CN102370485B - 数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法，系统有依次串接的：探测音D/A转换电路、驱动电路、扬声器、人耳、拾音器和A/D转换电路，探测音D/A转换电路的输入端和A/D转换电路的输出端分别对应连接FPGA芯片，FPGA芯片的输出端还通过音控D/A转换电路连接探测音D/A转换电路，FPGA芯片还连接CPU，CPU连接显示/外围接口单元。方法：计算测试耳与标准耳回波信号差ΔV＝Vi-Vref，Vi测试耳回波信号；Vref标准耳参考电压；根据测试耳与标准耳回波信号差计算音量控制电压值δ＝KΔV+Vref，K＝0～1。本发明实现数字式实时耳声导抗测量及恒压声控功能。使探测量过程中测音强度保持恒定。

Description

数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法
技术领域
本发明涉及一种耳声导抗检测系统。特别是涉及一种实现数字式实时耳声导抗测量及恒压声控功能的数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法。
背景技术
耳声导抗测量技术是近年来发展起来的一种中耳功能检测的客观方法。其在临床耳科和听力学科诊断方面的重要地位已得到临床医生的公认，已成为提高耳疾诊断正确率的一种先进手段。目前临床所用耳声导抗测试系统为采用复杂的模拟检测电路手段实现耳声导抗测量。本发明设计了一种数字式耳声导抗测试算法，通过采用数字信号处理及数字信号补偿算法实现耳声导抗测量及恒压声控功能。
外耳道中除鼓膜可以活动外，其余都是不能活动的骨壁，因而外耳道可视作一个密闭的硬壁腔。经鼓膜和听骨链传导的声能相当于经腔四壁洞上薄膜漏去的声能，洞上薄膜弹性越大，声能泄漏越多。如果中耳传音系统的劲度大，传入的声能少，则相当于漏去的声能的等效容积就小，声导纳值就低，反之，若中耳传音系统的劲度小，传入的声能多，则相当于漏去的声能等效容积就大，声导纳就高。声波作为力的一种形式到达外耳道后，一定的声压作用于鼓膜，中耳系统及内耳相应产生运动，在此过程中，来自外耳道内空气粒子压力的变化至耳蜗内发生的电机械活动的能的传递，可通过对鼓膜外侧面的能流进行测量。声导抗测试就是通过测试声能在人耳的传递状态，以实现人耳的功能检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过数字信号处理及数字信号补偿算法实现耳声导抗测量及恒压声控功能，并实现测量过程探测音强度始终保持恒定，以减少耳道不同对测量结果的影响的数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法。
本发明所采用的技术方案是：一种数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法。数字式自动声控耳声导抗检测系统，包括依次串接的：探测音D/A转换电路、驱动电路、扬声器、人耳、拾音器和A/D转换电路，所述的探测音D/A转换电路的输入端和A/D转换电路的输出端分别对应连接FPGA芯片，所述的FPGA芯片的输出端还通过音控D/A转换电路连接探测音D/A转换电路，所述的FPGA芯片还连接CPU，所述的CPU连接显示/外围接口单元。
所述的拾音器通过放大器连接A/D转换电路。
所述的FPGA芯片选用ep1c6q240c8n芯片，包括有DDS模块和数字信号补偿算法模块。
用于数字式自动声控耳声导抗检测系统的数字信号补偿方法，包括有：用于调节探测音强度的音量控制电压值δ的计算方法，和实际输出的声导纳值yi的计算方法。
所述的用于调节探测音强度的音量控制电压值δ的计算方法包括如下步骤：
1)计算测试耳与标准耳回波信号差ΔV：
ΔV＝Vi-Vref
其中：Vi为测试耳回波信号；Vref为标准耳参考电压；
2)根据测试耳与标准耳回波信号差计算音量控制电压值δ：
δ＝KΔV+Vref
其中，K＝0～1的值。
所述的实际输出的声导纳值yi的计算方法包括如下步骤：
1)根据测试耳与标准耳回波信号差ΔV设定实际输出的声导纳值yi：
yi＝aΔV+b
其中：a，b为系数，ΔV＝Vi-Vref，Vi为测试耳回波信号；Vref为标准耳参考电压；
2)确定a，b的值：
(1)将探头插入声导纳标称值为0.5ml的标准耳后，测量ΔV1；
(2)将探头插入声导纳标称值为V2的标准耳后，测量ΔV2；
(3)将ΔV1和ΔV2代入yi＝aΔV+b，求解a，b值。
还包括有用声导纳标称值为2.0ml的标准耳腔对yi＝aΔV+b式的结果进行验证：
若1.9≤y≤2.1满足精度要求，否则调整预设的标准耳参考电压Vref，直至满足精度要求。
本发明的数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法，通过采用数字信号处理及数字信号补偿算法实现耳声导抗测量及恒压声控功能。实现数字式实时耳声导抗测量及恒压声控功能。使探测量过程中测音强度保持恒定，以减小耳道不同的影响。
附图说明
图1是本发明的整体构成框图；
图2是生成频率为226Hz正弦波信号；
图3是探测音频率设为226Hz时的实验结果曲线。
其中：
1：FPGA芯片                       2：探测音D/A转换电路
3：驱动电路                       4：扬声器
5：人耳                           6：拾音器
7：放大器                         8：A/D转换电路
9：音控D/A转换电路                10：CPU
11：显示/外围接口单元
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的数字式自动声控耳声导抗检测系统及其数字信号补偿方法做出详细说明。
本发明的数字式自动声控耳声导抗检测系统，采用FPGA构建的探测音发生器产生一正弦波，通过匹配电路和换能器为外耳道提供一个低频探测音。传导链反射回来的声能，经换能器和匹配电路送入A/D转换器。数字信号通过本发明的耳声导抗算法计算出耳声导抗值，结果送入内存及显示。测量过程中，通过对输入到耳道内的探测音声强进行实时检测，并将数字信号补偿算法结果通过负反馈方式反馈给探测音输出控制电路，实现数字式实时耳声导抗测量及恒压声控功能。使探测量过程中测音强度保持恒定，以减小耳道不同的影响。
如图1所示，本发明的数字式自动声控耳声导抗检测系统，包括依次串接的：探测音D/A转换电路2、驱动电路3、扬声器4、人耳5、拾音器6和A/D转换电路8，所述的探测音D/A转换电路2的输入端和A/D转换电路8的输出端分别对应连接FPGA芯片1，所述的FPGA芯片1的输出端还通过音控D/A转换电路9连接探测音D/A转换电路2，所述的FPGA芯片1还连接CPU 10，所述的CPU 10连接显示/外围接口单元11。所述的拾音器6还可以通过放大器7连接A/D转换电路8。
在本实施例中，所述的FPGA芯片1选用型号为ep1c6q240c8n的芯片，包括有DDS模块1-1和数字信号补偿算法模块1-2。所述的探测音D/A转换电路2选用型号为tlv5623的芯片；所述的A/D转换电路8选用型号为ads7888的芯片；所述的音控D/A转换电路9选用型号为max5304的芯片；所述的驱动电路3选用型号为max9890的芯片；所述的放大器7选用型号为max9812的芯片。
FPGA设计了直接数字频率合成器(DDS)产生多种频率的探测音。用FPGA实现DDS调频信号电路较采用专用DDS芯片更为灵活，只要改变FPGA中ROM内的数据和控制参数，DDS就可以产生任意调制波形，且分辨率高，具有相当大的灵活性。相比之下，DDS的功能完全取决于设计需求，可以复杂也可以简单，而且FPGA芯片还支持在系统现场升级。另外，将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中，其系统成本并不会增加多少，而购买专用芯片的价格则是前者的很多倍。所以采用FPGA来设计DDS系统具有很高的性价比。本发明的数字式自动声控耳声导抗检测系统是利用Quartus II设计的DDS模块1-1。
数字信号补偿算法是为了减小耳道不同的影响，保证探测音强度在测试过程中保持恒定，并实现耳声导抗测量及恒压声控功能。
在本发明中，利用带有参考电压端D/A芯片特点设计了恒压声控电路。探测音D/A转换电路是将DDS的数字输出转换成模拟信号。通过探测音D/A转换电路参考电压的调整来使得测量过程中保证探测音强度维持恒定。正弦波的幅度可以通过参考电压的控制实现调控。
本发明的用于数字式自动声控耳声导抗检测系统的数字信号补偿方法，包括有：用于调节探测音强度的音量控制电压值δ的计算方法，和实际输出的声导纳值yi的计算方法。
所述的用于调节探测音强度的音量控制电压值δ的计算方法包括如下步骤：
1)计算测试耳与标准耳回波信号差ΔV：
ΔV＝Vi-Vref
其中：Vi为测试耳回波信号；Vref为标准耳参考电压；
2)根据测试耳与标准耳回波信号差计算音量控制电压值δ：
测试耳回波信号Vi经采集处理后，和给定的预设参考电压Vref做差值计算，其结果ΔV乘以一个负系数K值后加上标准耳参考电压，即得到音量控制电压值：
δ＝KΔV+Vref
其中，K＝0～1。
将δ值反馈给D/A的参考电压端，实现根据不同的耳腔容积来调整正弦波的幅值，即调节探测音强度。
ΔV作为测试耳与标准耳回波信号差，反映了被测耳与标准耳在耳腔测量时所需探测声能的差异。当一定强度的纯音引入刚性壁密闭腔中所产生的声压级与腔的容积成反比，若与已知容积的标准腔内声压级相比，可以推算出该密闭腔的容积，即等效容积。当探测腔小于5ml时，声导纳可以用空气的等效容积来表示。通过能量的变化，计算出被测耳腔的等效容积变化，进而推算出耳声导纳的变化。
所述的实际输出的声导纳值yi的计算方法包括如下步骤：
1)根据测试耳与标准耳回波信号差ΔV设定实际输出的声导纳值yi：
yi＝aΔV+b
其中：a，b为系数，ΔV＝Vi-Vref，Vi为测试耳回波信号；Vref为标准耳参考电压；
2)确定a，b的值：
(1)将探头插入声导纳标称值为0.5ml的标准耳后，测量ΔV1；
(2)将探头插入声导纳标称值为V2的标准耳后，测量ΔV2；
(3)将ΔV1和ΔV2代入yi＝aΔV+b，求解a，b值。
还包括有用声导纳标称值为2.0ml的标准耳腔对yi＝aΔV+b式的结果进行验证：
若1.9≤y≤2.1，满足精度要求，否则调整预设的标准耳参考电压Vref，直至满足精度要求。
如图2所示，生成频率为226Hz正弦波信号频率误差0.6％符合设计要求；图3所示是探测音频率设为226Hz时的实验结果曲线。

Claims (2)

1.一种用于数字式自动声控耳声导抗检测系统的数字信号补偿方法，所述的数字式自动声控耳声导抗检测系统，包括依次串接的：探测音D/A转换电路（2）、驱动电路（3）、扬声器（4）以及串接的拾音器（6）和A/D转换电路（8），其中，所述扬声器（4）与人耳（5）串接，所述人耳（5）与所述拾音器（6）串接，所述的探测音D/A转换电路（2）的输入端和A/D转换电路（8）的输出端分别对应连接FPGA芯片（1），所述的FPGA芯片（1）的输出端还通过音控D/A转换电路（9）连接所述探测音D/A转换电路（2），所述的FPGA芯片（1）还连接CPU（10），所述的CPU（10）连接显示/外围接口单元（11）；其特征在于，所述的数字信号补偿方法包括有：用于调节探测音强度的音量控制电压值δ的计算方法，和实际输出的声导纳值yi的计算方法，
所述的用于调节探测音强度的音量控制电压值δ的计算方法包括如下步骤：
1）计算测试耳与标准耳回波信号差△V：
△V=Vi-Vref
其中：Vi为测试耳回波信号；Vref为标准耳参考电压；
2）根据测试耳与标准耳回波信号差计算音量控制电压值δ：
δ=K△V＋Vref
其中，K为0～1的值；
所述的实际输出的声导纳值yi的计算方法包括如下步骤：
1）根据测试耳与标准耳回波信号差△V设定实际输出的声导纳值yi：
yi=a△V+b
其中：a，b为系数，△V=Vi-Vref，Vi为测试耳回波信号；Vref为标准耳参考电压；
2）确定a,b的值：
（1）将探头插入声导纳标称值为0.5ml的标准耳后，测量△V1；
（2）将探头插入声导纳标称值为V2的标准耳后，测量△V2；
（3）将△V1和△V2代入yi=a△V+b，求解a，b值。
2.根据权利要求1所述的用于数字式自动声控耳声导抗检测系统的数字信号补偿方法，其特征在于，还包括有用声导纳标称值为2.0ml的标准耳腔对yi=a△V+b式的结果进行验证：
若1.9≤yi≤2.1，则满足精度要求，否则调整预设的标准耳参考电压Vref，直至满足精度要求。
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