CN112367600A - 一种语音处理方法及基于移动终端的助听器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种语音处理方法及基于移动终端的助听器系统，其结构设计简单合理，可降低投入成本，可提高语音信号处理效果，提高佩戴舒适度，该方法包括获取听障患者的听力曲线并计算各频段的补偿曲线，将语音信号转换为按子带均匀划分的频域信号，对听力损失进行补偿，在频域对语音信号进行降噪，将补偿后的信号还原为语音信号并输出，对语音信号进行反馈抑制，该助听器系统包括语音装置、移动终端、通信模块，所述语音装置用于采集和播放语音信号，移动终端用于接收、处理语音装置发送的语音信号，并将处理后的语音信号发送给语音装置，移动终端包括语音处理器，用于对语音信号进行处理，语音装置通过通信模块与语音处理器通信连接。

Description

一种语音处理方法及基于移动终端的助听器系统

技术领域

本发明涉及语音处理技术领域，尤其涉及一种语音处理方法及基于移动终端的助听器系统。

背景技术

助听器是听力障碍人士常用的一种特殊耳机，在全球老龄化浪潮下，中国国内的老年人群体也逐渐变得庞大。老年性耳聋是老年人常见的听力疾病，男性大约从45岁开始逐渐出现听力衰退，女性稍晚。因此，助听器的适用人群将越来越庞大。

但是，目前老年人或耳聋患者对助听器较为抵触，经过调查发现，主要原因有：一，市场上效果较好的助听器价格较贵，超出大部分老年人和耳聋患者的心理预期；二，因为助听器价格原因，大部分老年人或耳聋患者接触的是中低端助听器，其噪声抑制效果、语音处理效果较差；三、现有的助听器佩戴舒适度较低，助听器耳机需长期佩戴于老年人或耳聋患者的耳朵上，但现有的助听器耳机内置电子芯片结构较为复杂，语音信号处理功能主要依靠电子芯片内的语音处理模块，该功能的实现需在电子芯片上语音处理模块内配置较多的电子元件，这不仅增加了助听器耳机整体结构复杂度和尺寸，无法满足轻巧、便携、舒适的佩戴要求，而且电子元件之间易产生噪声信号干扰，进一步增大了信号处理难度，影响了语音信号处理效果。

发明内容

针对现有技术中存在的助听器结构复杂，影响佩戴舒适度的问题，以及噪声抑制效果差，增大了语音信号处理难度的问题，本发明提供了一种基于移动终端的助听器系统及语音处理方法，其结构设计简单合理，可降低投入成本，可提高语音信号处理效果，提高佩戴舒适度。

为解决上述问题，本发明专利采用以下技术方案：

一种语音处理方法，该方法基于语音装置、移动终端，所述语音装置用于采集和播放语音信号，所述移动终端用于接收、处理所述语音装置发送的所述语音信号，并将处理后的语音信号发送给所述语音装置；

所述智能手机内设置有语音处理器，通过所述语音处理器对所述语音信号进行处理，其特征在于：该方法包括：

S1、测量听障患者的听力曲线并计算得到不同频段的补偿曲线；

S2、采用短时傅里叶变换将所述语音信号转换为按子带均匀划分的频域信号；

S3、对子带进行组合得到数个通道，并对各通道根据所述补偿曲线进行补偿；

S4、采用短时傅里叶逆变换将补偿后的所述频域信号还原为时域语音信号并输出；

S5、取输出的语音信号进行反馈信号估计，在输入端减去所述反馈信号估计值，实现反馈抑制；

其进一步特征在于，

或采用加权叠接相加均匀通道滤波器组代替短时傅里叶变换对所述语音信号进行时域-频域相互转换；

采用宽动态压缩法实现听力补偿；

在对所述语音信号中的听力损失频段进行补偿前或补偿后，对所述语音信号进行噪声消除和/或频率压缩；

采用谱减法、最小均方误差和维纳滤波器算法对划分频段后的所述语音信号进行噪声消除；

采用自适应递归最小二乘法、自适应维纳滤波、自适应最小均方误差、自适应带限最小均方误差法对所述语音信号进行反馈抑制；

所述语音信号听力曲线的获取、时域-频域转换、听力损失补偿、语音信号频域-时域转换、反馈“啸叫”抑制分别通过所述听力曲线测量单元、时域-频域转换单元、听力损失补偿单元、频域-时域转换单元、反馈抑制单元处理实现。

一种应用上述语音处理方法的基于移动终端的助听器系统，所述系统包括所述语音装置、移动终端、通信模块，所述语音装置用于采集和播放语音信号；

所述移动终端用于接收、处理所述语音装置发送的所述语音信号，并将处理后的语音信号发送给所述语音装置；蓝牙耳机采集并通过蓝牙发送的语音信号，并将经过处理的语音信号通过蓝牙发送给蓝牙耳机；

其特征在于，所述移动终端包括语音处理器，用于对所述语音信号进行处理，所述语音装置通过所述通信模块与所述语音处理器通信连接。

其进一步特征在于，

所述语音处理器包括：

听力曲线测量单元，用于获取听障患者的听力曲线，并计算得到各频段的补偿曲线；

时域-频域转换单元，用于将所述麦克风采集的语音信号转换为按子带均匀划分的频域信号；

听力损失补偿单元，用于对子带进行组合得到数个通道，并对各通道根据所述补偿曲线进行补偿；

频域-时域转换单元，用于将补偿后的所述频域信号还原为时域语音信号并输出；

反馈抑制单元，用于抑制反馈信号回路产生“啸叫”；所述语音装置为蓝牙耳机；

所述蓝牙耳机包括麦克风、扬声器、控制器，所述麦克风、扬声器与所述控制器电连接；

所述控制器为单片机；

所述移动终端为智能手机。

采用本发明上述结构可以达到如下有益效果：

(1)该助听器系统的语音处理器设置于移动终端中，采用移动终端对语音信号处理后再发送给语音装置，语音装置中无需再设置多个电子元件对语音信号进行处理，因此相比于现有的直接通过佩戴于患者耳部的助听器对语音信号进行处理的方式，本发明语音装置的结构大大简化，提高了患者佩戴舒适度。

(2)用于语音信号处理的语音处理器利用移动终端内部现有的电子元件即可实现，无需再额外验配助听器的硬件，降低了投入成本；且语音处理器设置于移动终端内部，远离语音装置，降低了语音装置的噪声干扰和信号处理难度。

(3)采用移动终端中语音处理器对语音装置发送的语音信号进行处理，对语音信号进行实时频段划分、对听力损失频段进行补偿、同时对语音信号进行反馈抑制等，上述语音信号处理方法由现有移动终端实现，没有硬件资源的限制，采用短时傅里叶变换方法对语音信号进行实时频段划分，相较于现有的硬件助听器，采样率更高，可以实现更高的频率分辨率，达到更好的听力补偿，提高了语音信号处理效果。

附图说明

为了更清楚说明本发明专利实施例中的技术方案，下面将对本发明专利实施例描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明专利实施例的内容和这些附图获得其他附图。

图1是本发明专利具体实施方式提供的一种基于智能手机的蓝牙耳机助听器系统结构框图。

图2是采用本发明助听器系统对语音信号进行处理的方法一的流程图。

图3是采用本发明助听器系统对语音信号进行处理的方法二的流程图；

图4为采用上述方法一前后原始语音能量谱图与重建语音能量谱图的对比图。

具体实施方式

以下将结合部分实施例，对本发明专利方案进行更详细的描述，所描述的实施例仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部。基于本发明专利中的实施例，在本领域技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明专利的保护范围。

下面结合附图1～4，对本发明专利实施例提供的基于智能手机的蓝牙耳机助听器系统做进一步详细描述。

如图1所示，一种基于移动终端的助听器系统，包括语音装置1、移动终端2、通信模块3，语音装置1为蓝牙耳机，用于采集和播放语音信号，蓝牙耳机包括麦克风、扬声器、控制器，本实施例中控制器为单片机，麦克风、扬声器与控制器电连接，通过麦克风采集环境中的语音信号并发送给移动终端中的语音处理器，同时接收移动终端发送的语音信号并通过扬声器播放；

移动终端2为智能手机，用于接收、处理蓝牙耳机发送的语音信号，并将处理后的语音信号发送给蓝牙耳机，蓝牙耳机采集并通过蓝牙发送的语音信号，并将经过处理的语音信号通过蓝牙发送给蓝牙耳机；

智能手机包括语音处理器，语音处理器的硬件部分可直接利用现有的智能手机中的硬件系统，无需再在蓝牙耳机配置用于语音信号处理的硬件，语音处理器是本发明助听器系统的核心部分，包含了听力补偿及性能优化等算法，语音信号的处理主要通过该语音处理器实现，蓝牙耳机通过蓝牙通信与语音处理器通信连接。

语音处理器包括：

听力曲线测量单元21，用于获取听障患者的听力曲线，并计算得到不同频段的补偿曲线，具体实现方式为：针对单一频率，通过耳机发送单频信号，音量从小到大逐步提升，直到患者示意听到声音，记录此时输出声音的声压级，对不同频段进行相同的测量，连接各点得到听力曲线，听力曲线的获取以及补偿曲线的计算均可采用现有技术；

时域-频域转换单元22，用于将所述麦克风采集的语音信号转换为按子带均匀划分的频域信号；

听力损失补偿单元23，用于对子带进行组合得到数个通道，并对各通道根据补偿曲线进行补偿；

频域-时域转换单元24，用于将补偿后的频域信号还原为时域语音信号并输出；

反馈抑制单元25，用于抑制反馈信号回路产生“啸叫”。

见图2，采用上述助听器系统对语音信号处理的一种方法，该方法基于上述蓝牙耳机、智能手机，蓝牙耳机用于采集和播放语音信号，移动终端用于接收、处理蓝牙耳机发送的语音信号，并将处理后的语音信号发送给蓝牙耳机；

蓝牙耳机内设置有语音处理器，通过语音处理器对蓝牙耳机发送的语音信号进行处理，该方法包括：

S1、通过听力曲线测量单元21，获取听障患者的听力曲线，并计算得到不同频段的补偿曲线；

S2、通过时域-频域转换单元22，采用短时傅里叶变换法或加权叠接相加均匀通道滤波器组对语音信号进行均匀子带划分，短时傅里叶变换，用于得到实时语音信号的频域信息，即按频率将语音信号进行子带划分，以便对不同频率进行响应的补偿算法短时傅里叶变换(STFT)是和傅里叶变换相关的一种数学变换，用以确定时变信号的局部区域正弦波的频率与相位；计算短时傅里叶变换的过程是把一个较长的时间信号分成相同长度的更短的段，在每个更短的段上计算傅里叶变换,即傅里叶频谱；

短时傅里叶变换公式如下：

其中，X(m)为语音频域信号，x(m)为语音信号序列，w(n)为窗函数序列；

S3、通过听力损失补偿单元23，采用宽动态压缩法在频域上根据所述补偿曲线对语音信号进行补偿，宽动态压缩可对多子带进行不同数量的通道组合，实现在保证补偿效果的前提下降低运算量，宽动态范围压缩是输出限幅装置的一种形式，该方法根据配戴者的需要将整个言语动态范围按比例均匀地压缩到患者残余的听觉动态范围之内，该方法随输入语音信号强度的变化，放大或缩小语音信号，使语音信号完全处于患者已缩小的听觉动态范围之内，提高患者对语音信号的辨识度；

S4、通过频域-时域转换单元24，采用短时傅里叶逆变换将补偿后的频域信号还原为时域语音信号并输出；短时傅里叶逆变换为短时傅里叶变换的逆过程，公式如下：

其中，X(m)为语音频域信号，x(m)为语音信号序列，w(n)为窗函数序列；

S5，反馈抑制单元对反馈信号进行估计，用于抑制扬声器输出被麦克风采集形成回路产生的“啸叫”，主要操作为，采用以下方法其中之一，自适应递归最小二乘法、自适应维纳滤波、自适应最小均方误差、自适应带限最小均方误差法，根据语音处理器的输出，进行反馈信号的估计，然后从输入端减去所估计的信号，从而避免“啸叫”的产生。

见图3，采用上述助听器系统对语音信号处理的另一种方法，该方法二同样基于上述助听器系统，该方法二包括上述步骤S1～S5，但是在步骤S3前后，在对语音信号中的听力损失频段进行补偿前和补偿后，分别对语音信号进行噪声消除或频率压缩，即该方法包括S30、S31，在该方法中S30、S3、S31的执行顺序可根据仿真结果进行调整：

S30、采用以下方法其中之一，谱减法、最小均方误差或维纳滤波器算法对经步骤S2划分频段后的语音信号进行噪声消除；

S31、对经步骤S3补偿后的语音信号进行频率压缩，对于在某些频段完全丧失听力的重度听障患者，将语音信号的频谱向低频压缩，将损失听力的频段的信号搬移到低频，该步骤只针对重度听障患者存在。

本发明在硬件上完全采用日常生活中常见的智能手机和蓝牙耳机，避免了额外验配助听器的硬件成本，大大降低了用户的投入成本；由于算法由智能手机实现，没有硬件资源的限制，在用户体验方面可以实现更好的噪声抑制效果，在听力补偿效果方面，蓝牙耳机具有相较于硬件助听器更高的采样率，可以实现点数更高的短时傅里叶变换，从而实现更高的频率分辨率，达到更好的听力补偿。

采用上述助听器系统以及语音信息处理方法一、方法二后，对听障患者听力有所损失的频段进行了补偿放大，同时对过高的音量进行压缩减小，图4为采用上述方法一前后原始语音能量谱图与重建语音能量谱图的对比图，横轴表示时间(单位：秒)，纵轴表示频率(单位：Hz)，颜色深度为语音声压级(代表音量)，以该语谱图为例说明4通道听力补偿的功能，4通道分别为，0～625Hz，625～1625Hz，1625～3625Hz，3625～8000Hz，且4个通道补偿曲线不同。在0～1秒能够看出，对于不同的通道，执行了不同的补偿方式，通道1声音音量放大倍数较小，通道4声音音量放大倍数较大，且能明显区分4个通道不同的补偿方案，在3～4秒处执行的是音量缩小的策略，将输入较高的音量缩小，防止进一步损害患者听力，且采用方法一后各个通道的颜色深度趋近一致，说明采用上述方法后声音得到了补偿，避免了声音太大或太小问题出现，提高了语音信号处理效果。实时应用过程中，实际听力补偿方案通道数支持1～32通道可配，且需要根据测量所得的听力曲线来设计补偿方案，根据听障患者每个频段听力损失的情况，对子带进行适当的通道组合，并针对性设计计算每个通道的补偿曲线来达到最佳效果。

以上结合部分具体实施例描述了本发明专利技术的原理。这些描述仅用于说明本发明专利原理，而不能以任何方式解释为对本发明专利保护范围的限制。在图4实施例的基础上，还可以根据需求选择所需的语音处理模块，得到其它实施例。基于此处解释，本领域的技术人员在不需要付出创造性劳动即可联想到本发明专利的其他具体实施方式，这些方式都将落入本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种语音处理方法，该方法基于语音装置、移动终端，所述语音装置用于采集和播放语音信号，所述移动终端用于接收、处理所述语音装置发送的所述语音信号，并将处理后的语音信号发送给所述语音装置；

所述智能手机内设置有语音处理器，通过所述语音处理器对所述语音信号进行处理，其特征在于：该方法包括：

获取听障患者的听力曲线，计算并生成各频段的补偿曲线；

对所述语音信号进行时域-频域转换；

对所述语音频域信号根据补偿曲线进行补偿；将补偿后的所述频域信号还原为时域语音信号并输出；

对还原得到的所述时域语音信号进行反馈抑制。

2.根据权利要求1所述的一种语音处理方法，其特征在于，采用短时傅里叶变换法和逆短时傅里叶变换实现语音信号时域-频域相互转换。

3.根据权利要求1所述的一种语音处理方法，其特征在于，或采用加权叠接相加均匀通道滤波器组对所述语音信号进行时域-频域相互转换。

4.根据权利要求1所述的一种语音处理方法，其特征在于，对子带进行组合得到数个通道，并采用宽动态压缩法对各通道根据所述补偿曲线进行补偿。

5.根据权利要求1所述的一种语音处理方法，其特征在于，在对所述语音信号中的听力损失频段进行补偿前或补偿后，对所述语音信号进行噪声消除和/或频率压缩。

6.根据权利要求1所述的一种语音处理方法，其特征在于，采用谱减法、最小均方误差和维纳滤波器等算法对划分频段后的所述语音信号进行噪声消除。

7.根据权利要求1所述的一种语音处理方法，其特征在于，采用自适应递归最小二乘法、自适应维纳滤波、自适应最小均方误差、自适应带限最小均方误差法等算法对所述语音信号进行反馈抑制。

8.一种应用上述权利要求1～7任一项所述的语音信号处理方法的基于移动终端的助听器系统，其特征在于，所述系统包括所述语音装置、移动终端、通信模块，所述语音装置用于采集和播放语音信号；

所述移动终端用于接收、处理所述语音装置发送的所述语音信号，并将处理后的语音信号发送给所述语音装置；

其特征在于，所述移动终端包括语音处理器，所述语音处理器用于对所述语音信号进行处理，所述语音装置通过所述通信模块与所述语音处理器通信连接。

9.根据权利要求8所述的一种基于移动终端的助听器系统，其特征在于，

所述语音处理器包括：

听力曲线测量单元，用于获取听障患者的听力曲线，并计算得到不同频段的补偿曲线；

时域-频域转换单元，用于将所述麦克风采集的语音信号转换为按子带划分的频域信号；

听力损失补偿单元，用于对子带进行组合得到数个通道，并对各通道根据所述补偿曲线进行补偿；

频域-时域转换单元，用于将补偿后的所述频域信号还原为时域语音信号；

反馈抑制单元，用于抑制反馈信号回路产生“啸叫”。

10.根据权利要求8所述的一种基于移动终端的助听器系统，其特征在于，所述语音装置为蓝牙耳机，所述蓝牙耳机包括麦克风、扬声器、控制器，所述麦克风、扬声器与所述控制器电连接，所述移动终端为智能手机。

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