(xiàn)帶噪環(huán)境下聽(tīng)力保護(hù)和環(huán)境感知的雙重功能，特別是對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的突發(fā)危險(xiǎn)情況和警報(bào)的感知，能夠切實(shí)地保障帶噪環(huán)境中工作人員的生命健康。2、本發(fā)明由于音頻處理器中的信號(hào)分析模塊可以根據(jù)需要，采用不同的分類方法對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分類，如根據(jù)能量、基音頻率和穩(wěn)態(tài)性等信號(hào)特征將聲音信號(hào)簡(jiǎn)單地分成目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類兩種類別，因此具有較強(qiáng)的靈活擴(kuò)展能力。3、本發(fā)明由于采用耳塞結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)柔軟的自膨脹抗噪隔音材料制作耳塞頭塞入人耳耳道，實(shí)現(xiàn)噪聲的全語(yǔ)音頻段隔離，因此能夠有效地降低入耳聲音的音量。本發(fā)明可以滿足各種帶噪環(huán)境下的從業(yè)人員對(duì)噪聲防護(hù)和有用信號(hào)感知的作業(yè)要求。


圖I是本發(fā)明耳塞的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明音頻處理器的組成示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖I所示，本發(fā)明的耳塞包括一內(nèi)部設(shè)置有一聲道I的耳塞頭2和一與耳塞頭2連接的控制腔3 ;耳塞頭2的聲道I的前端設(shè)置有一微型揚(yáng)聲器4，控制腔3上設(shè)置有一電路開(kāi)關(guān)5、一微型麥克風(fēng)6和一充電接口 7 ;控制腔3的內(nèi)部設(shè)置有一音頻處理器8和一微型電池9 ;音頻處理器8分別電連接微型揚(yáng)聲器4、電路開(kāi)關(guān)5、微型麥克風(fēng)6和微型電池9，微型電池9電連接充電接口 7。其中，如圖2所示，音頻處理器8包括依次連接的一麥克結(jié)構(gòu)電路81、一多子帶濾波器82、一信號(hào)分析模塊83、一掩蔽模塊84和一綜合模塊85。麥克結(jié)構(gòu)電路81的輸入端連接微型麥克風(fēng)6的輸出端，綜合模塊85的輸出端連接微型揚(yáng)聲器4的輸入端。
上述實(shí)施例中，音頻處理器8即可以選用一成品芯片，如安森美公司的BS300芯片實(shí)現(xiàn)其功能，也可以采用在印刷電路板上設(shè)置分立的功能器件，通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)其功能。上述實(shí)施例中，控制腔3內(nèi)可以填充隔音材料，進(jìn)一步屏蔽外部聲音。上述實(shí)施例中，耳塞頭2可以采用由具有全頻帶噪聲隔離性能的自膨脹隔音材料制成。上述實(shí)施例中，聲道I可以采用工程塑料材料制成，通過(guò)粘合劑固定在耳塞頭2內(nèi)，為耳塞頭2提供定位和支撐。上述實(shí)施例中，控制腔3和聲道I可以采用工程塑料一體制作成型。本發(fā)明的耳塞對(duì)聲音信號(hào)的處理方法如下
I)音頻處理器8的麥克結(jié)構(gòu)電路81對(duì)微型麥克風(fēng)6采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行隔離、放大和濾波等信號(hào)調(diào)理，傳給多子帶濾波器82。2)多子帶濾波器82對(duì)接收到的聲音信號(hào)按照頻帶進(jìn)行分解，分解出不同頻帶的聲音信號(hào)，傳給信號(hào)分析模塊83。其中，多子帶濾波器82可以采用通用FFT，WOLA濾波器組或者模仿人耳特性的ga_atone濾波器組中的一種對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分解。3)信號(hào)分析模塊83對(duì)不同頻帶的聲音信號(hào)按照時(shí)間進(jìn)行分幀，形成一個(gè)以上的時(shí)頻單元，并對(duì)每個(gè)時(shí)頻單元的聲音信號(hào)，提取如能量、基音頻率或穩(wěn)態(tài)性的信號(hào)特征，根據(jù)指定的信號(hào)特征對(duì)時(shí)頻單元進(jìn)行分類，傳給掩蔽模塊84。其中，最簡(jiǎn)單的分類是將時(shí)頻單元分為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類兩種類別，即一個(gè)時(shí)頻單元要么歸為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類，要么歸為干擾噪聲信號(hào)類。下面以三種分類方式為例，說(shuō)明信號(hào)分析模塊83對(duì)聲音信號(hào)的分析、分類處理過(guò)程①時(shí)頻單元根據(jù)聲音信號(hào)的能量分為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類在聽(tīng)力保護(hù)功能中，核心思想是減少進(jìn)入內(nèi)耳的語(yǔ)音能量，信號(hào)分析模塊83對(duì)每個(gè)時(shí)頻單元中的聲音信號(hào)能量進(jìn)行計(jì)算，得到單元能量值，并將單元能量值與預(yù)先通過(guò)試驗(yàn)獲得的會(huì)損傷聽(tīng)力的單元能量危害值進(jìn)行比較，當(dāng)單元能量值大于危害值時(shí)，信號(hào)分析模塊83將該時(shí)頻單元?dú)w為干擾噪聲信號(hào)類，否則歸為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類。②時(shí)頻單元根據(jù)聲音信號(hào)的基音頻率分為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類在噪聲環(huán)境下需要分離出周邊人員說(shuō)話聲音時(shí)，信號(hào)分析模塊83可以根據(jù)預(yù)先指定的基音頻率對(duì)時(shí)頻單元進(jìn)行分類，由于人的語(yǔ)音頻率通常在IkHz左右，因此可以將頻帶在IkHz附近的時(shí)頻單元?dú)w為目標(biāo)語(yǔ)音類，例如，可以將頻帶在IkHz以下或3kHz以上，說(shuō)話聲較小且頻帶內(nèi)能量較大的時(shí)頻單元?dú)w為干擾噪聲信號(hào)類，其他的時(shí)頻單元?dú)w為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類。③時(shí)頻單兀根據(jù)聲音信號(hào)的穩(wěn)態(tài)性分為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類由于通常情況下人的聲音是隨機(jī)分布，噪聲是穩(wěn)態(tài)分布，因此可以根據(jù)時(shí)頻單元中能量變化的快慢，也就是穩(wěn)態(tài)性對(duì)時(shí)頻單元進(jìn)行分類，如果在一預(yù)先指定的頻帶內(nèi)，時(shí)頻單元間能量差異小，變化慢，也即信號(hào)呈穩(wěn)態(tài)分布，信號(hào)分析模塊83就將此時(shí)頻單元?dú)w為干擾噪聲信號(hào)類，否則歸為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類。4)掩蔽模塊84對(duì)分類后的時(shí)頻單元進(jìn)行分離，保留所需種類的時(shí)頻單元，同時(shí)掩蔽掉也即清除掉其它種類的時(shí)頻單元，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的噪聲防護(hù)。如，保留目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類時(shí)頻單元，掩蔽干擾噪聲信號(hào)類時(shí)頻單元。保留的時(shí)頻單元，將由掩蔽模塊84傳給綜合模塊85。其中，掩蔽過(guò)程可以通過(guò)將需要掩蔽的時(shí)頻單元中的數(shù)據(jù)歸置為零來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5)綜合模塊85是多子帶濾波器82的逆變換模塊，將掩蔽模塊84輸出的一系列按照頻帶和時(shí)間順序排列的非零的時(shí)頻單元組合轉(zhuǎn)換為時(shí)域內(nèi)連續(xù)的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，傳給微型揚(yáng)聲器4輸出。
上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞，其特征在于它包括內(nèi)部設(shè)置聲道的耳塞頭和與所述耳塞頭連接的控制腔；所述耳塞頭聲道的前端設(shè)置微型揚(yáng)聲器，所述控制腔上設(shè)置電路開(kāi)關(guān)、微型麥克風(fēng)和充電接口 ；所述控制腔的內(nèi)部設(shè)置音頻處理器和微型電池；所述音頻處理器分別電連接所述微型揚(yáng)聲器、電路開(kāi)關(guān)、微型麥克風(fēng)和微型電池，所述微型電池電連接所述充電接口 ；所述音頻處理器包括依次連接的麥克結(jié)構(gòu)電路、多子帶濾波器、信號(hào)分析模塊、掩蔽模塊和綜合模塊；所述麥克結(jié)構(gòu)電路的輸入端連接所述微型麥克風(fēng)的輸出端，所述綜合模塊的輸出端連接所述微型揚(yáng)聲器的輸入端。
2.如權(quán)利要求I所述的一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞，其特征在于所述耳塞頭的聲道與所述控制腔采用工程塑料一體制作成型，所述控制腔內(nèi)部填充隔音材料，所述耳塞頭采用具有全頻帶噪聲隔離性能的自膨脹隔音材料制成。
3.—種如權(quán)利要求I或2所述的主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞的聲音信號(hào)處理方法,其特征在于音頻處理器的麥克結(jié)構(gòu)電路對(duì)微型麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行隔離、放大和濾波處理，傳給多子帶濾波器；多子帶濾波器對(duì)接收到的聲音信號(hào)按照頻帶進(jìn)行分解，分解出不同頻帶的聲音信號(hào)，傳給信號(hào)分析模塊；信號(hào)分析模塊對(duì)不同頻帶的聲音信號(hào)按照時(shí)間進(jìn)行分幀，形成一個(gè)以上的時(shí)頻單元，并根據(jù)指定的信號(hào)特征對(duì)時(shí)頻單元進(jìn)行分類，傳給掩蔽模塊；掩蔽模塊對(duì)分類后的時(shí)頻單元進(jìn)行分離，保留所需種類的時(shí)頻單元，同時(shí)掩蔽掉其它種類的時(shí)頻單元，并將保留的時(shí)頻單元傳給綜合模塊；綜合模塊將保留的時(shí)頻單元組合轉(zhuǎn)換為時(shí)域內(nèi)連續(xù)的目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)，傳給微型揚(yáng)聲器輸出。
4.一種如權(quán)利要求3所述的主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞的聲音信號(hào)處理方法,其特征在于所述多子帶濾波器通過(guò)通用FFT，WOLA濾波器組和gammatone濾波器組中的一種對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行分解。
5.如權(quán)利要求3所述的一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞的聲音信號(hào)處理方法,其特征在于所述信號(hào)分析模塊根據(jù)聲音信號(hào)的能量、基音頻率和穩(wěn)態(tài)性三個(gè)信號(hào)特征中的一個(gè)將時(shí)頻單元分為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類。
6.如權(quán)利要求4所述的一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞的聲音信號(hào)處理方法,其特征在于所述信號(hào)分析模塊根據(jù)聲音信號(hào)的能量、基音頻率和穩(wěn)態(tài)性三個(gè)信號(hào)特征中的一個(gè)將時(shí)頻單元分為目標(biāo)語(yǔ)音信號(hào)類和干擾噪聲信號(hào)類。
7.如權(quán)利要求3所述的一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞的聲音信號(hào)處理方法,其特征在于所述掩蔽模塊通過(guò)將需要掩蔽的時(shí)頻單元中的數(shù)據(jù)設(shè)置為零來(lái)實(shí)現(xiàn)掩蔽。
8.如權(quán)利要求4或5或6所述的一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞的聲音信號(hào)處理方法,其特征在于所述掩蔽模塊通過(guò)將需要掩蔽的時(shí)頻單元中的數(shù)據(jù)設(shè)置為零來(lái)實(shí)現(xiàn)掩蔽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種主動(dòng)式噪聲防護(hù)耳塞及其聲音信號(hào)處理方法，其特征在于耳塞包括內(nèi)部設(shè)置聲道的耳塞頭和與耳塞頭連接的控制腔，耳塞頭聲道的前端設(shè)置微型揚(yáng)聲器，控制腔上設(shè)置電路開(kāi)關(guān)、微型麥克風(fēng)和充電接口，控制腔的內(nèi)部設(shè)置音頻處理器和微型電池，音頻處理器分別電連接微型揚(yáng)聲器、電路開(kāi)關(guān)、微型麥克風(fēng)和微型電池，微型電池電連接充電接口。其中，音頻處理器對(duì)微型麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)進(jìn)行分解、分析、分類和分離，從中濾除危害聽(tīng)力的干擾噪聲，然后將重新合成的有用的聲音信號(hào)通過(guò)微型揚(yáng)聲器輸出，經(jīng)聲道傳入人體內(nèi)耳。本發(fā)明可以滿足各種帶噪環(huán)境下的從業(yè)人員對(duì)噪聲防護(hù)和有用信號(hào)感知的作業(yè)要求。
文檔編號(hào)H04R3/02GK102625207SQ20121008085
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者周宏 , 李偉, 王慶春, 祖媛媛, 蔣毅, 陳曉 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所