CN101966106A - 具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉。一种真实声门波模拟式电子人工喉，包括带幅度和频率抖动特征的波形产生与处理系统，功率放大电路18、可调控的微型电-力转换系统19。其工作为：波形产生与处理系统中可以存储具有个人发声特征的声门波形，由波形产生模块12按存储的声门波产生初始声门波，并由幅度扰动模块14加入幅度扰动和由频率扰动生成模块13加入频率扰动；所产生的波形通过数模转换模块17转换为模拟信号；输出的信号波形经过功率放大后由电-力转换装置19转换为机械振动，该振动被施加于患者颈部，产生声门波，该波形经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音。波形频率调节模块15和波形幅度调节模块16分别作用于波形产生模块12对频率和幅度进行调节。

Description

具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉

技术领域

本发明属于语音缺失患者的语音康复领域，并涉及一种具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉。

背景技术

人类用于交流的各种手段中，语音是最基本、最有效和最重要的一种。目前世界上有数十万计的喉癌和其他严重的喉病患者，为了治疗喉部疾病而不得不进行喉头切除手术，这种方法在治疗的同时，也使患者丧失了发声能力，从而也就失去了运用语音进行语言交流的能力。电子人工喉作为一种语音缺失患者使用的外部语音康复方法已经有约40年历史，目前存在的电子人工喉工作原理简单。患者把设备顶在喉部，控制开关所产生的脉冲通过振动施加到患者颈部，经组织传到声道，经调制后产生语音。目前的电子人工喉存在语音缺乏变化，带有明显机器味道，背景噪声大等诸多缺点。

为改进发音效果，目前的研究者把主要精力放在电子人工喉背景噪声的去除上，以及通过肌电等信号进行电子人工喉脉冲产生的控制上，由于肌电信号产生与分析的复杂性，效果并不理想。一些研究者运用语音信号、图像信号和噪声信号的采集、分析来调控电子人工喉语音，机构复杂，成本增加、且可靠性低。基于目前存在的电子喉技术的局限性，电子人工喉产生的振动波形和正常声门波形无论在时域还是频域都存在很大差异，这些差异是造成正常语音和电子人工喉语音质量不同的主要原因。

发明内容

本发明人认识到，运用尽量接近于正常声门波形的激励源作为电子人工喉的振动源，才可以产生高质量的人工语音，并且可能使恢复语音保留患者个人的某些语音特征。按照这个思路，本发明人设计了本发明的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉设备。

本发明的主要目的在于，提供一种具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉，其提高了语音缺失患者的语音可懂度。

本发明的组成如下：主要包括带幅度和频率抖动特征的波形产生与处理系统，功率放大电路、微型电-力转换系统三个主要部分。该电子人工喉语音可以提高患者所产生语音的可懂度，具有个人语音特点。

其中波形产生与处理系统包括存储器、处理与控制系统及D/A转化模块，该系统可根据存储器中预先存储的具有个人特征的声门波形产生声门波，并按照算法加入频率扰动和幅度扰动，经过D/A转换后输出。

其中微型电-力转换系统由振动膜片、高场强磁铁、绕组支架、线圈绕组、外磁轭和塑料外壳构成，该系统是基于安培力原理制作的一种简单、无方向转换的电磁装置，响应快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应，产生高速、高加速度、直线往复运动。

本发明的主要工作原理基于：

波形产生与处理系统中存储器可以存储具有个人发声特征的声门波形(个人发声特征可以是先前录制、处理的)，在声门波产生的过程中可以按照算法(如下文所述)加入幅度扰动和频率扰动；波形产生与处理系统所产生的波形通过系统中的数模转换模块转换为模拟信号；通过模数转换器输出的信号波形与功率放大电路连接，经过功率放大后施加于电-力能量转换器，功率放大电路由专用芯片实现。放大后的波形通过高磁场的电-力能量转换器转换为机械振动，该振动通过振动膜施加于患者颈部，产生声门波，该波形经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音。

本发明主要的部分之一是幅度扰动和频率扰动的产生，一般我们以参数t₀表示声门波的基频周期，实际产生的声门波的周期为t＝t₀+N，N可以在t₀的±5％-±10％的范围内随机变化，产生频率的扰动；如果以A_e表单个波形的最大幅度，则可以选择实际生成的声门波幅度A＝M*Ae，其中M在0.95～1.05之间变化，M的变化可以产生幅度的扰动。

本发明采用了如下的技术设计方案：

本发明的一个特征是提供一种声门波模拟式电子人工喉，该设备主要由波形产生与处理系统、功率放大电路、可调控的微型电-力转换器组成。本发明的另一个特征是波形产生与处理系统可以对声门波形产生幅度扰动和频率扰动，并叠加于声门波形之上，形成电-力转换的激励信号。

本发明的工作特征如下：

(1)在波形产生与处理系统中预先存储具有个人语音特征的声门波形，波形产生与处理系统按照该波形产生连续的声门波，该波形按照算法加入幅度波动和频率扰动，波形频率调节旋钮和波形幅度调节旋钮可用于调节波形的基本频率和幅度；

(2)波形产生与处理系统所产生的波形通过系统中的DA数模转换模块转换为模拟信号；

(3)通过模数转换器输出的信号波形与功率放大电路连接，经过功率放大到可以驱动电-力转换系统工作，功率放大电路由专用芯片实现。

(4)经过的放大的信号，经过高磁场的电-力能量转换器转换为机械振动，该转换器经过特殊设计，可以最小失真的实现电压波形到机械振动的转换。

(5)由(4)所产生的振动通过振动膜施加于患者颈部，产生声门波。该声门波经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音。

(6)系统由可充电锂电池供电。

附图说明

为便于理解本发明的原理及其实际运作过程与状况，结合一个实施例及附图对本发明作进一步描述。其中：

图1为根据本发明的一个实施例的电子人工喉的构成原理图；

图2a为可存储于单片机中的具有个人发声特征的单个声门波形；

图2b为根据本发明的一个实施例的单片机产生的未加入频率和幅度微扰的具有个人发声特征的连续声门波形；

图2c为根据本发明的一个实施例的单片机产生的加入频率和幅度微扰的具有个人发声特征的连续声门波形；

图3为根据本发明的一个实施例的声门波模拟式电子人工喉的外观示意图；

图4为根据本发明的一个实施例的声门波模拟式电子人工喉的内部结构示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的声门波模拟式电子人工喉的系统配置图；

图6是根据本发明的一个实施例的声门波模拟式电子人工喉的电-力转换部分结构示意图；

图7为根据本发明的一个实施例的声门波模拟式电子人工喉的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例。

图1为根据本发明的一个实施例的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉的构成图，该电子人工喉包括波形产生与处理系统101、功率放大电路102、微型电-力转换系统103。

根据本发明的一个具体实施例，波形产生与处理系统101包括能够存储具有个人特征的声门波的存储器、处理与控制系统、和D/A数模转化模块。

根据本发明的一种具体实施方式，波形产生与处理系统101可以基于单片机开发，利用单片机自带存储器作为上述存储具有个人特征的声门波的存储器，存储具有个人特征的声门波；通过在单片机中写入实现相应功能的程序，而实现波形产生与处理系统101的相应模块，包括最初波形生成模块12、频率扰动生成模块13、幅度扰动生成模块14、波形频率调节模块(15)、波形幅度调节模块(16)(见图5)；D/A转化模块17由专用D/A芯片实现；添加了频率扰动和幅度扰动的数字波形信号经过D/A转化模块转化为模拟信号，再输出至功率放大电路102。

图2a所示为一个典型男性的单个声门波形，该波形是经过预先采集的相关个人语音经过声门波反变换后得到的，该波形被数字化后存储于波形产生与处理系统101的存储器中，利用该波形可以产生图2b所示的具有个人发声特征的连续声门波，各个声门波幅度都是相同的，而且周期相等，图中变现为间距相同(即图2b中ab＝bc＝cd)。根据本发明的一个实施例，对该波形添加了幅度扰动和频率扰动，形成了诸如图2c所示的波形(如下文将要进一步描述的)。

图3是根据本发明的一个实施例的电子喉的结构示意图，其包括：一个振动膜片1；一个塑料上端外壳2；开关按钮3；幅度调节旋钮4；频率调节旋钮5；塑料下端外壳6。

开关按钮(3)按下则电子喉开始工作，振动膜片(1)产生振动，利用幅度调节旋钮(4)可以调节所产生的声门波的幅度，利用频率调节旋钮(5)可以调节所产生的声门波的频率(频率范围在60-180Hz)，进而调节振动膜片(1)振动幅度和频率.

图4是根据本发明的一个实施例的电子喉的内部结构示意图，其中包括：振动膜片1；振动头线圈架7；高强度磁芯8；功率放大模块9；单片机波形产生系统10；电源11。

图5为根据本发明的一个实施例的声门波模拟式电子喉的系统工作原理图，该电子喉包括：波形产生模块12；波形频率扰动生成模块13；波形幅度扰动生成模块14；波形频率调节模块15；波形幅度调节模块16；D/A转换模块17；功率放大模块18；电子人工喉电-力转换装置19；电源20，本实施例中采用可充电电池作为电源。

波形产生模块(12)根据预先存储的单个声门波形产生连续声门波，波形频率扰动生成模块(13)和波形幅度扰动生成模块(14)按照预定的调节算法加入幅度波动和频率扰动，所产生的最终波形(，通过D/A数模转换模块(17)转换为模拟信号，该模拟信号经过功率放大模块(18)放大后，驱动电-力转换装置(19)工作，产生振动。整个系统由低功耗和高功耗两部分组成，图中上部虚线框中为低功耗部分，下部虚线框中为高功耗部分；根据本发明的一个实施例，整个系统都由可充电的锂电池电源(20)供电；调节旋钮5作用于波形频率调节模块(15)，用于调节声门波基本频率。调节旋钮4作用于波形幅度调节模块(16)，用于调节声门波幅度。

图6是根据本发明的一个实施例的电-力转换装置19的结构示意图，其包括：振动膜片1；高场强磁铁21；绕组支架22；外磁轭23；塑料外壳24；线圈绕组25。该电-力转换装置是基于安培力原理制造的一种简单、无方向转换的电磁装置，响应快速、平滑、无嵌齿、无滞后，产生高速、高加速度、直线往复运动。

图7为根据本发明的一个实施例的工作流程图。为了便于理解本发明及其实际运作过程与状况，现参照图7描述本发明的实际运作过程的一个实施例。

将具有个人语音特征的声门波形预先存储在单片机波形产生与处理系统中，患者需要使用时，按下开始按钮(3)，将振动膜顶在喉部(步骤S701)。

可选地，借助调节频率调节旋钮5和/或幅度调节旋钮4，分别通过波形频率调节模块15和/或波形幅度调节模块16，调节波形产生模块(12)生成的声门波的频率和/或幅度(S702)；当频率和/或幅度已满足要求时可不进行调节。根据单片机中存储器存储的具有个人特征的声门波产生连续的声门波(S703)。

对于声门波形的幅度，波形幅度扰动生成模块14产生一个随机数M，M在0.95～1.05之间变化，用M作为乘数对声门波形的幅度进行扰动，从而使扰动后的声门波形幅度为A＝M*A_e，由此可以实现声门波幅度的扰动(S704)。

对于声门波的基频周期t₀，波形频率扰动生成模块13产生一个随机数N，通过把N加到基频周期t₀上，实现对声门波的周期的扰动，即，使实际产生的声门波的周期为t＝t₀+N，其中N可以在t₀的±5％-±10％的范围内随机变化，由此实现声门波频率的扰动(S705)。

随后，输出最终波形(S706)。

该最终波形通过D/A数模转换模块(17)转换为模拟信号(步骤S707)。

该模拟信号经过功率放大模块(18)放大(步骤S708)后，驱动电-力转换模块(19)工作，将电能转化为机械能，产生振动(步骤S709)，振动被施加于患者颈部，产生声门波(步骤S709)，该波形经过患者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制，在唇外形成语音。

应当理解的是，以上结合附图和实施例对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (10)

1.一种具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉，其特征在于包括：

波形产生与处理系统(101)，

功率放大电路(102)，

可调控的微型电-力转换系统(103)。

2.如权利要求1所述的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉，其特征在于所述波形产生与处理系统(101)进一步包括：

用于存储具有个人发声特征的声门波形的存贮器，

波形产生模块(12)，用于根据预先存储的单个声门波形产生连续声门波，

波形频率扰动生成模块(13)用于在所述波形产生模块(12)产生的声门波中加入频率扰动，

波形幅度扰动生成模块(14)，用于在所述波形产生模块(12)产生的声门波中加入幅度扰动，

一个幅度调节旋钮(4)和一个波形幅度调节模块(16)，用于调节所述波形产生模块(12)产生的波形的幅度；

一个频率调节旋钮(5)和一个波形频率调节模块(15)，用于调节所述波形产生模块(12)产生的波形的基本频率。

3.如权利要求2所述的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉，其特征在于：

所述声门波模拟式电子人工喉进一步包括数模转换模块(17)，用于把所述波形产生模块(12)所产生的声门波转换为模拟信号，

所述功率放大电路(102)用于对所述数模转换模块(17)输出的信号波形进行功率放大。

4.如权利要求3所述的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉，其特征在于所述可调控的微型电-力转换系统(103)进一步包括：

一个高场强磁铁(21)；

被设置在所述高场强磁铁(21)周围的外磁轭(23)；

被设置在所述高场强磁铁(21)和所述外磁轭(23)之间的线圈绕组(25)；

与所述线圈绕组(25)机械耦合的一个振动膜片(1)；

其中功率放大电路(102)输出的信号被加到所述线圈绕组(25)上，从而用于把所述功率放大电路(102)放大后的波形转换为所述振动膜片(1)的机械振动。

5.如权利要求4所述的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉，其特征在于：

所述线圈绕组(25)与所述振动膜片(1)之间的机械耦合是借助一个绕组支架(22)实现的，

所述振动膜片(1)的机械振动用于被施加于使用者颈部以产生声门波，从而使声门波经过使用者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制在唇外形成语音，且所述可调控的微型电-力转换系统(103)是基于安培力原理制作的一种简单、无方向转换的电磁装置，其响应快速、平滑、无嵌齿、无滞后响应，并适合于产生高速、高加速度的直线往复运动。

6.如权利要求2-5之一所述的具有个人特征的声门波模拟式电子人工喉，其特征在于：

所述波形频率扰动生成模块(13)用于：

产生一个随机数M，M在0.95～1.05之间随机变化，

用所述随机数M作为乘数对声门波形的幅度进行扰动，即，使扰动后的声门波形幅度为A＝M*A_e，其中A_e表示施加扰动前的声门波形的幅度，

所述波形幅度扰动生成模块(14)用于：

对于声门波的基频周期t₀，产生一个随机数N，N在t₀的大约±5％-±10％的范围内随机变化，

把N加到基频周期t₀上，从而实现对声门波的周期的扰动，即，使实际产生的声门波的周期为t＝t₀+N。

7.产生具有个人特征的声门波的方法，其特征在于包括：

根据预先存储的单个声门波形产生连续声门波，

对所产生的所述连续声门波进行功率放大，

把功率放大后的所述连续声门波转换为一个微型电-力转换系统(103)的一个振动膜片(1)的机械振动。

8.如权利要求7所述的产生具有个人特征的声门波的方法，其特征在于进一步包括：

在所述功率放大前，在所述连续声门波中加入幅度扰动和频率扰动。

9.如权利要求8所述的产生具有个人特征的声门波的方法，其特征在于进一步包括：

把所述声门波转换为模拟信号

把所述振动膜片(1)的机械振动施加于使用者颈部以产生声门波，从而使声门波经过使用者舌、鼻腔、口腔、唇等器官的调制在唇外形成语音，

利用一个幅度调节旋钮(4)和一个波形幅度调节模块(16)，调节所述波形产生模块(12)产生的波形的幅度；

利用一个频率调节旋钮(5)和一个波形频率调节模块(15)，调节所述波形产生模块(12)产生的波形的基本频率。

10.如权利要求8或9所述的产生具有个人特征的声门波的方法，其特征在于

在所述连续声门波中加入幅度扰动的步骤包括：

产生一个随机数M，M在0.95～1.05之间随机变化，

用所述随机数M作为乘数对声门波形的幅度进行扰动，从而使扰动后的声门波形幅度为A＝M*A_e，其中A_e表示施加扰动前的声门波形的幅度，

在所述连续声门波中加入幅度扰动的步骤包括：

对于声门波的基频周期t₀，产生一个随机数N，N在t₀的大约±5％-±10％的范围内随机变化，

把N加到基频周期t₀上，从而实现对声门波的周期的扰动，即，使实际产生的声门波的周期为t＝t₀+N。

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