CN111212349B - 一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法 - Google Patents

一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法，所述方法包括：测量受试者的头骨阻抗；测量受试者的头骨生理特性；基于头骨阻抗和头骨生理特性在预先建立的数据库中进行匹配，获得与受试者的头骨阻抗和头骨生理特性相匹配的个性化骨导传递函数；基于个性化骨导传递函数，设计对应的个性化骨导耳机均衡器。

Description

一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法
技术领域
本发明属于骨导耳机均衡领域，尤其涉及一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法，能够在建立数据库的条件下，仅通过头骨阻抗识别和个体头骨生理特性设计个性化骨导均衡器。
背景技术
随着骨导设备从医疗助听领域进入到消费电子领域，骨导耳机已经逐渐成为一种重要的声重放装置。使用骨导耳机进行声重放时，由于骨导耳机自身的频响特性、骨导耳机与皮肤的耦合、头骨的振动特性等因素，导致骨导耳机的声重放效果不佳，出现音色失真，空间感变差等现象，极大降低了骨导耳机的听音感受。对骨导耳机的频率响应进行均衡处理能够提升骨导耳机的声重放效果。参考气导耳机的均衡方法，骨导均衡器需要测量骨导传递函数(Bone Conduction Transfer Function,BCTF)以及设计合理的目标曲线。骨导传递函数的测量分为直接测量和间接测量，直接测量方法可以利用耳声发射信号获取骨导传递函数，间接的方法是利用气-骨导差异传递函数(Bone to Air Differential TransferFunction,BADTF)构造均衡器实现以指定气导耳机的耳机到鼓膜传递函数(Headphone toEardrum Transfer Function,HETF)为目标的骨导耳机均衡。基于骨导传递函数的骨导均衡旨在使骨导重放声逼近指定的气导耳机的声重放感知效果。在实际情况中，聆听者骨导传递函数个体差异的存在意味着单一设计的均衡滤波器无法契合每个聆听者的骨导传递特性，使得均衡效果存在误差。采用个性化均衡方法，依据每个聆听者的骨导传递函数设计均衡器可以有效提升骨导耳机声重放的效果。但是由于骨导传递函数的测量程序复杂繁琐，不易操作，并不能在短时间内快速有效的对每位聆听者测量其骨导传递函数。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法，所述方法包括：
测量受试者的头骨阻抗；
测量受试者的头骨生理特性；
基于头骨阻抗和头骨生理特性在预先建立的数据库中进行匹配，获得与受试者的头骨阻抗和头骨生理特性相匹配的个性化骨导传递函数；
基于个性化骨导传递函数，设计对应的个性化骨导耳机均衡器。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：建立结合头骨生理特性、骨导传递函数和头骨阻抗的数据库，具体包括：
测试获得骨导传递函数；
基于骨导耳机和负载搭建头骨阻抗测试平台，由此计算出头骨阻抗；
将个体头骨生理特性、个体头骨阻抗与个性化骨导传递函数建立一一对应关系，并存入数据库中。
作为上述方法的一种改进，所述测试获得骨导传递函数，具体包括：
受试者佩戴气导耳机，测量获得该频率的气导听阈
Figure BDA0002364670610000021
f为测试频率；
受试者取下气导耳机，佩戴骨导耳机，测量获得该频率的骨导听阈
Figure BDA0002364670610000022
计算获得该频率的气-骨导差异传递函数的幅度值D(f)：
Figure BDA0002364670610000023
设置不同的测试频率，获得不同测试频率的气-骨导差异传递函数的幅度值，对整个频段的幅度值进行拟合，获得气-骨导差异传递函数，这里的气-骨导差异传递函数为骨导传递函数。
作为上述方法的一种改进，，所述测试获得骨导传递函数，具体包括：
将隔声耳罩以及加掩蔽音的方式堵塞受试者的非测试耳；
将探针传声器置于受试者测试耳的耳道；
将骨导耳机置于乳突、颞骨或额骨处，骨导耳机播放20Hz-4kHz的扫频音X(Z)，Z为变换域；
置于测试耳的耳道内的探针传声器接收信号Y(Z)；
从骨导耳机到该测试耳的耳蜗的骨导传递函数H(Z)为：
H(Z)＝Y(Z)X-1(Z)。
作为上述方法的一种改进，所述利用骨导耳机识别头骨阻抗，具体为：
搭建骨导耳机和负载的串联电路,驱动电压为E；
骨导耳机驱动机械负载阻抗时负载的振动速度为v；
接入阻抗为ZL1的负载，测得对应的电流为I1；
接入阻抗为ZL2的负载，测得对应的电流为I2；
接入阻抗为ZL3的负载，测得对应的电流为I3；
将ZL1、I1，ZL2、I2，ZL3、I3，分别代入
Figure BDA0002364670610000031
得到三个方程，联立计算得到骨导耳机的电阻抗Ze、骨导耳机的力阻抗zm，骨导耳机的传导系数T；
受试者佩戴骨导耳机，测得对应的电流为I4,根据下式计算得到头骨阻抗ZL：
Figure BDA0002364670610000032
作为上述方法的一种改进，所述均衡器采用的均衡算法为线性幅度均衡算法或非线性幅度均衡算法。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、基于多位受试者，建立骨导传递函数、头骨生理特性和头骨阻抗的数据库，根据对聆听者识别其头骨阻抗以及测量头骨生理特性，从数据库中匹配到对应的骨导传递函数，进而构造其个性化骨导均衡器，实现良好的声重放效果；
2、利用骨导传递函数构造个性化均衡滤波器在骨导声重放时进行补偿，可以改善骨导声重放的音色和空间感，使其接近气导耳机的声重放感知效果。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的实施例头骨阻抗测量电路的示意图；
图3是本发明的实施例直接测量获得骨导传递函数的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本发明提出了一种通过骨导耳机识别头骨阻抗的方法，通过对多位受试者测量头骨生理特性、骨导传递函数以及头骨阻抗，建立数据库。对于聆听者仅需测量头骨阻抗和头骨生理特性，在数据库中匹配与其头骨阻抗以及头骨生理特性最接近的受试者，提出该受试者的骨导传递函数作为聆听者的骨导传递函数，然后进行均衡处理，即可实现聆听者的个性化骨导均衡。
本发明提出的基于阻抗识别的骨导耳机均衡方法具体包括：
步骤1)测量N位受试者的骨导传递函数；
步骤2)利用骨导耳机识别N位受试者的头骨阻抗；
本发明提出了一种基于骨导耳机校准测量头骨阻抗的方法。头骨阻抗可以是乳突处的阻抗，额骨处的阻抗也可以是颞骨处的阻抗。骨导耳机可佩戴于乳突、额骨或者颞骨处，每位受试者头骨阻抗均可由步骤2)得到，同一个骨导耳机得到其模型参数后，不需重复测量。同时对每位受试者进行步骤1)的测量，得到其骨导传递函数。
通过建立骨导耳机的电路模型，该模型由三个与频率相关的参数描述，骨导耳机模型的参数确定后，测量耳机的驱动电压和电流即可确定任意的电负载阻抗(比如乳突阻抗)。如图1所示。
上述头骨阻抗的测量方法仅为测量头骨阻抗方法中的一种，还可以通过力阻抗的测量方法来获取头骨力阻抗。
Figure BDA0002364670610000041
当机电换能器驱动机械负载阻抗ZL时，通过负载的力和速度可由式(2)联系
F＝-vZL (2)
另外，骨导耳机的传导系数相等但异号，即
T≡Tme＝-Tem (3)
将式(2)与式(3)代入式(1)中可得
Figure BDA0002364670610000042
其中Ze为骨导耳机的电阻、zm为骨导耳机的力阻，T为骨导耳机的传导系数。
因此，骨导耳机的电输入阻抗Zin为
Figure BDA0002364670610000043
通过骨导耳机驱动已知阻抗的负载的多次实验，可推导出Ze、T以及zm。已知三个参数后，骨导耳机驱动任意机械负载，都可推导出其头骨阻抗ZL，具体过程为：
搭建骨导耳机和负载的串联电路,驱动电压为E；
接入阻抗为ZL1的负载，测得对应的电流为I1；
接入阻抗为ZL2的负载，测得对应的电流为I2；
接入阻抗为ZL3的负载，测得对应的电流为I3；
将ZL1、I1，ZL2、I2，ZL3、I3，分别代入
Figure BDA0002364670610000051
联立计算得到骨导耳机的电阻抗Ze、骨导耳机的力阻抗zm，骨导耳机的传导系数T
受试者佩戴骨导耳机，测得对应的电流为I4,根据下式计算得到头骨阻抗ZL：
Figure BDA0002364670610000052
步骤3)测量N位受试者的头骨生理特性；
头骨生理特性，比如头部生理参数，每个人的头大小不一样，比如说长，宽，厚度。头骨生理特性可以用CT扫描，也可以用软尺测量受试者部头的尺寸。
步骤4)将骨导传递函数、头骨生理特性和头骨阻抗建立一一对应关系，并存入数据库中。其中骨导传递函数可以采用直接测量的方法获得骨导传递函数，也可以采用间接测量的方法，获得骨导传递函数；
步骤5)识别聆听者的头骨阻抗并测量聆听者的头骨生理特性，在已有数据库匹配与其头骨阻抗以及头骨生理特性最相近的受试者，调用受试者的骨导传递函数数据；
聆听者将骨导耳机佩戴于乳突处，通过此时的驱动电压和电流以及步骤2)中的已知数据可推出该聆听者的头骨阻抗。并测量聆听者的头骨生理特性，根据聆听者的头骨生理特性以及头骨阻抗寻找数据库中与其头骨阻抗以及头骨生理特性最匹配的骨导传递函数。
步骤6)结合骨导传递函数设计聆听者的个性化骨导均衡器。
得到的聆听者的骨导传递函数，构造均衡器在骨导声重放进行补偿。其中，均衡算法有线性幅度均衡算法和非线性幅度均衡算法。
实施例2
本实施例的骨导传递函数采用间接测量的方法，获得气-骨导差异传递函数。其他步骤同实施例1。
气-骨导差异传递函数的测量：
本发明中的气-骨导差异传递函数的测量方法包括基于气、骨声抵消法测量气-骨导差异传递函数、基于听阈法测量气-骨导差异传递函数。气、骨声抵消是指通过调节具有相同频率的气、骨导激励的幅度差和相位差实现混合声响度最小，即气、骨导声在耳蜗处发生了抵消。本发明主要介绍基于听阈法测量气-骨导差异传递函数。国家标准对纯音听阈的定义为：在规定的测试条件下，受试者对于多次给出的激励信号，能够听见一半以上的最小声压级。利用听阈法能够测量BADTF的幅度部分，可以将BADTF的幅度表示为气导传递函数与骨导传递函数的幅值比值的对数形式，如式(6)所示。
Figure BDA0002364670610000061
调整气导耳机和骨导耳机的输出音量使其达到气、骨导听阈，此时耳蜗处气、骨导声的响应均等于刚好引起听觉的最小响应，BADTF幅度简化为骨导听阈与气导听阈的比值，简化表达式如(7)
Figure BDA0002364670610000062
其中，
Figure BDA0002364670610000063
分别表示气导听阈、骨导听阈。
具体的测量方法如下：
第一步：搭建实验平台，受试者首先佩戴气导耳机测量气导听阈。
第二步：取下气导耳机，佩戴骨导耳机测量骨导听阈。
第三步：根据公式(2)计算该频点的BADTF幅度D(f)。
第四步：更改测试频率，频率选择100Hz-8kHz的24个频点，频率非均匀分布，重复第一步至第四步。测试频率的选择充分考虑了听觉系统的响度感知特性以及测量用耳机的电声特性。
第五步：对不同频率的幅度值进行拟合，获得气-骨导差异传递函数。
实施例3
本实施例的骨导传递函数采用直接测量的方法，利用耳声发射信号测量骨导传递函数。其他步骤同实施例1。
利用耳声发射信号测量骨导传递函数具体实施方案：
耳声发射是耳蜗主动向外释放的一种微弱的声音能量，可由置于耳道内的高灵敏度传声器拾取。刺激声频率耳声发射(Smiluate Frequency Otoacoustic Emissions,SFOAE)是指一种当耳蜗受到连续的纯音刺激时，就会将于刺激声音能量的音频能量发射回耳道的OAE。利用SFOAE的测量方法，获得SFOAE信号后与刺激信号解卷积，即可得到从声源到同侧耳蜗的骨导传递函数。设备连接如图2所示。受试者位于安静，噪声极小的测听室，使用骨导耳机和高灵敏度传声器，可以分别置于左右耳，这样有四种组合，因此骨导传递函数有四种：第一种骨导耳机置于左耳，探针传声器置于左耳，此时的传递函数为HLL(Z)；第二种骨导耳机置于左耳，探针传声器置于右耳，此时的传递函数为HLR(Z)；第三种骨导耳机置于右耳，探针传声器置于右耳，此时的传递函数为HRR(Z)；第四种骨导耳机置于右耳，探针传声器置于左耳，此时的传递函数为HRL(Z)；
以下以HRR(Z)为例，进行说明。
步骤：
第一步：受试者位于安静，噪声极小的测听室，右耳作为测试耳，左耳为非测试耳。测试过程中，使用隔声耳罩加掩蔽音的方式堵塞受试者的非测试耳。高灵敏度探针传声器置于右耳耳道同时使用耳塞堵塞耳道，并同时使用隔声耳罩，减少外界噪声干扰。骨导耳机可置于右耳乳突或颞骨或额骨处。骨导耳机播放20Hz-4kHz的扫频音，并进行多次测量减少测量实验误差。
第二步：置于耳道内的高灵敏度探针传声器接收到微弱的SFOAE信号，对接收到的SFOAE信号和骨导耳机输出的扫频音进行处理，获得从右耳骨导耳机到右耳耳蜗的传递函数。
第三步：扫频音X(Z)和接收信号Y(Z)输出到骨导传递函数处理模块；
第四步：骨导耳机输出扫频音为X(Z)，高灵敏度探针传声器的接收信号为Y(Z)，它们之间的关系式为：Y(Z)＝X(Z)HRR(Z)，因此可得到HRR(Z)＝Y(Z)X-1(Z)。上述均为在Z域的表示。同理可以获得HLL(Z)，HLR(Z)，HRL(Z)。后续具体选择哪个函数进行均衡处理，根据具体的场景和需求确定。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法，所述方法包括：
测量受试者的头骨阻抗；
测量受试者的头骨生理特性；
基于所述头骨阻抗和头骨生理特性在预先建立的数据库中进行匹配，获得与受试者的所述头骨阻抗和头骨生理特性相匹配的个性化骨导传递函数；
基于个性化骨导传递函数，设计对应的个性化骨导耳机均衡器；
所述方法还包括：建立结合头骨生理特性、骨导传递函数和头骨阻抗的数据库，具体包括：
测试获得骨导传递函数；
基于骨导耳机和负载搭建头骨阻抗测试平台，由此计算出头骨阻抗；
将个体头骨生理特性、个体头骨阻抗与个性化骨导传递函数建立一一对应关系，并存入数据库中；
所述测试获得骨导传递函数，具体包括：
受试者佩戴气导耳机，测量获得测试频率为f的气导听阈
Figure FDA0002854560750000011
受试者取下气导耳机，佩戴骨导耳机，测量获得该测试频率的骨导听阈
Figure FDA0002854560750000012
计算获得该测试频率的气-骨导差异传递函数的幅度值D(f)：
Figure FDA0002854560750000013
设置不同的测试频率，获得不同测试频率的气-骨导差异传递函数的幅度值，对整个频段的幅度值进行拟合，获得气-骨导差异传递函数，这里的气-骨导差异传递函数为骨导传递函数；
所述基于骨导耳机和负载搭建头骨阻抗测试平台，由此计算出头骨阻抗；具体为：
搭建骨导耳机和负载的串联电路,驱动电压为E；
骨导耳机驱动机械负载阻抗时负载的振动速度为v；
接入阻抗为ZL1的负载，测得对应的电流为I1；
接入阻抗为ZL2的负载，测得对应的电流为I2；
接入阻抗为ZL3的负载，测得对应的电流为I3；
将ZL1、I1，ZL2、I2，ZL3、I3，分别代入
Figure FDA0002854560750000014
得到三个方程，联立计算得到骨导耳机的电阻抗Ze、骨导耳机的力阻抗zm，骨导耳机的传导系数T；
受试者佩戴骨导耳机，测得对应的电流为I4,根据下式计算得到头骨阻抗ZL：
Figure FDA0002854560750000021
2.根据权利要求1所述的基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法，其特征在于,所述均衡器采用的均衡算法为线性幅度均衡算法或非线性幅度均衡算法。
3.一种基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法，所述方法包括：
测量受试者的头骨阻抗；
测量受试者的头骨生理特性；
基于头骨阻抗和头骨生理特性在预先建立的数据库中进行匹配，获得与受试者的头骨阻抗和头骨生理特性相匹配的个性化骨导传递函数；
基于个性化骨导传递函数，设计对应的个性化骨导耳机均衡器；
所述方法还包括：建立结合头骨生理特性、骨导传递函数和头骨阻抗的数据库，具体包括：
测试获得骨导传递函数；
基于骨导耳机和负载搭建头骨阻抗测试平台，由此计算出头骨阻抗；
将个体头骨生理特性、个体头骨阻抗与个性化骨导传递函数建立一一对应关系，并存入数据库中；
所述测试获得骨导传递函数，具体包括：
将隔声耳罩以及加掩蔽音的方式堵塞受试者的非测试耳；
将探针传声器置于受试者测试耳的耳道；
将骨导耳机置于乳突、颞骨或额骨处，骨导耳机播放20Hz-4kHz的扫频音X(Z)，Z为表示Z变换；
置于测试耳的耳道内的探针传声器接收信号Y(Z)；
从骨导耳机到该测试耳的耳蜗的骨导传递函数H(Z)为：
H(Z)＝Y(Z)X-1(Z)；
所述基于骨导耳机和负载搭建头骨阻抗测试平台，由此计算出头骨阻抗；具体为：
搭建骨导耳机和负载的串联电路,驱动电压为E；
骨导耳机驱动机械负载阻抗时负载的振动速度为v；
接入阻抗为ZL1的负载，测得对应的电流为I1；
接入阻抗为ZL2的负载，测得对应的电流为I2；
接入阻抗为ZL3的负载，测得对应的电流为I3；
将ZL1、I1，ZL2、I2，ZL3、I3，分别代入
Figure FDA0002854560750000031
得到三个方程，联立计算得到骨导耳机的电阻抗Ze、骨导耳机的力阻抗zm，骨导耳机的传导系数T；
受试者佩戴骨导耳机，测得对应的电流为I4,根据下式计算得到头骨阻抗ZL：
Figure FDA0002854560750000032
4.根据权利要求3所述的基于头骨阻抗识别的骨导耳机均衡方法，其特征在于，所述均衡器采用的均衡算法为线性幅度均衡算法或非线性幅度均衡算法。
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