CN107307923A - 使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统及其基频调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统及其基频调节方法。使用者操作滚轮时，滚轮控制系统利用编码器将滚轮的转动角度转化为编码信号；信号处理系统将编码信号解码，并根据编码转换算法生成基频控制信号，控制微型电‑力转换系统振动，产生基频变化的电子人工喉语音。该方法可以改变电子喉语音的单一频率，使其具有声调变化，提高电子人工喉语音的可懂度。

Description

使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统及其基频调节方法

技术领域

本发明属于语音缺失患者的语音康复领域，并涉及使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统及其基频调节方法。

背景技术

语音是人类最重要的信息交互方式之一，是人类语言的第一属性，语言依靠语音实现其社会功能，人类通过语音传达感情，沟通思想，语音对人类文明的发展起到了重要的推动作用。但是，由于疾病、事故等原因，许多患者不得不接受喉头切除手术。手术后患者的声带随喉部的切除而切除，使患者失去了语音的功能，无法与外界顺利交流，这不仅大大降低了患者的生活质量，也给患者造成了较大的心理压力，甚至导致自闭、抑郁等心理疾病，给患病者带来更大的痛苦。

电子人工喉是目前使用最为普遍的一种语音发声康复辅具，是喉头切除患者的普遍选择，但由于其存在明显的语音缺陷，如频率单一、语音机械、辐射噪音大等，对患者的使用与日常交流产生了较大的影响。特别是电子喉语音的基频单一，没有变化，这常常会导致患者的语义无法通过语调准确的表达。特别是对于使用声调语音的汉语普通话，无法用电子喉准确的描述声调给患者的日常交流带来了很大的不便，也限制了电子人工喉的使用。如何使电子人工喉的发声基频产生高低变化，具有重要的研究价值和应用前景，也是目前电子人工喉语音改善方面的研究热点。目前，使用压力、肌电信号、瘘口气压气流等生理信号的电子人工喉语音基频改进方法不断被提出，但是这些方法都有实现困难，装置复杂，训练难度大，基频改善不完整等缺陷，很多研究尚停留在实验阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉基频调节方法，解决电子人工喉语音基频单一的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统，包括微型电-力转换系统，滚轮控制系统，信号处理系统和电源模块。

其中，微型电-力转换系统的设计可参考本发明人已授权的发明专利：指压式基频调节电子人工喉(专利号：200910090549.3)。需要指出的是，本发明旨在保护使用滚轮调节发声基频的装置及使用滚轮的电子人工喉语音基频调节方法，系统中使用的微型电-力转换系统并不在权利要求当中。

滚轮控制系统包括滚轮，编码器，以及相应的匹配电路。其中，滚轮可用手指操作，起到开关和基频控制的作用；编码器可以将滚轮的转动角度信息转化为电信号；匹配电路可以将电信号转化为编码信号，供信号处理系统读取。

信号处理系统包括信号调理电路，单片机和基频控制电路。其中，信号调理电路可以将滚轮控制系统提供的编码信号解码，转化为数字信号；单片机根据编码转换算法将数字信号转化为基频控制信号，并将基频控制信号提供给基频控制电路，基频控制电路可以将单片机提供的基频控制信号放大，并驱动微型电-力转换系统振动，从而发出基频变化的电子人工喉语音。

根据本发明的一个方面，提供了一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统，其特征在于包括：

微型电-力转换系统，用于将基频控制信号转化为机械振动，发出基频变化的电子人工喉语音，

滚轮控制系统，用于将滚轮滚动信息转化为编码信号，

信号处理系统，用于将编码信号解码，并把编码信号转换为基频控制信号，

电源模块，为微型电-力转换系统、滚轮控制系统和信号处理系统提供电力。

根据本发明的另一个方面，提供了基于上述电子人工喉系统的电子人工喉基频调节方法，其特征在于包括如下步骤：

A)将滚轮的转动角度信息转化为电信号；

B)将电信号转化为编码信号；

C)将编码信号解码，并转化为数字信号；

D)将数字信号转化为基频控制信号；

E)将基频控制信号放大，并驱动微型电-力转换系统振动；

F)产生基频变化的电子人工喉语音。

本发明的优点包括：

(1)本发明可以产生基频可变的电子人工喉语音，使患者可以发出有声调的语音，增加了电子人工喉的实用性。

(2)本发明通过滚轮装置的上下滚动实现了电子人工喉的基频调节，装置简单，可靠性高。

附图说明

图1为根据本发明的系统原理图。

图2为根据本发明的滚轮控制系统的配置图。

图3为根据本发明的信号处理系统的配置图。

图4为根据本发明的一个实施例的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉剖面示意图。

图5为根据本发明的一个实施例的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉滚轮控制系统示意图。

图6为根据本发明的一个实施例的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉编码转换算法示意图。

图7为本发明的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉基频调节方法流程图。

附图标记：

1—电源模块 2—滚轮控制系统 3—信号处理系统

4—微型电-力转换系统 5—滚轮 6—编码器

7—匹配电路 8—信号调理电路 9—单片机

10—基频控制电路 11—电路板 12—外壳 13—后盖

14—电池 15—导线

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使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统的原理图，该电子人工喉系统包括电源模块1，滚轮控制系统2，信号处理系统3，微型电-力转换系统4。使用者操作滚轮控制系统2，产生编码发送给信号处理系统3，信号处理系统3将编码转换为基频控制信号，控制微型电-力转换系统4，从而产生基频可变的电子人工喉语音，整个系统通过电源模块1供电。

图2为根据本发明的一个实施例的使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统中滚轮控制系统2的原理图，该滚轮控制系统2包括滚轮5，编码器6与匹配电路7。滚轮5与编码器6连接，在滚轮5转动时编码器6可读取滚轮5的转动角度信息，并转化为电信号，匹配电路7将编码器6产生的电信号转化为编码信号，供信号处理系统3读取。

图3为根据本发明的一个实施例的使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统中信号处理系统3的原理图，该信号处理系统3包括信号调理电路8，单片机9，基频控制电路10。信号调理电路8可将滚轮控制系统2生成的编码信号解码，转化为数字信号提供给单片机9，单片机9根据编码转换算法将数字信号转化为基频控制信号提供给基频控制电路10，基频控制电路10可以将单片机9提供的基频控制信号放大，并驱动微型电-力转换系统1振动，从而发出基频变化的电子人工喉语音。

图4为根据本发明的一个实施例的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉的剖面示意图，其中包括微型电-力转换系统4，滚轮控制系统2，信号处理系统3，外壳12，后盖13和电池14。其中，滚轮控制系统2包括滚轮5，编码器6，匹配电路7；信号处理系统3包括信号调理电路8，单片机9，基频控制电路10。滚轮控制系统2和信号处理系统3焊接在电路板11上。使用者控制滚轮5，滚轮5转动带动编码器6转动，编码器6将滚轮5的转动角度转化为电信号，经过信号处理系统3的信号处理、放大等，生成基频控制信号，驱动微型电-力转换系统4发出电子人工喉语音。本实施例通过电池14供电，所有装置位于外壳12中，通过打开后盖13可更换电池14。

图5为根据本发明的一个实施例的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉电路板部分示意图，其中包括滚轮5，编码器6，匹配电路7，信号调理电路8，单片机9和基频控制电路10；这些部分都焊接在电路板11上。

根据本发明的一种具体实施方式，使用者操作滚轮5，编码器6读取滚轮的转动角度并转化为电信号，匹配电路7将编码器6产生的电信号转化为编码信号，信号调理电路8可将编码信号解码，转化为数字信号提供给单片机9，单片机9根据编码转换算法将数字信号转化为基频控制信号提供给基频控制电路10，基频控制电路10将基频控制信号放大，并驱动微型电-力转换系统1振动，从而发出基频变化的电子人工喉语音，各电路之间通过导线15连接。

图6为根据本发明的一个实施例的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉编码转换算法示意图。根据本发明的一种具体实施方式，滚轮控制系统2产生两列编码A和B，信号处理系统3分别读取编码A与编码B的前后顺序与出现次数，当编码A慢于编码B时，判断为滚轮正转，基频信号增加，当编码A快于编码B时，判断为滚轮反转，基频信号减少。发声基频就是微型电-力转换系统的振动频率。根据本发明的一个实施例，该算法由单片机9实施。该算法用于将编码信号转化为基频控制信号。基频控制信号本质上是一个脉冲宽度调制信号(PWM波)，该算法的作用是将编码信号换算为PWM波的频率，PWM波的频率即最终的发声基频。

图7为本发明的一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉基频调节方法流程图，具体包括以下几个步骤：

步骤一：利用编码器采集滚轮的转动角度信息，转化为电信号；

步骤二：匹配电路将电信号转化为编码信号，供信号处理系统读取；

步骤三：信号调理电路将编码信号解码，转化为数字信号；

步骤四：单片机将数字信号转化为基频控制信号，并提供给基频控制电路；

步骤五：基频控制电路将基频控制信号放大，并驱动微型电-力转换系统振动。

步骤六：产生基频变化的电子人工喉语音。

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)

1.一种使用滚轮调节发声基频的电子人工喉系统，其特征在于包括：

微型电-力转换系统(1)，用于将基频控制信号转化为机械振动，发出基频变化的电子人工喉语音，

滚轮控制系统(2)，用于将滚轮滚动信息转化为编码信号，

信号处理系统(3)，用于将编码信号解码，并把编码信号转换为基频控制信号，

电源模块(4)，为微型电-力转换系统(1)、滚轮控制系统(2)和信号处理系统(3)提供电力。

2.根据权利要求1所述的电子人工喉系统，其特征在于滚轮控制系统(2)包括：

滚轮(5)，用于被使用者操作，

编码器(6)，用于读取滚轮(5)的转动角度，并将转动角度转化为电信号，

匹配电路(7)，将电信号转化为编码信号。

3.根据权利要求1所述的电子人工喉系统，其特征在于信号处理系统(3)包括：

信号调理电路(8)，用于将滚轮控制系统(2)产生的编码信号解码，生成数字信号，

单片机(9)，用于接收信号调理电路(8)产生的数字信号，并根据编码转换算法生成所述基频控制信号，

基频控制电路(10)，用于放大基频控制信号，并驱动微型电-力转换系统(1)产生基频变化的电子人工喉语音。

4.根据权利要求3所述的电子人工喉系统，其特征在于所述编码转换算法包括：

根据滚轮控制系统(2)产生两列编码A和B，

分别读取编码A与编码B的前后顺序与出现次数，

当编码A慢于编码B时，判断为滚轮正转，基频信号增加，

当编码A快于编码B时，判断为滚轮反转，基频信号减少。

5.根据权利要求3或4所述的电子人工喉系统，其特征在于进一步包括：

外壳(12)，

设置在外壳(12)中的电路板(11)，

设置在外壳(12)上的后盖(13)，

其中，

电源模块(4)包括电池(14)，

滚轮(5)、编码器(6)、匹配电路(7)、信号调理电路(8)、单片机(9)和基频控制电路(10)被安装在电路板(11)上，

电池(14)通过后盖(13)更换。

6.基于根据权利要求1-5之一所述的电子人工喉系统的电子人工喉基频调节方法，其特征在于包括如下步骤：

A)将滚轮的转动角度信息转化为电信号；

B)将电信号转化为编码信号；

C)将编码信号解码，并转化为数字信号；

D)将数字信号转化为基频控制信号；

E)将基频控制信号放大，并驱动微型电-力转换系统振动，

F)产生基频变化的电子人工喉语音。

7.根据权利要求6所述的电子人工喉基频调节方法，其特征在于所述步骤D)包括根据编码转换算法生成所述基频控制信号。

8.根据权利要求7所述的电子人工喉基频调节方法，其特征在于所述编码转换算法包括：

根据滚轮控制系统(2)产生两列编码A和B，

分别读取编码A与编码B的前后顺序与出现次数，

当编码A慢于编码B时，判断为滚轮正转，基频信号增加，

当编码A快于编码B时，判断为滚轮反转，基频信号减少。

9.根据权利要求7或所述的电子人工喉基频调节方法，其特征在于所述步骤D)由单片机(9)实施。

10.根据权利要求6所述的电子人工喉基频调节方法，其特征在于：

滚轮(5)的转动是电子人工喉系统的使用者的操作的结果。