CN101060724A - 避免音频设备损害听力的方法及用该方法制成的电声装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的实时监控从耳机出来的声音信号的瞬间声压和一段时间内的累加声压从而避免音频设备损害人耳的方法，通过计算声音信号的声压瞬间和累计值并与其安全标准值进行比较，即声音信号的声压监控来保护人耳。本发明提供的采用这一方法制造的避免音频损害听力的电声装置，其主控制器存储有声压的安全标准值，主控制器的输出接至音频驱动电路，实时累加比较电路进行从音频信号到声压的转换及与标准值进行比较，并将结果反馈至主控制器。音频驱动电路的音频输出接至耳机。本发明的优点在于：采用声音信号的声压监控，可以更加有效地保护人耳，其使用方便，成本低廉，放音品质和自动化程度更高。

Description

避免音频设备损害听力的方法及用该方法制成的电声装置

技术领域

本发明涉及数字音频技术领域，特别涉及一种实时监控从耳机出来的声音信号的瞬间声压和一段时间内的累加声压从而避免音频设备损害听力的方法及用该方法制成的电声装置。

背景技术

随着现在越来越多的音频设备的普及，听音响，随身听，MP3，已经成了很多人的休闲娱乐方式。可是由此带来的问题也接踵而来，由于有些人收听时间过长，收听音量过大，所以相应的听力也受到了影响。国外也有了消费者因收听音频设备造成听力损害而状告音频设备制造商的案例。所以，由于长期收听音频设备对听力造成损害的问题越来越受人们重视，一些音频设备制造商也在改进音频设备来保护使用者的听力。保护听力，成了众多音频设备制造商和广大用户共同关注的问题，现有的保护听力的方法有：

(1)通过广告和媒体宣传，请大家在收听音频设备的时候不要将音量开得过大，不要长时间的收听等等，希望大家能够自觉地的注意用耳健康。可是很多人在收听音频设备放音的时候往往只顾享受音乐效果，而忽略了对听力的保护。可见，此方法依靠的是人的自觉性，收效不大。

(2)采用统一降低音量的方法，也就是说，不管输出的音量大小，都将音量整体降低，也就是将音频信号的振幅统一减小。这样做，对于大音量，确实起到了限制的作用，可是对于小音量来说，降低之后可能会变得几乎听不到，这就失去了原来音乐的收听效果。

(3)AVLS(Auto Volume Limit System)，自动音量限幅系统，也就是现在一些音频设备上加的印有“AVLS”的按键，这个功能实际上就是使用了一个限幅器来限制音频信号的峰值电压。当振幅超过限幅器的门限电压时，就立刻将振幅减小到门限值，这样做虽然可以避免大信号对听力的损害，可是由于削掉了最大峰值，所以听起来声音会有失真。

(4)AGC(Auto Gain Control)，自动增益控制，这个和上面第三种方法类似，也是检测音频信号的的峰值电压，并将其与预定设置的数值相比较，根据比较结果以自动增益控制的方式来调整和控制增益，即，对于小信号，增益自动增大以增大音量，对于大信号，增益自动减小以减小音量，这样就可以将所输出的音量有效地控制或限制在所预定设置的范围内，而且避免了AVLS方法由于削波而产生的失真。

通过以上几种方法可以看出，除了第一种依靠主观保护的方法，现有的(2)，(3)，(4)三种客观保护方法的共同点都是控制音频信号的峰值电压，参照图3音频设备放音的过程，我们可以看出，上述几种方法都是在信号处理阶段实现的：

参照图3，模拟的音频设备(磁带，唱片或者广播等)放音，要先转换为电信号，然后经过信号放大和模拟信号处理(音量、声调、AVLS、AGC等)，最后经过功率放大器，生成代表声音信息的模拟电信号。数字的音频设备(CD、MD播放器，mp3，网络流媒体等)放音，要经过数字信号处理，数字模拟转换和模拟信号处理，最后经过功率放大器，生成代表声音信息的模拟电信号，在数字音频设备的放音过程中，也可以不经过模拟信号处理，对声音的处理都在数字信号处理部分完成。

可是，音频设备生成的模拟电信号并不能被人耳所直接听到，中间还要经过电声转换器(所谓电声转换器，就是将电信号转成声音信号的装置，如耳机或者喇叭)，参照图4人能听到声音的全过程：

参照图4，从音频设备出来的模拟电信号(携带了一定电学参数，如电压，电流和功率等等)，要先经过电声转换器。电声转换器负责把电信号转成机械振动，机械振动再转成空气振动，从而产生声音传到耳朵。声音首先到达外耳，和耳廓产生耦合，再传至中耳部分，振动鼓膜，使声能转成机械能，机械能传至内耳部分，再转成神经电冲动送至大脑，完成整个过程。可见：

(1)从音频设备中传出的电信号，要经过电声转换器(以下均以耳机为例进行说明)。不同的耳机有不同的音频特性参数，比如频率响应，脉冲响应，灵敏度，频率-阻抗曲线，谐振频率，最大声压等等，同一个电信号经过不同的耳机，出来的声音的特性是不一样的。

(2)人耳能感受的振动频率为20～20000Hz之间，对每一种频率的声波，都有一个刚能引起听觉的最小刺激强度，叫做听阈，当强度在听阈以上继续增加时，听觉的感受也相应增强，但当强度增加到某一限度时，它引起的将不单是听觉，同时还会引起鼓膜的疼痛感觉，这个限度为最大可听阈。听阈和最大可听阈所包含的范围叫做听域。人耳能感受的声音的强度用声压表示，范围约为10^-5牛顿/米²至20牛顿/米²，采用对数标度来表示，即声压级，其单位为贝尔或者分贝。人耳对声压有一个承受限度，如果承受的声压过大，或者承受的时间过长，都会对听力造成损害。

经过以上的分析结合图3图4可以看出，现有的几种保护听力的方法所采用的只是单纯的限制音频设备的电信号的电压，这是不足够和不科学的，如果要达到保护听力的目的，必须根据人耳所能承受的声压作为标准，来控制从耳机出来的声音信号，也就是，控制进入耳朵之前的所有环节，包括音频设备和耳机，这样才是最安全和有效的。

发明内容

本发明的目的是克服已知技术的上述缺陷，提供在音频设备的使用中，实时监控从耳机出来的声音信号的瞬间声压和一段时间内的累加声压从而有效保护人耳，使用方便，成本低廉，放音品质和自动化程度高的避免音频设备损害听力的方法以及音频设备。

为达到上述目的，本发明提供的避免音频设备损害听力的方法，结合人耳所能承受的声压标准，监控从耳机出来的声音信号的声压，实时监控耳朵承受的瞬间声压以及耳朵在一段时间内所承受的声压累加值，当达到人耳所能承受的极限标准时，就发出警告提醒用户并采取相应保护操作，以避免音频设备损害听力，该方法执行的步骤如下：

第一步：在音频设备中存储根据不同国家或者地区规定的避免损害人耳的声音信号所具有的瞬间声压的安全标准值和在一段时间内累加声压的安全标准值；

第二步：所述音频设备获取所述耳机的音频特性参数；

第三步：所述音频设备根据所述耳机的音频特性参数，计算出声音电信号经过耳机后的特性参数，包括到达人耳的声压，并同时执行第四步和第五步；

第四步：所述音频设备实时监控到达所述耳机的瞬间声压，并与瞬间声压的安全标准值进行比较，当超过安全标准值时，执行第六步；

第五步：所述音频设备累加一段时间内通过所述耳机的声压，并与累加声压的安全标准值进行比较，当超过安全标准值时，执行第六步；

第六步：音频设备发出警告提醒用户并采取相应保护措施。

本发明避免音频设备损害听力的方法，其中在所述第二步中，所述耳机的音频特性参数包括频率响应，脉冲响应，灵敏度，频率-阻抗曲线，谐振频率，最大声压等。

本发明避免音频设备损害听力的方法，其中在所述第二步中，所述音频设备中提前存储有与该音频设备配用的耳机所具有的音频特性参数。

本发明避免音频设备损害听力的方法，其中在所述第二步中，所述耳机装有一内存芯片，该耳机的音频特性参数提前存储在所述内存芯片中，所述音频设备读取所述内存芯片中的音频特性参数。

本发明避免音频设备损害听力的方法，其中在所述第二步中，所述音频设备与计算机和网络相连，所述音频设备从网络下载所述耳机的音频特性参数。

本发明避免音频设备损害听力的方法，其中在所述第六步中，所述音频设备可以自动采取保护相应保护措施，自动对声音信号进行处理，包括音量控制、均衡控制以及线性/非线性处理。其中线性处理通过有限冲激响应滤波、无限冲激响应滤波或快速卷积来实现，非线性处理通过自动增益控制和波形整形来实现。

为达到前述目的，本发明提供的采用上述方法制造的避免音频损害听力的电声装置，包括音频设备和通过音频信号电缆和插接件与所述音频设备相连的耳机，其中所述音频设备包括主控制器及与之分别相连的实时累加比较电路和音频驱动电路，所述主控制器存储有避免损害人耳的声音信号所具有的瞬间声压的安全标准值和累加声压的安全标准值，所述主控制器的输出信号接至所述实时累加比较电路，所述实时累加比较电路将音频信号转换为声压信号，并与所述标准值进行比较，其输出信号接至所述主控制器，所述主控制器的输出信号接至所述音频驱动电路，所述音频驱动电路的音频输出信号接至所述耳机。

本发明避免音频损害听力的电声装置，其中所述实时累加比较电路由CPU构成，用于对音频输出信号到达耳机的瞬间声压和一段时间内的累加声压进行监控并与预先存储在所述主控制器中的安全标准进行比较，并将结果反馈至所述主控制器。

本发明避免音频损害听力的电声装置，其中所述音频设备为CD/MD/MP3音频设备或音响/电视。

本发明避免音频损害听力的电声装置，其中所述耳机为双声道耳机，所述音频驱动电路由左声道音频驱动电路和右声道音频驱动电路组成，所述左声道音频驱动电路和右声道音频驱动电路的音频输出信号分别接至所述左声道和右声道耳机。

本发明避免音频设备强音损害人耳的方法及装置的优点在于：第一，由于声音是以声压级来衡量，以dB值为单位的，所以本发明采用实时监控瞬间声压和累加声压的方法，比现有方法更科学有效；第二，由声音传递过程的阶段分析图4看出，本发明结合了耳机的音频特性参数，计算经过耳机之后到达人耳的声压，也就控制了图4中进入耳朵之前所有环节，包括音频设备和耳机，所以比现有方法更合理；第三，本发明采用实时监控瞬间声压和累加声压的办法，并以人耳所能承受的极限声压级为标准，比现有方法更安全，更能最大限度的保护听力，还可以依据安全标准的不同而调整，应用范围广泛。同时，其使用方便，成本低廉，放音品质和自动化程度高。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明，以对本发明的目的、特征和优点有深入的理解。

附图说明

图1为本发明避免音频损害听力的系统的方框图；

图2为本发明避免音频设备损害听力的方法的流程图；

图3为各种播放器产生声音的过程分析图；

图4为声音传递过程的阶段分析图。

具体实施方式

本发明的核心在于：由背景技术分析的现有几种保护方法并结合图3和图4可以看出，现有几种保护听力的方法所采用的单纯的限制音频设备的电信号的电压是不足够和不科学的，如果要达到保护听力的目的，必须根据人耳所能承受的声压作为标准，来控制从耳机出来的声音信号，也就是，控制进入耳朵之前的所有环节，包括音频设备和耳机，这样才是最安全和有效的。本发明为一种实时监控从耳机出来的声音信号的瞬间声压和一段时间内的累加声压从而达到保护听力的方法，该方法的原理是，结合人耳所能承受的声压标准，监控从耳机出来的声音信号的声压，实时监控耳朵承受的瞬间声压以及耳朵在一段时间内所承受的声压累加值，当达到人耳所能承受的极限标准时，就发出警告提醒用户并采取相应保护操作。其中：

第一，由于声音是以声压级来衡量，以dB值为单位的，所以本发明采用实时监控瞬间声压和累加声压的方法，比现有方法更科学有效；第二，由声音传递过程的阶段分析图4看出，本发明结合了耳机的音频特性参数，计算经过耳机之后到达人耳的声压，也就控制了图5中进入耳朵之前所有环节，包括音频设备和耳机，所以比现有方法更合理；第三，本发明采用实时监控瞬间声压和累加声压的办法，并以人耳所能承受的极限声压级为标准，比现有方法更安全，更能最大限度的保护听力，还可以依据安全标准的不同而调整，应用范围广泛。

下面结合附图详细对本发明避免音频损害听力的电声装置进行具体说明。

参照图1，本发明避免音频损害听力的电声装置，包括音频设备1和通过音频信号电缆和插接件与所述音频设备1相连的耳机2。音频设备1包括主控制器10及与之分别相连的实时累加比较电路11和音频驱动电路。音频驱动电路的音频输出信号接至耳机2。

主控制器10存储有避免损害人耳的声音信号所具有的瞬间声压的安全标准值和累加声压的安全标准值，其输出信号接至音频驱动电路。

在本发明避免音频损害听力的电声装置的实施例中，耳机2包括左声道和右声道耳机，音频驱动电路包括左声道音频驱动电路12和右声道音频驱动电路13，左声道音频驱动电路12和右声道音频驱动电路13的音频输出信号分别接至左声道和右声道耳机。

实时累加比较电路将音频信号转换为声压信号，并与所述标准值进行比较。实时累加比较电路11由一CPU构成，CPU为可实现控制和计算的芯片，如8051系列。由CPU对放音信号到达耳机的瞬间声压和一段时间内的累加声压进行监控并与预先存储在所述主控制器10中的安全标准进行比较，并将结果反馈至主控制器10。

本发明避免音频损害听力的电声装置的工作过程为：主控制器10传递给耳机的声音信号被实时累加控制电路11进行实时监控与累加：

1.实时监控到达耳机的瞬间声压，与预先存储在主控制器中的标准值进行比较，如果短时声压超过标准值，则将结果返回给主控制器，主控制器会采取相应保护措施，如警告并降低音量。

2.监控一段时间内到达耳机的声压并累加，与预先存储在主控制器中的标准值进行比较，如果一段时间内累加的声压超过标准值，则将比较结果返回给主控制器，主控制器会采取相应保护措施，发出警告并降低音量

在本发明避免音频损害听力的耳机中，音频设备可为CD/MD/MP3音频设备或音响/电视。

参照图2，本发明避免音频设备损害听力的方法，通过对耳机的声压进行实时监控和累加监控，给出提醒用户的警告及保护操作，以避免音频设备损害听力，下面结合附图详细对本发明避免音频设备损害听力的方法进行具体说明：

首先，开始放音(步骤101)。

第一步：在音频设备中存储根据不同国家或者地区规定的避免损害人耳的声音信号所具有的瞬间声压的安全标准值和在一段时间内累加声压的安全标准值(步骤102)。关于人耳所能承受的标准，每个国家都有自己的规定和标准，所以这个标准可以根据不同国家或者地区而有所不同。以美国职业安全与健康监察局(以下简称OSHA)和美国国家职业安全与健康研究所(以下简称NIOSH)规定的人长期在不同分贝声音环境下所能承受的标准为例，

声压级(dB)	85	88	90	92	94	95	97	100	105	110	115	120
													OSHA(小时)	16		8	6		4	3	2	1	1/2	1/4	1/8
NIOSH(小时)	8	4			1	3/4	1/2	1/4

由表中可以看出，OSHA和NIOSH都对人耳在一定连续声音环境中做出了安全标准的限制，如根据OSHA的标准，人在85dB的连续声音环境中所承受的时间不能超过16小时，在95dB的环境中不能超过4个小时，而NIOSH的数据则更加保守，在85dB的连续声音环境中所承受的时间不能超过8小时，在95dB的环境中不能超过3/4个小时，如果超过了相应的标准，则会对听力造成损害，而依据相应的法规，企业也要负一定的责任。

第二步：所述音频设备获取所述耳机的音频特性参数(步骤103)。耳机的音频特性参数包括频率响应，脉冲响应，灵敏度，频率-阻抗曲线，谐振频率，最大声压等等，获得参数有如下几种途径：

(1)将音频设备与已知参数的耳机固定在一起，即耳机的连线是固定在音频设备上的，不可以拿下来，不可以替换。这样，就可以将耳机的音频特性参数提前存储在音频设备中。

(2)音频设备出售时，配一个已知参数的原厂耳机，即将音频设备和原配耳机一起出售，将耳机的音频特性参数提前存储在音频设备中。如果在使用的过程中耳机出了问题，则需要到音频设备厂家指定的地点进行更换。

(3)音频设备接智能耳机，即在耳机内加入内存芯片，该内存芯片里存有耳机的音频特性参数。这样，音频设备就可以从耳机中读取到参数。

(4)将音频设备与计算机和网络相连，根据耳机的型号，将耳机的音频特性参数下载到音频设备中或者手动输入参数到音频设备中。

第三步：所述音频设备根据所述耳机的音频特性参数，计算出声音电信号经过耳机后的特性参数，包括到达人耳的声压(步骤104)，并同时执行第四步和第五步。

第四步：所述音频设备实时监控到达所述耳机的瞬间声压(步骤107)，并与瞬间声压的安全标准值进行比较(步骤108)，当超过安全标准值时，执行第六步。

第五步：所述音频设备累加一段时间内通过所述耳机的声压(步骤105)，并与累加声压的安全标准值进行比较(步骤106)，当超过安全标准值时，执行第六步。

第六步：音频设备发出警告提醒用户并采取相应保护措施(步骤109)。

其中，音频设备发出警告提醒用户的方式有很多，如发出警告音，在音频设备显示屏上显示警告文字，音频设备自身振动，或者安装一个警告灯闪烁等等。

而用户在收到警告之后就可以采取相应的保护措施，保护措施分为用户主动和被动两种，主动措施依靠的是用户的自觉性，即用户自觉手动去降低音量或者不再收听等等，被动措施就是当超出标准时，音频播放器自动对声音信号进行处理，包括音量控制、均衡控制以及线性/非线性处理。其中线性处理通过有限冲激响应滤波、无限冲激响应滤波或快速卷积来实现，非线性处理通过自动增益控制和波形整形来实现。音频设备可以自动采取的保护措施也有很多方法，如：对于第四步瞬间声压超过标准的，可以立刻降低音量，直到声压减小至安全标准值以内；对于第五步一段时间内声压累加超过标准的，可以记住用户连续收听的时间，在一定时间之内(比如一天24小时或者半天12小时)不允许使用者再收听，音频设备会自动关机，过了规定的时间之后才能再次开机。

音频设备在放音的过程中执行上述步骤直至放音结束(步骤110)。

音频设备分析声音信号的特性时，结合耳机的特性参数对声压进行实时和累加监控，由于没有其他配套的电子装置，其成本低廉，用户操作简便，放音品质高，并且是自动完成的。

Claims (10)

1.一种避免音频设备损害听力的方法，通过音频设备中的主控制器对耳机产生的放音信号的声压进行实时监控和累加监控，并给出提醒用户的警告及保护操作，以避免音频设备损害听力，该方法执行的步骤如下：

第一步：在音频设备中存储根据不同国家或者地区规定的避免损害人耳的声音信号的瞬时声压的安全标准值和在一段时间内的累加声压的安全标准值；

第二步：所述音频设备获取所述耳机的音频特性参数；

第三步：所述音频设备根据所述耳机的音频特性参数，计算出声音电信号经过耳机后的特性参数，包括到达人耳的声压，并同时执行第四步和第五步；

第四步：所述音频设备实时监控到达所述耳机的瞬间声压，并与瞬间声压的安全标准值进行比较，当超过安全标准值时，执行第六步；

第五步：所述音频设备累加一段时间内通过所述耳机的声压，并与累加声压的安全标准值进行比较，当超过安全标准值时，执行第六步；

第六步：音频设备发出警告提醒用户并采取相应保护措施。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中在所述第二步中，所述耳机的音频特性参数包括频率响应，脉冲响应，灵敏度，频率-阻抗曲线，谐振频率和最大声压。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：其中在所述第二步中，所述音频设备中提前存储有与该音频设备配用的耳机所具有的音频特性参数。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：其中在所述第二步中，所述耳机装有一内存芯片，该耳机的音频特性参数提前存储在所述内存芯片中，所述音频设备读取所述内存芯片中的音频特性参数。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：其中在所述第二步中，所述音频设备与计算机和网络相连，所述音频设备从网络下载所述耳机的音频特性参数。

6.根据权利要求3或4或5所述的方法，其特征在于：其中在所述第六步中，所述音频设备采取相应保护措施，包括对声音信号的音量控制、均衡控制以及线性和/或非线性处理，其中线性处理包括有限冲激响应滤波、无限冲激响应滤波或快速卷积处理，非线性处理包括自动增益控制和波形整形处理。

7.一种采用权利要求1-6所述方法制成的避免音频设备损害听力的音频设备，包括音频设备(1)和通过音频信号电缆和插接件与所述音频设备(1)相连的耳机(2)，其特征在于：其中所述音频设备(1)包括主控制器(10)及与之分别相连的实时累加比较电路(11)和音频驱动电路，所述主控制器(10)存储有避免损害人耳的声音信号所具有的瞬间声压的安全标准值和累加声压的安全标准值，所述实时累加比较电路(11)将音频信号转换为声压信号，并与所述标准值进行比较，其输出信号接至所述主控制器(10)，所述主控制器(10)的输出信号接至所述音频驱动电路，所述音频驱动电路的音频输出信号接至所述耳机(2)。

8.根据权利要求7所述的音频设备，其特征在于：其中所述实时累加比较电路(11)包括一CPU，用于对音频输出信号到达耳机的瞬间声压和一段时间内的累加声压进行监控并与预先存储在所述主控制器(10)中的安全标准进行比较，并将结果反馈至主控制器(10)。

9.根据权利要求8所述的音频设备，其特征在于：其中所述音频设备为CD/MD/MP3音频设备或音响/电视。

10.根据权利要求9所述的音频设备，其特征在于：其中所述耳机(2)为双声道耳机，所述音频驱动电路由左声道音频驱动电路(12)和右声道音频驱动电路(13)组成，所述左声道音频驱动电路(12)和右声道音频驱动电路(13)的音频输出信号分别接至所述左声道和右声道耳机。

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