CN102625207B - 一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法 - Google Patents

一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种主动式噪声防护耳塞及其声音信号处理方法，其特征在于：耳塞包括内部设置声道的耳塞头和与耳塞头连接的控制腔，耳塞头声道的前端设置微型扬声器，控制腔上设置电路开关、微型麦克风和充电接口，控制腔的内部设置音频处理器和微型电池，音频处理器分别电连接微型扬声器、电路开关、微型麦克风和微型电池，微型电池电连接充电接口。其中，音频处理器对微型麦克风采集的声音信号进行分解、分析、分类和分离，从中滤除危害听力的干扰噪声，然后将重新合成的有用的声音信号通过微型扬声器输出，经声道传入人体内耳。本发明可以满足各种带噪环境下的从业人员对噪声防护和有用信号感知的作业要求。

Description

一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法
技术领域
本发明涉及一种耳塞及其声音信号处理方法，特别是一种用于保护听力的主动式噪声防护耳塞及其声音信号处理方法。
背景技术
耳朵是人体一个重要的感知器官，其听觉是人类获取信息的主要方式之一。充满大量噪声的作业环境不仅会影响从业人员的工作效能，还会造成从业人员的听力损伤。通常，当稳态噪声高于85分贝，脉冲噪声高于140分贝时，就会对人的听觉造成噪声性损伤，并可以导致不可恢复的失聪。
对于可能危害人体健康的噪声，通常采用佩戴特殊材料和结构设计的抗噪耳塞和消噪耳罩等被动方式来保护听力。但是，对于某些噪声条件下的从业人员，如需要保持灵敏的环境感知能力和相互之间的语音沟通能力的从业人员，采用上述被动式噪声防护装置，在保护听力时，由于不具备主动的声音信号选择能力，同样会去除环境中有用的声音信号，从而对作业造成影响。因此，如何解决噪声防护与有用信号感知之间的矛盾一直是听力保护中的关键问题。专利201020130547.0通过将防噪耳塞与无线通讯机结合的方式，解决了人与人交流问题，但未解决对环境声音信号感知的问题。专利200980129012.1通过限制峰值功率进行听觉增强和听力保护，但由于有用信号与噪声音信号相互叠加，导致削峰处理中同样会损伤有用信号，因此没有完全解决噪声防护和环境感知之间的矛盾。专利200910266020.2提出一种非封闭式耳塞型耳机及其受话端语音增强装置及方法，采用产生反相位对消信号的方法主动消除噪声而保留目标语音，但由于没有区分有用信号和噪声音信号，因此在保护听力的同时也会消除有用语音，从而降低了佩戴人员环境感知能力。专利200610033844.1对从数字声源得到的信号进行分析，实现对信号音量(增益)的自动调节，具有主动调节功能，但由于只是一语音接受端，因此也不具备环境感知能力。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有噪声消除和环境感知双重功能的主动式噪声防护耳塞及其声音信号处理方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种主动式噪声防护耳塞，其特征在于：它包括内部设置声道的耳塞头和与耳塞头连接的控制腔；耳塞头声道的前端设置微型扬声器，控制腔上设置电路开关、微型麦克风和充电接口；控制 腔的内部设置音频处理器和微型电池；音频处理器分别电连接微型扬声器、电路开关、微型麦克风和微型电池，微型电池电连接充电接口；音频处理器包括依次连接的麦克结构电路、多子带滤波器、信号分析模块、掩蔽模块和综合模块；麦克结构电路的输入端连接微型麦克风的输出端，综合模块的输出端连接微型扬声器的输入端。
上述耳塞头的声道与控制腔采用工程塑料一体制作成型，控制腔内部填充隔音材料，耳塞头采用具有全频带噪声隔离性能的自膨胀隔音材料制成。
上述主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法，其特征在于：音频处理器的麦克结构电路对微型麦克风采集到的声音信号进行隔离、放大和滤波处理，传给多子带滤波器；多子带滤波器对接收到的声音信号按照频带进行分解，分解出不同频带的声音信号，传给信号分析模块；信号分析模块对不同频带的声音信号按照时间进行分帧，形成一个以上的时频单元，并根据指定的信号特征对时频单元进行分类，传给掩蔽模块；掩蔽模块对分类后的时频单元进行分离，保留所需种类的时频单元，同时掩蔽掉其它种类的时频单元，并将保留的时频单元传给综合模块；综合模块将保留的时频单元组合转换为时域内连续的目标语音信号，传给微型扬声器输出。
上述多子带滤波器通过通用FFT，WOLA滤波器组和gammatone滤波器组中的一种对声音信号进行分解。
上述信号分析模块根据声音信号的能量、基音频率和稳态性三个信号特征中的一个将时频单元分为目标语音信号类和干扰噪声信号类。
上述掩蔽模块通过将需要掩蔽的时频单元中的数据设置为零来实现掩蔽。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过在耳塞内置的音频处理器中设置一信号分析模块和一掩蔽模块，在对微型麦克风采集的声音信号进行分解和合成的两过程之间，对信号进行主动分析、分类和分离，从中滤除危害听力的干扰噪声，提取有用的声音信号输入内耳，从而实现带噪环境下听力保护和环境感知的双重功能，特别是对作业现场中的突发危险情况和警报的感知，能够切实地保障带噪环境中工作人员的生命健康。2、本发明由于音频处理器中的信号分析模块可以根据需要，采用不同的分类方法对声音信号进行分类，如根据能量、基音频率和稳态性等信号特征将声音信号简单地分成目标语音信号类和干扰噪声信号类两种类别，因此具有较强的灵活扩展能力。3、本发明由于采用耳塞结构形式，通过柔软的自膨胀抗噪隔音材料制作耳塞头塞入人耳耳道，实现噪声的全语音频段隔离，因此能够有效地降低入耳声音的音量。本发明可以 满足各种带噪环境下的从业人员对噪声防护和有用信号感知的作业要求。
附图说明
图1是本发明耳塞的结构示意图
图2是本发明音频处理器的组成示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明的耳塞包括一内部设置有一声道1的耳塞头2和一与耳塞头2连接的控制腔3；耳塞头2的声道1的前端设置有一微型扬声器4，控制腔3上设置有一电路开关5、一微型麦克风6和一充电接口7；控制腔3的内部设置有一音频处理器8和一微型电池9；音频处理器8分别电连接微型扬声器4、电路开关5、微型麦克风6和微型电池9，微型电池9电连接充电接口7。其中，如图2所示，音频处理器8包括依次连接的一麦克结构电路81、一多子带滤波器82、一信号分析模块83、一掩蔽模块84和一综合模块85。麦克结构电路81的输入端连接微型麦克风6的输出端，综合模块85的输出端连接微型扬声器4的输入端。
上述实施例中，音频处理器8即可以选用一成品芯片，如安森美公司的BS300芯片实现其功能，也可以采用在印刷电路板上设置分立的功能器件，通过级联实现其功能。
上述实施例中，控制腔3内可以填充隔音材料，进一步屏蔽外部声音。
上述实施例中，耳塞头2可以采用由具有全频带噪声隔离性能的自膨胀隔音材料制成。
上述实施例中，声道1可以采用工程塑料材料制成，通过粘合剂固定在耳塞头2内，为耳塞头2提供定位和支撑。
上述实施例中，控制腔3和声道1可以采用工程塑料一体制作成型。
本发明的耳塞对声音信号的处理方法如下：
1)音频处理器8的麦克结构电路81对微型麦克风6采集到的声音信号进行隔离、放大和滤波等信号调理，传给多子带滤波器82。
2)多子带滤波器82对接收到的声音信号按照频带进行分解，分解出不同频带的声音信号，传给信号分析模块83。其中，多子带滤波器82可以采用通用FFT，WOLA滤波器组或者模仿人耳特性的gammatone滤波器组中的一种对声音信号进行分解。
3)信号分析模块83对不同频带的声音信号按照时间进行分帧，形成一个以上的时频单元，并对每个时频单元的声音信号，提取如能量、基音频率或稳态性 的信号特征，根据指定的信号特征对时频单元进行分类，传给掩蔽模块84。其中，最简单的分类是将时频单元分为目标语音信号类和干扰噪声信号类两种类别，即一个时频单元要么归为目标语音信号类，要么归为干扰噪声信号类。下面以三种分类方式为例，说明信号分析模块83对声音信号的分析、分类处理过程：
①时频单元根据声音信号的能量分为目标语音信号类和干扰噪声信号类：在听力保护功能中，核心思想是减少进入内耳的语音能量，信号分析模块83对每个时频单元中的声音信号能量进行计算，得到单元能量值，并将单元能量值与预先通过试验获得的会损伤听力的单元能量危害值进行比较，当单元能量值大于危害值时，信号分析模块83将该时频单元归为干扰噪声信号类，否则归为目标语音信号类。
②时频单元根据声音信号的基音频率分为目标语音信号类和干扰噪声信号类：在噪声环境下需要分离出周边人员说话声音时，信号分析模块83可以根据预先指定的基音频率对时频单元进行分类，由于人的语音频率通常在1kHz左右，因此可以将频带在1kHz附近的时频单元归为目标语音类，例如，可以将频带在1kHz以下或3kHz以上，说话声较小且频带内能量较大的时频单元归为干扰噪声信号类，其他的时频单元归为目标语音信号类。
③时频单元根据声音信号的稳态性分为目标语音信号类和干扰噪声信号类：由于通常情况下人的声音是随机分布，噪声是稳态分布，因此可以根据时频单元中能量变化的快慢，也就是稳态性对时频单元进行分类，如果在一预先指定的频带内，时频单元间能量差异小，变化慢，也即信号呈稳态分布，信号分析模块83就将此时频单元归为干扰噪声信号类，否则归为目标语音信号类。
4)掩蔽模块84对分类后的时频单元进行分离，保留所需种类的时频单元，同时掩蔽掉也即清除掉其它种类的时频单元，以实现主动式的噪声防护。如，保留目标语音信号类时频单元，掩蔽干扰噪声信号类时频单元。保留的时频单元，将由掩蔽模块84传给综合模块85。其中，掩蔽过程可以通过将需要掩蔽的时频单元中的数据归置为零来实现。
5)综合模块85是多子带滤波器82的逆变换模块，将掩蔽模块84输出的一系列按照频带和时间顺序排列的非零的时频单元组合转换为时域内连续的目标语音信号，传给微型扬声器4输出。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法，其特征在于：所述主动式噪声防护耳塞包括内部设置声道的耳塞头和与所述耳塞头连接的控制腔；所述耳塞头声道的前端设置微型扬声器，所述控制腔上设置电路开关、微型麦克风和充电接口；所述控制腔的内部设置音频处理器和微型电池；所述音频处理器分别电连接所述微型扬声器、电路开关、微型麦克风和微型电池，所述微型电池电连接所述充电接口；所述音频处理器包括依次连接的麦克结构电路、多子带滤波器、信号分析模块、掩蔽模块和综合模块；所述麦克结构电路的输入端连接所述微型麦克风的输出端，所述综合模块的输出端连接所述微型扬声器的输入端；所述耳塞头的声道与所述控制腔采用工程塑料一体制作成型，所述控制腔内部填充隔音材料，所述耳塞头采用具有全频带噪声隔离性能的自膨胀隔音材料制成；
所述方法如下：音频处理器的麦克结构电路对微型麦克风采集到的声音信号进行隔离、放大和滤波处理，传给多子带滤波器；所述多子带滤波器对接收到的声音信号按照频带进行分解，分解出不同频带的声音信号，传给所述信号分析模块，所述信号分析模块对不同频带的声音信号按照时间进行分帧，形成一个以上的时频单元，并对每个时频单元的声音信号，提取能量、基音频率或稳态性的信号特征，根据指定的信号特征对时频单元进行分类传给所述掩蔽模块，所述掩蔽模块对分类后的时频单元进行分离，保留所需种类的时频单元，同时掩蔽掉其它种类的时频单元，并将保留的时频单元传给综合模块；综合模块将保留的时频单元组合转换为时域内连续的目标语音信号，传给微型扬声器输出。
2.如权利要求1所述的一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法，其特征在于：所述多子带滤波器通过通用FFT，WOLA滤波器组和gammatone滤波器组中的一种对声音信号进行分解。
3.如权利要求1所述的一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法，其特征在于：所述信号分析模块根据声音信号的能量、基音频率和稳态性三个信号特征中的一个将时频单元分为目标语音信号类和干扰噪声信号类。
4.如权利要求2所述的一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法，其特征在于：所述信号分析模块根据声音信号的能量、基音频率和稳态性三个信号特征中的一个将时频单元分为目标语音信号类和干扰噪声信号类。
5.如权利要求1～4任一项所述的一种主动式噪声防护耳塞的声音信号处理方法，其特征在于：所述掩蔽模块通过将需要掩蔽的时频单元中的数据设置为零来实现掩蔽。
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